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利用納米天線突破傳統紅外探測器設計極限,大幅提升探測器性能
2019-09-26    來源:MEMS  瀏覽次數:
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據麥姆斯咨詢報道,美國桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories)的研究人員開發了一種微型納米天線,可以為“捕捉”熱量的相機和傳感器提供更清晰的熱紅外輻射圖像,用于從天文學研究到人、建筑物和物品等安防應用。

美國桑迪亞國家實驗室研究人員開發的這種基于納米天線的探測器,可以將熱紅外相機的信號提升2~3倍,同時將暗電流降低10至100倍,從而大幅提高成像質量。

“熱紅外相機和傳感器已經存在了50年,但相機鏡頭或傳感器光學系統背后的探測器傳統設計似乎已經達到了性能極限。”美國桑迪亞國家實驗室納米天線項目負責人David Peters說。

他表示,提高紅外探測器的靈敏度,突破典型設計所能提供的性能極限,對美國桑迪亞國家實驗室的國家安全工作,以及其他應用(如天文學研究)都很重要。

用更少的材料,捕捉更多的信號

紅外探測器的靈敏度和成像質量通常依賴于一定厚度的探測器材料層,該材料層吸收入射熱量并將其轉化為可捕捉的電信號,然后轉化為圖像。探測器材料層的厚度決定了相機可以吸收并讀取的熱量,但是,過厚的探測器材料層也有缺點。

Peters介紹說:“探測器材料會自發地產生可被捕捉的電子,這增加了圖像噪聲,進而降低成像質量。這種被稱為暗電流的現象會隨著探測器材料層的厚度而增加,材料層越厚,暗電流造成的圖像噪聲就越多。”

美國桑迪亞國家實驗室的研究小組開發了一種新的探測器設計,不再依賴于較厚的探測器材料層,而是使用一種亞波長納米天線——一種黃金制成的方形或十字形圖案化陣列,將光集中在較薄的探測器材料層上。該設計僅使用厚度不到1微米的探測器材料層,而傳統的熱紅外探測器材料層的厚度有5~10微米。作為參照,人頭發絲的寬度約為75微米。


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這種納米天線增強型設計,可以將探測器對物體紅外輻射的吸收提高到50%以上,目前的技術僅能捕捉約25%的紅外輻射,同時,還可以降低由暗電流引起的圖像失真。它還能夠支持現有技術無法實現的新探測器概念。

“例如,使用這種納米天線,通過對光譜響應的像素級精確控制,可以顯著擴大圖像中獲取的信息量。”Peters說。

該團隊通過對傳統紅外探測器的常規工藝稍作改進,制造了這種基于納米天線的探測器。首先在晶圓頂部生長探測器材料。然后將探測器材料倒裝到電路層上,該電路層讀取由納米天線和探測器層收集的信號。在除去晶圓之后,應用微量的黃金以在探測器材料頂部形成圖案化的納米天線層。


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從實驗室走向產業化

Peters說道:“我們沒有預料到可以獲得這么好的實驗結果。現在,我們已經證明了這一概念,并且這項技術已經準備好商業化。這個概念可以應用于不同的探測器類型,因此,紅外探測器制造商有機會將這項新技術整合到現有產品中。”

Peters表示,美國桑迪亞國家實驗室正在尋求合作研究與開發,以將該技術產業化。

“該項目是一個完美的案例,展示了我們國家實驗室如何驗證一個技術概念,然后將其轉移至可以進一步開發的產業界。” Peters自信地說。

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