一种热辐射探测式仿生红外传感元件及其制备方法

1.本发明涉及红外探测技术领域，特别是涉及一种用于探测红外信号的热辐射探测式仿生红外传感元件及其制备方法。


背景技术：

2.红外探测式传感器由于其良好的普适性、环境适应性及较强的抗干扰能力，广泛应用于军事、医疗服务、工业生产、气象学等领域。热辐射探测式红外感知元件作为应用最为广泛的一种红外探测式传感器，其工作原理是以锑、镍等金属薄片或半导体薄膜材料为基础制备敏感元件，通过吸收红外辐射所引起的温度变化导致材料物理性质发生改变，然后通过测定物理参数的变化来确定所吸收的红外辐射进而实现对物体的远距离探测。
3.目前市面上红外探测系统对红外信号的处理能力受到信号强度的限制，对于高效灵敏的红外信号接收处理和放大系统检测灵敏度低，响应时间长，因此如何提高红外传感系统的感知灵敏度和超远微弱信号的感知能力是当今红外探测式传感元件面临的一个重要问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种热辐射探测式仿生红外传感元件及其制备方法，用于解决现有红外探测式传感器信号接收处理检测灵敏度低，响应时间长的问题。
5.本发明提供的热辐射探测式仿生红外传感元件，包括：自内到外依次设置的多孔内核吸收层、吸收层外围薄膜、透明石英管、石英管壁仿生红外感受薄膜和压电薄膜；
6.所述多孔内核吸收层由设置在钢丝上的聚二甲基硅氧烷、固化剂和直径为2-5um的sio2微球组合而成，其中聚二甲基硅氧烷(pdms)、固化剂和直径为2-5um的sio2微球三者之间的质量分数分别为pdms:57.5wt％-62.5wt％，固化剂:4.0wt％-6.25％,sio2:31.25-38.5wt％；
7.所述吸收层外围薄膜与多孔内核吸收层选用同种材料，为3um sio2微球分散在聚二甲基硅氧烷基体中(质量比1:2-1:3之间)，吸收层外围薄膜外表面为激光腐蚀倒模结构薄膜，包覆在多孔内核吸收层的外围；多孔内核吸收层填充在透明石英管内，与石英管底部和压电薄膜构成上下两个腔室，下腔室和多孔内核吸收层内为充斥其中的水，将温度变化引起的体积变化转化为内部填充液体(水)的体积变化；
8.所述石英管壁仿生红外感受薄膜为仿穹顶结构的红外感受薄膜，包覆在透明石英管外壁；连接读出信息的压电薄膜封装在石英管顶部；
9.其中石英管壁仿生红外感受薄膜上均匀分布多个外凸的外缘凸包，其外缘曲线为仿吉丁甲虫“穹顶”结构感受器的拟合曲线，曲线公式如下：
10.f外(x)＝a1*x^(6) a2*x^(5) a3*x^(4) a4*x^(3)a5*x^(2) a6*x a7
11.其中0≤x≤10,
12.其中0≤x≤10,a1＝-1.421e-03a2＝-2.11e-02,a3＝-1.08e-01,a4＝-4.14e-02,
a5＝6.52e-01,a6＝2.24e-01,a7＝4.6715。
13.作为本发明的优选结构，所述多孔内核吸收层内部是直径为100-250um的柱状孔腔。
14.本发明的另一个目的是提供一种石英管壁仿生红外感受薄膜的制备方法，具体步骤包括：自转式匀胶机在500r/min-600r/min的低转速下在硅片基底涂附光刻胶并保持30-50s，而后切换至高转速1500r/min-1800r/min保持30-50s；光刻胶在离心力的作用下铺展成一层均匀的薄膜，然后将匀胶后的硅片放置在真空干燥箱中，50-80℃保持15-20分钟；将薄膜放置在紫外光灯稳定5min-10min后，将前烘处理的硅片进行50s-70s的曝光；将曝光后的硅片放置在真空干燥箱中，80℃-95℃保持15-20分钟；将后烘处理后的硅片放置在显影液中进行20s-50s的显影；然后用去离子水冲洗显影后的硅片3-5次，去除表面残留污渍；在常温下，用吹风机将样品吹干；即可得到