CN101514908A

CN101514908A - 一种红外激光敏感快速响应角位置探测器

Info

Publication number: CN101514908A
Application number: CNA2009100800097A
Authority: CN
Inventors: 赵嵩卿; 赵昆; 周岳亮
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2029-03-17
Also published as: CN101514908B

Abstract

本发明涉及一种红外激光敏感快速响应角位置探测器，其包括一基底以及生长于该基底上的光响应层，该光响应层为添加有掺杂金属的ZnO薄膜层，其厚度为10纳米－10微米，并且，所述掺杂金属以纳米颗粒的形式掺杂到ZnO中。该器件输出光敏信号反应快，时间短，可达到几个纳秒，光生电压信号的极值随着角位置的变化关系清楚可分辨，可以用来测量连续光或者脉冲光的角位置和角位移量。本发明提供的采用掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜制作的红外激光敏感快速响应角位置探测器件在工业、计算机、国防等方面具有广泛的应用前景。

Description

一种红外激光敏感快速响应角位置探测器

技术领域

本发明涉及一种红外激光敏感快速响应角位置探测器，特别涉及一种利用掺杂金属纳米颗粒的ZnO材料制作的红外激光敏感快速响应角位置探测器。

背景技术

近年来，氧化锌在蓝光及紫外二极管和激光器方面的潜在用途引起了人们的极大兴趣。氧化锌是一种宽禁带半导体材料，其直接带宽为3.37eV，能够用于制作紫外光探测器，例如文献：X.G.Zheng，Q.Sh.Li，J.P.Zhao，D.Chen，B.Zhao，Y.J.Yang，L.Ch.Zhang，Photoconductive ultraviolet detectorsbased on ZnO films，APPLIED SURFACE SCIENCE，253(4)：2264-2267和Q.A.Xu，J.W.Zhang，K.R.Ju，X.D.Yang，X.Hou，ZnO thin filmphotoconductive ultraviolet detector with fast photoresponse，JOURNAL OFCRYSTAL GROWTH，289(1)：44-47所介绍的。

中国专利申请200810223389.0(公开号：CN101363741A)公开了一种宽波段光位置探测器，其是基于ZnO薄膜的位置探测器，与角位置探测器属于不同的探测器件。目前还没有发现采用氧化锌制作红外光角位置探测器的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外激光敏感快速响应角位置探测器，采用掺杂有金属纳米颗粒的ZnO材料制成探测器的光响应层，得到一种具有响应快、制作简单、价格低廉的角位置探测器，在角位置控制、目标跟踪以及计算机应用方面具有广阔前景。

为达到上述目的，本发明提供了一种红外激光敏感快速响应角位置探测器，其中，该角位置探测器包括一基底以及生长于该基底上的光响应层，该光响应层为添加有掺杂金属的ZnO薄膜层，其厚度为10纳米-10微米，并且，掺杂金属以纳米颗粒的形式掺杂到ZnO中。

在本发明提供的角位置探测器中，所采用的ZnO薄膜层中的掺杂金属可以包括I、II、III、IV、V、VI、VII族金属元素和过渡族金属元素中的一种；优选地，上述掺杂金属可以包括Mg、Ca、Sr、Ti、Sc、Ni、Ta、Cr、Mn、Al、Ga、In、Sn、Ir、Os、Mo、W、Ag、Au、Pb、Cu、Fe和Pt等中的一种，更优选地，上述掺杂金属为Ag、Au、Pb、Cu、Fe和Pt等中的一种。

在本发明提供的角位置探测器中，以ZnO计，所采用的ZnO中的掺杂金属的掺杂比例按照原子比为0.1-20％，优选为1-15％。

在本发明提供的角位置探测器中，优选地，所采用的ZnO中的掺杂金属颗粒的尺寸可以在5纳米到1000纳米之间。

本发明的关键是对于光响应层材料的选择，即采用掺杂纳米金属颗粒的ZnO薄膜制成探测器中生长于基底上的光响应层，对于探测器本身的结构并没有特殊限制，可以是任何现有的角探测器结构，例如上述角位置探测器可以包括：基底；光响应层，生长于所述基底上；第一电极和第二电极分别设置在所述光响应层的左右两端，分别连接第一电极引线和第二电极引线。

根据本发明的具体实施方案，优选地，上述角位置探测器还可以包括：阻值为1Ω至1MΩ的电阻和/或容量为1pF至500μF的电容，连接于第一电极引线和第二电极引线之间，以加快响应速度。

根据本发明的具体实施方案，优选地，该角位置探测器还可以包括一放大电路或电压测试设备，连接于第一电极引线和第二电极引线之间；更优选地，上述电压测试设备可以是电压放大器或者示波器。

