科技前沿—由形状记忆聚合物谐振器设计的高灵敏非制冷红外探测器

红外探测器为红外热像仪的核心部件，其主要的两种探测器分为光子探测器（冷却的）和热探测器（未冷却的）。当暴露于红外辐射时，光子探测器依赖于探测器材料内电子—空穴对的生成进行作用，这种方式是最快且最灵敏的红外检测技术。然而，它们需要在低温下操作以最小化热产生的电子—空穴对。冷却系统增加了整个系统的尺寸和成本。

热探测器通过测量温度相关的物理属性来转换成红外辐射，且不需要主动冷却，具有体积小，节能高的特点。但这样的方式在灵敏度和响应时间方面仍落后于光子探测器。

由于频率测量具有低噪声和极高的灵敏度，采用机械共振频率的共振红外探测器可以成为热探测器的突破性技术。而形状记忆聚合物（SMP）是可编程的相变材料，可以记忆永久形状，在给定条件下可以变形并固定为临时形状，随后在外部刺激下恢复其原始的永久形状。SMP的机械性能可以使用诸如温度，光，溶剂和压力的刺激来改变。SMP可用于提高温度系数（TCF），因为它们的杨氏模量具有极高的温度依赖性。

图为红外形状记忆聚合物谐振传感器工作原理

因此，研究者开发了一种基于热响应SMP的高灵敏度共振红外探测器，其机械性能随温度变化而变化。这是首次将聚合物的热相变性质用作红外检测的传导机制。SMP谐振器提供了前所未有的响应度，因为具有最高的温度系数。红外辐射会加热SMP，从而改变其机械性能。SMP材料本身不仅提供了红外到频率转换的机制，而且在长波范围（即7—14μm）内也是良好的吸收体，从而避免了需要额外的吸收体层的情况。SMP材料的导热系数低，可与环境实现良好的热隔离。这些特性不仅在真空中而且在大气压下都可以实现高灵敏度的红外热检测。通过将SMP与SiNx膜一起用作双压电晶片谐振器，可以进一步提高红外感应的灵敏度。

参考资料：

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.