带有吉丁甲虫“穹顶”感受器结构的硅片模板；在烧杯中加入100ml水和无水乙醇(体积比1:3-1:4之间)充分混合，将仿“穹顶”结构模板置于烧杯中，将烧杯置于超声波清洗机中清洗10-15分钟后用吹风机吹干；然后在室温下用水晶滴胶(环氧树脂)a/b胶配置第一次倒模试剂(质量比3:1-4:1之间)，用pdms主剂和固化剂配置第二次倒模试剂(质量比10:1-12:1之间)，搅拌均匀后放置于真空箱中，将真空度控制在-0.7mpa至-0.5mpa并保持30-50分钟除去气泡，取出倒模试剂；用玻璃棒将第一次倒模试剂滴在硅片模板上(略厚)，静置10-15分钟使之充分浸入模板结构内部并铺展均匀，将其放置在电热鼓风干燥箱中，将温度设置为60℃-75℃，固化2-3小时，取出样品，从模板上揭下，并将其作为中间模板进行二次倒模；用玻璃棒将第二次倒模试剂滴在中间模板上，静置10-20分钟使之充分浸入模板结构内部并铺展均匀，将其放置在电热鼓风干燥箱中，将温度设置为80℃-90℃，固化2-3小时，取出样品，从中间模板上揭下，得到与硅片表面结构完全一致的仿“穹顶”结构薄膜。
15.本发明的另一个目的是提供一种多孔内核吸收层的制备方法，具体步骤包括：首先在烧杯中加入100ml水和无水乙醇的混合溶液中(体积比1:3-1:4之间)，然后将海绵薄片用普通胶水粘在石英管模具顶端，待其干燥后向其中插入若干100um-250um钢丝，尽量让钢丝在海绵薄片中均匀分布；然后在室温下用5.75g-6.25g pdms主剂、0.4g-0.625g的固化剂和3.125g-3.85g的直径为2-5um的sio2微球配置注塑试剂，用玻璃棒搅拌均匀后放置于真空箱中，使用真空泵并将真空度控制在-0.7mpa至-0.5mpa并保持30-40分钟除去气泡后取出；然后用解剖刀片轻轻划开海绵薄片与石英管模具的粘接层,将试剂加入石英管模具中，然后将海绵薄片贴回石英管模具顶端，最后将模具放置于真空箱中，打开真空泵,将真空度控制在-0.7mpa至-0.5mpa并保持30min-40min除去气泡，取出模具；将其放置在电热鼓风干燥箱中，将温度设置为80℃-90℃，固化2-3小时；最后得到直径为100-250um的柱状孔腔；将减反增透薄膜包覆在封装石英管外壁，同时用减反吸收薄膜包覆在多孔内核吸收层外表面，最后将多孔内核吸收层填充在封装石英管中。
16.本发明的热辐射探测式仿生红外传感元件的工作原理如下：
17.当红外辐射传播至红外传感元件表面时，其可在大气环境与石英管壁仿生红外感受薄膜的梯度折射率间的界面高效通过，同时硬质外壁隔绝仿生红外传感元件结构内外部的压力交换，因此可以充分保证结构内部压力信号被软质的信号输出端吸收，并穿透石英管壁进入内核，多孔内核吸收层此时能抑制反射使得大量红外光波迅速进入吸收层，此时
分散在pdms基体吸收层内的sio2微球能充分吸收红外线并引起吸收层体积的膨胀进而引起内部孔径的变化并将这种变化转换为液压信号，使吸收层内的微米孔径缩小至强毛细作用的尺寸范围(0.2-20um)，因此在上述两层增压机制下，液体压强压迫元件顶端的压电薄膜将红外信号放大并输出电信号传出至显示系统。
18.本发明的优点及积极效果是：
19.1、本发明的传感元件基于吉丁甲虫的胸部颊窝中所存在的凹坑感受器具有对红外光高灵敏度、高稳定性及快速响应的工作特性，进而提升对红外信号的检测灵敏度，提高响应时间，适用于红外探测式传感器在任何气候环境下均能进行远距离探测作业。
20.2、本发明基于吉丁甲虫胸部颊窝中“穹顶状”的感受器对红外光具有高灵敏度、高稳定性等特点，由于吸收层体积泵的扩张和毛细吸力的增长几乎是瞬时的，因此该元件可显著提高对红外信号接受处理的检测灵敏度，大幅降低响应时间，同时吸收层和仿生红外感受薄膜几乎不受工作环境的影响，因此该元件可在任何气候环境下均能进行远距离红外探测作业。
