科技前沿—由形狀記憶聚合物諧振器設計的高靈敏非制冷紅外探測器

紅外探測器為紅外熱像儀的核心部件，其主要的兩種探測器分為光子探測器（冷卻的）和熱探測器（未冷卻的）。當暴露于紅外輻射時，光子探測器依賴于探測器材料內電子—空穴對的生成進行作用，這種方式是最快且最靈敏的紅外檢測技術。然而，它們需要在低溫下操作以最小化熱產生的電子—空穴對。冷卻系統增加了整個系統的尺寸和成本。

熱探測器通過測量溫度相關的物理屬性來轉換成紅外輻射，且不需要主動冷卻，具有體積小，節能高的特點。但這樣的方式在靈敏度和響應時間方面仍落后于光子探測器。

由于頻率測量具有低噪聲和極高的靈敏度，采用機械共振頻率的共振紅外探測器可以成為熱探測器的突破性技術。而形狀記憶聚合物（SMP）是可編程的相變材料，可以記憶永久形狀，在給定條件下可以變形并固定為臨時形狀，隨后在外部刺激下恢復其原始的永久形狀。SMP的機械性能可以使用諸如溫度，光，溶劑和壓力的刺激來改變。SMP可用于提高溫度系數（TCF），因為它們的楊氏模量具有極高的溫度依賴性。

圖為紅外形狀記憶聚合物諧振傳感器工作原理

因此，研究者開發了一種基于熱響應SMP的高靈敏度共振紅外探測器，其機械性能隨溫度變化而變化。這是首次將聚合物的熱相變性質用作紅外檢測的傳導機制。SMP諧振器提供了前所未有的響應度，因為具有最高的溫度系數。紅外輻射會加熱SMP，從而改變其機械性能。SMP材料本身不僅提供了紅外到頻率轉換的機制，而且在長波范圍（即7—14μm）內也是良好的吸收體，從而避免了需要額外的吸收體層的情況。SMP材料的導熱系數低，可與環境實現良好的熱隔離。這些特性不僅在真空中而且在大氣壓下都可以實現高靈敏度的紅外熱檢測。通過將SMP與SiNx膜一起用作雙壓電晶片諧振器，可以進一步提高紅外感應的靈敏度。

參考資料：

Ulas Adiyan, Tom Larsen, Juan José Zárate, et al. Shape memory polymer resonators as highly sensitive uncooled infrared detectors[J]. Nature Communications, 10:4518, 1-9, 2019.