在本发明提供的角位置探测器中，优选地，基底的材料可以是硅、氧化镁、白宝石、水晶片、铝酸镧和钛酸锶等中的一种。

在本发明提供的角位置探测器中，优选地，电极形状可以为点状、线状或平面状等；并且，电极的材料可以是铟、银、铂、金、铝和其他金属中的一种；可以用银胶连接，或用铟直接焊接，也可以用真空镀膜、磁控溅射光刻和化学腐蚀等方法制备铂、金、银或铝电极等。

本发明提供的制备红外激光敏感快速响应角位置探测器的方法可以按照以下步骤进行：

1、利用激光分子束外延、脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发或者溶胶凝胶法的制膜工艺，在基底上制备掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜光响底层，按需要选择生长条件，以保证薄膜很好的生长；

2、参照图1用常规方法制备电极和引线，然后采用常规半导体封装工艺封装在外壳内，制备出掺杂金属纳米颗粒的ZnO红外激光敏感快速响应角位置探测器件。

本发明的红外激光敏感快速响应角位置探测器件可以采用激光分子束外延、脉冲激光沉积、分子束外延、磁控溅射、电子束蒸发或溶胶凝胶法等制膜方法，利用半导体工艺，可以在一块掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜芯片上制作单个单元器件，还可以制备出多个单元、多元列阵式的掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜光位置探测器件，因此本发明的光敏感快速响应角位置探测器的制备方法简单，成本低廉，易于工业化批量生产。该器件输出光敏信号反应快，时间短，可达到几个纳秒，随着角位置的变化，光生电压信号的极值也清楚而且可分辨，可以用来测量连续光或者脉冲光的角位置和角位移量。

本发明提供的采用掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜制作的红外激光敏感快速响应角位置探测器件在工业(如，机床的位置控制、目标跟踪、精密定位)、计算机(如，汉字输入器件)、国防(如，激光准直、光源跟踪)等方面具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是利用掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜制作的红外激光敏感快速响应角位置探测器的优选实施例的结构示意图；

图2是利用掺杂金属纳米颗粒ZnO薄膜制作的红外激光敏感快速响应角位置探测器的另一优选实施例的结构示意图；

图3是本发明的探测波长为1.064微米红外激光照射探测器所产生的光生伏特信号随光与薄膜表面法线夹角(0°～90°)的变化图；

图4是本发明的探测波长为1.064微米红外激光照射探测器所产生的光生伏特信号随光与薄膜表面法线夹角(-90°～0°)的变化图；

图5是入射角为60°时1.064微米红外激光照射下的光生伏特信号。

附图标号说明：

1基底2光响应层3第一电极4第二电极5第一电极引线6第二电极引线7电阻8电容9电压测试或放大设备

具体实施方式

以下结合具体实施例详细介绍本发明技术方案的实现和特点，以帮助阅读者理解本发明的精神实质和有益效果，但不能构成对本发明可实施范围的任何限定。

本发明提供的红外激光敏感快速反应角位置探测器可以包括以下具体结构：

如图1所示，该角位置探测器包括：基底1；厚度在10纳米-10微米的光响应层2，生长于基底1上，光响应层2为掺杂金属纳米颗粒的ZnO薄膜层；第一电极3和第二电极4分别设置在光响应层2的左右两端，分别连接第一电极引线5和第二电极引线6；阻值为1Ω-1MΩ的电阻(R)7，连接于第一电极引线5和第二电极引线6之间；

如图2所示，该角位置探测器还可以包括：容量为1pF至500μF的电容(C)8，与电阻7并联于第一电极引线5和第二电极引线6之间，以及电压测试或放大设备(A)9，与电阻7、电容8并联于第一电极引线5和第二电极引线6之间。

实施例1

下面结合附图和实施例对本实施例提供的红外激光敏感快速反应角位置探测器的结构以及制备进行详细地说明。

参考图1，制备以掺杂金纳米颗粒的ZnO薄膜材料制作光响应层的角位置探测器件：选用脉冲激光沉积设备，在n型Si单晶基底1上直接生长掺杂金纳米颗粒的ZnO光响应薄膜层2(金纳米颗粒的掺杂量为5％，原子比，颗粒大小约为十几个纳米)，厚度为500nm，得到掺杂金纳米金属颗粒的ZnO薄膜样品；把制备好的掺杂金纳米颗粒的ZnO薄膜样品切割成尺寸为1×1cm²的芯片，用铟在薄膜左右边的表面对称位置上，设置第一电极3和第二电极4成为一组，电极约为1mm²；用φ0.05mm的铜线作第一电极引线5和第二电极引线6，其一端分别用铟焊接在第一电极3和第二电极4上；在引线5、6之间并联阻值为1MΩ的电阻(R)7，这样探测器就制备完成。