21.3、本发明的仿生红外传感元件具有结构合理，制备过程简单，使用过程操作简便等优点。
附图说明
22.通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
23.图1本发明实施例中的整体结构轴侧图。
24.图2本发明实施例中的整体结构剖视图。
25.图3本发明实施例中仿生红外感受薄膜轴侧图。
26.图4本发明实施例中平均反射率示意图。
27.附图说明：压电薄膜1、多孔内核吸收层2、吸收层外围薄膜3、透明石英管4、石英管壁仿生红外感受薄膜5。
具体实施方式
28.在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
29.实施例1
30.图1-3示出了根据本发明实施例的整体结构示意图。
31.如图1-3所示，本发明实施例提供的一种热辐射探测式仿生红外传感元件，包括：多孔内核吸收层1、吸收层外围薄膜2、透明石英管3、石英管壁仿生红外感受薄膜4、以及连接读出系统的压电薄膜5。石英管壁仿生红外感受薄膜由硅片模板、环氧树脂胶、pdms、固化剂制备而成；多孔内核吸收层1由钢丝、pdms、固化剂及sio2微球制备而成。多孔内核吸收层1由pdms(聚二甲基硅氧烷)、固化剂和直径为3-5um的sio2微球组成，其中pdms(聚二甲基硅氧烷)、固化剂和直径为3-5um的sio2微球三者之间的质量分数分别为pdms:57.5wt％-62.5wt％，固化剂:4.0wt％-6.25％,sio2:31.25-38.5wt％。
32.如图1-3所示，多孔内核吸收层内部是直径为100-250um的柱状孔腔，吸收层薄膜与多孔内核吸收层选用同种材料，为3um sio2微球分散在pdms(聚二甲基硅氧烷)基体中(质量比1:2-1:3之间)，吸收层外表面为激光腐蚀倒模结构薄膜，包覆在多孔内核吸收层的外围；多孔内核吸收层填充在透明石英管内，与石英管底部和压电薄膜构成上下两个腔室，下腔室和多孔内核吸收层内为充斥其中的水，将温度变化引起的体积变化转化为内部填充液体(水)的体积变化；石英管壁薄膜为仿“穹顶”结构的红外感受薄膜，包覆在透明石英管外壁；连接读出系统的压电薄膜封装在石英管顶部。其中石英管壁薄膜上均匀分布多个外凸的外缘凸包，其外缘曲线为仿吉丁甲虫“穹顶”结构感受器的拟合曲线，曲线公式如下：
33.f外(x)＝a1*x^(6) a2*x^(5) a3*x^(4) a4*x^(3)a5*x^(2) a6*x a7
34.其中0≤x≤10,
35.其中0≤x≤10,a1＝-1.421e-03a2＝-2.11e-02,a3＝-1.08e-01,a4＝-4.14e-02,a5＝6.52e-01,a6＝2.24e-01,a7＝4.6715。
36.实施例2
37.上述热辐射探测式仿生红外传感元件主要分为对吸收层外围薄膜和石英管壁仿生红外感受薄膜以及多孔内核吸收层的制备。
38.对石英管壁仿生红外感受薄膜的制备，具体包括以下步骤：
39.步骤1：将硅片放置在无水乙醇中超声清洗5-10min，然后取出用去离子水清洗三次。
40.步骤2：在自转式匀胶机在500r/min-600r/min的低转速条件下低在硅片基底涂附光刻胶并保持30-50s，而后切换至1500r/min-1800r/min保持30-50s。形成一层均匀的光刻胶薄膜
41.步骤3：将匀胶后的硅片放置在真空干燥箱中，50-80℃保持15-20分钟。
42.步骤4：待紫外光灯稳定5min-10min后，将前烘处理的硅片进行50s-70s的曝光。
43.步骤5：将曝光后的硅片放置在真空干燥箱中，80℃-95℃保持15-20分钟。
44.步骤6：将后烘处理后的硅片放置在显影液中进行20s-50的显影。
