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神户大学开发出焦热电型红外线传感器

展会前线中国仪表网2009年04月10日 09:25人气:1044

  日本神户大学石田谦司与堀江聪等的研究小组开采用有机强介电体材料发出了焦热电型红外线传感器(图1)。因材料采用偏氟乙烯(VDF)低聚物(Oligomer,低分子物),所以不含铅,安装在薄膜上可弯曲。表示红外线检测灵敏度的指标——焦热电率高达2.8(图2,3)。而一般作为焦热电型红外线传感器材料使用的锆钛酸铅(PZT)的材料热电率为0.32。VDF低聚物由大金工业制造。此次的成果是在科学技术振兴机构(JST)举行的“JST Innovation Bridge”上发布的。
  焦热电性是指物质内部的自发极化量随着温度发生变化的性质。焦热电型红外线传感器会将因红外线所致温度上升而产生的自发极化量的变化作为电信号提取,以检测红外线的有无及强度。多数红外线传感器均为焦热电型。材料多采用无机物强介电体PZT。但PZT含铅。为不含铅,也有采用钽酸锂作材料的红外线传感器产品。但因其为无机物,因此不易弯曲。
  为易于弯曲,还尝试采用有机强介电体材料聚偏氟乙烯(PVDF)。但会使制造成本提高。由于结晶相与非结晶相混合,结晶度较低,为提高焦热电性需要进行100~150℃左右的热处理工序。而若采用低聚物(开发品的聚合数为12~29),就无需进行这种热处理(图4)。
  加之聚合物还存在很难形成亚微型以下的薄膜,难以提高检测灵敏度的缺点。为形成焦热电层,需要采用铸造法(Cast Method)及旋压覆盖法(Spin Coat Method)等湿式法。而利用低聚物时,因采用真空蒸镀法等干式法,所以容易形成薄膜的热电层。   
    一般情况下,焦热电层及底板等越薄,检测灵敏度越高。这是因为热容量在减小。如果热容量减小,基于等量红外线照射的温度就会大幅提升。因此,VDF低聚物的厚度也可减至500nm。采用3.5~100μm的底板薄膜进行了评测。下部电极蒸镀了100nm厚的金,上部电极蒸镀了厚25nm的铬。这是由于金的红外线反射率较高,而铬的红外线透过率较高。
  今后需要解决的课题如何测定传感器的寿命及确立量产方法。由于采用有机物,耐久性较低,因此寿命可能会比较短。
  另外,红外线传感器除了焦热电型之外,还有直接检测因红外线照射而引起物质内部发生的光导电效果及光伏发电的量子型。量子型在灵敏度及响应性方面,比利用焦热电特性的焦热电型出色。但其仅可检测短波长,无法用于人体检测。另外,采用目前的主要材料——水银镉碲(HgCdTe)时,需要在使用时以液氮将其冷却到77K。
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