45.步骤7：洗涤：用去离子水冲洗显影后的硅片3-5次，去除表面残留污渍。
46.步骤8：常温下，用吹风机将样品吹干。即可得到带有吉丁甲虫“穹顶”感受器结构的硅片模板，并用二次模板法制备仿生红外感受薄膜，具体步骤如下：
47.步骤9：100ml在烧杯中加入水和无水乙醇(体积比1:3-1:4之间)充分混合，将仿“穹顶”结构模板置于烧杯中，使用超声波清洗机中清洗10-15分钟后用吹风机吹干。
48.步骤10：然后在室温下用水晶滴胶(环氧树脂)a/b胶配置第一次倒模试剂(质量比3:1-4:1之间)，用pdms主剂和固化剂配置第二次倒模试剂(质量比10:1-12:1之间)，用玻璃棒搅拌均匀后放置于真空箱中，打开无油隔膜真空泵，将真空度控制在(-0.7mpa)-(-0.5mpa)并保持30-50分钟除去气泡，取出倒模试剂。
49.步骤11：用玻璃棒将第一次倒模试剂滴在硅片模板上，静置10-15分钟使之充分浸入并铺展均匀，将电热鼓风干燥箱温度设置为60℃-75℃，固化2-3小时，取出样品，从模板上揭下，并将其作为中间模板进行二次倒模。
50.步骤12：用玻璃棒将第二次倒模试剂滴在中间模板上，静置10-20分钟使之充分浸入模板结构内部并铺展均匀，将其放置在电热鼓风干燥箱中，将温度设置为80℃-90℃，固
化2-3小时，取出样品，从中间模板上揭下，得到与硅片表面结构完全一致的仿“穹顶”结构薄膜。
51.实施例3
52.对多孔内核吸收层的制备：
53.步骤1：在烧杯中加入水和无水乙醇(体积比1:3-1:4之间)充分混合，将石英管模具和封装石英管置于烧杯中，将烧杯置于超声波清洗机中清洗10-15分钟，去除石英管内壁表面污渍，取出石英管用吹风机吹干；
54.步骤2：将剪下的海绵薄片用普通胶水粘在石英管模具顶端，待其干燥后向其中插入若干100um-250um钢丝，尽量让钢丝在海绵薄片中均匀分布；
55.步骤3：然后在室温下用pdms主剂、固化剂和直径为2-5um的sio2微球配置注塑试剂(质量比10:1:5-15:1:10)，用玻璃棒搅拌均匀后放置于真空箱中，打开无油隔膜真空泵，将真空度控制在(-0.7mpa)-(-0.5mpa)并保持30-40分钟除去气泡，取出注塑试剂；
56.步骤4：用解剖刀片轻轻划开海绵薄片与石英管模具的粘接层，将布满钢丝的海绵薄片略微提取一定高度(方便加入注塑试剂)，用医用注射器将注塑试剂加入石英管模具中，然后将海绵薄片贴回石英管模具顶端.
57.步骤5：将模具放置于真空箱中，打开无油隔膜真空泵，将真空度控制在-(-0.7mpa)-(-0.5mpa)并保持30min-40min除去气泡，取出模具；
58.步骤6：将其模具放置在电热鼓风干燥箱中，将温度设置为80℃-90℃，固化2-3小时；
59.步骤7：取出模具，拔出钢丝(从模具轴向用力)，用金刚石刀轻轻敲破模具侧壁，取出成型的多孔内核吸收层；
60.步骤8：将减反增透薄膜包覆在封装石英管外壁，同时用减反吸收薄膜包覆在多孔内核吸收层外表面，最后将多孔内核吸收层填充在封装石英管中。得到图1所示的仿生红外传感元件。
61.在采用上述方法制备仿生红外传感元件后，运用可见光-红外分光光度计对仿生传感元件薄膜的反射性能进行测试，光度计采用中世沃克(天津)科技发展股份有限公司生产的tj270-30a双光束红外分光光度计。试验测试波段为1-5μm，测试步长为20nm。对于无结构无sio2微球的普通薄膜，其平均反射率为8.2％；对于有结构无sio2微球的薄膜，其平均反射率为3.4％；不同球径的有结构的sio2微球薄膜反射率均在2.0％以下，其中最优的微球质量比组合为质量比为2：1的3μm sio2微球薄膜，其最佳反射率可降至1.45％，具体参阅图4。
62.以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。