用波长为1.064微米的激光(能量密度0.5mJ/mm²)照射这个角位置探测器，电极3、4间输出光生伏特电压信号，改变激光入射角，得到不同激光入射角度下的光生伏特信号。图3、4是入射光和薄膜表面夹角不同时的光生伏特信号和夹角之间的响应曲线，图中所示的角度为激光束和如图1所示的ZnO薄膜表面法线之间的夹角。在1.064微米红外激光照射下，入射角为60°时所产生的光生伏特信号如图5所示。

实施例2

参考图2，制备以掺杂银纳米颗粒的ZnO薄膜材料制作光响应层的角位置探测器件：选用激光分子束外延设备，在钛酸锶单晶衬底1上直接生长掺杂银纳米颗粒的ZnO光响应薄膜层2(银纳米颗粒的掺杂量为10％，原子比，颗粒的大小约为几十个纳米)，厚度为0.5微米，得到掺杂银纳米颗粒的ZnO薄膜样品；把制备好的掺杂银纳米颗粒的ZnO薄膜样品切割成尺寸为1×1μm²的芯片，用溅射方法在薄膜的表面制作金电极，在薄膜的表面左右对称位置上设置第一电极3和第二电极4成为一组，电极约为1mm²；用φ0.05mm的铜线作第一电极引线5和第二电极引线6，其一端分别采用铟焊接在第一电极3和第二电极4上；在引线5、6之间并联阻值为1MΩ的电阻(R)7、容量为500μF的电容(C)8以及放大设备(A)9，这样探测器就制备完成。

用波长为1.064微米的激光(能量密度0.8mJ/mm²)照射这个角位置探测器件，电极3、4间输出的光生电压信号随入射光和薄膜表面夹角不同时的光生伏特信号和夹角之间的响应曲线与图3、图4类似。

实施例3

参考图1，制备以掺杂铁纳米颗粒的ZnO薄膜材料制作光响应层的角位置探测器件：选用脉冲激光沉积设备，在n型Si单晶基底1上直接生长掺杂铁纳米颗粒的ZnO光响应薄膜层2(金纳米颗粒的掺杂量为15％，原子比，颗粒的大小约为十几个纳米)，厚度为500nm，得到掺杂铁纳米金属颗粒的ZnO薄膜样品；把制备好的掺杂金纳米颗粒的ZnO薄膜样品切割成尺寸为1×1cm²的芯片，用铟在薄膜左右边的表面对称位置上，设置第一电极3和第二电极4成为一组，电极约为1mm²；用φ0.05mm的铜线作第一电极引线5和第二电极引线6，其一端分别用铟焊接在第一电极3和第二电极4上；在引线5、6之间并联阻值为1MΩ的电阻(R)7，这样探测器就制备完成。

用波长为1.064微米的激光(能量密度0.5mJ/mm²)照射这个角位置探测器，电极3、4间输出光生伏特电压信号，改变激光入射角，得到不同激光入射角度下的光生伏特信号。入射光和薄膜表面夹角不同时的光生伏特信号和夹角之间的响应曲线和图3、4类似。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，如用增加或改变光响应层中掺杂的材料和掺杂量，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1、一种红外激光敏感快速响应角位置探测器，其中，该角位置探测器包括一基底以及生长于该基底上的光响应层，该光响应层为添加有掺杂金属的ZnO薄膜层，其厚度为10纳米-10微米，并且，所述掺杂金属以纳米颗粒的形式掺杂到ZnO中。

2、如权利要求1所述的角位置探测器，其中，所述掺杂金属包括Mg、Ca、Sr、Ti、Sc、Ni、Ta、Cr、Mn、Al、Ga、In、Sn、Ir、Os、Mo、W、Ag、Au、Pb、Cu、Fe和Pt中的一种。

3、如权利要求2所述的角位置探测器，其中，所述掺杂金属为Ag、Au、Pb、Cu、Fe和Pt中的一种。

4、如权利要求1所述的角位置探测器，其中，以ZnO计，所述ZnO中的掺杂金属的掺杂比例按照原子比为0.1-20％。

5、如权利要求4所述的角位置探测器，其中，以ZnO计，所述ZnO中的掺杂金属的掺杂比例为1-15％。

6、如权利要求1所述的角位置探测器，其中，该角位置探测器包括：

基底；

光响应层，生长于所述基底上；

第一电极和第二电极分别设置在所述光响应层的左右两端，分别连接第一电极引线和第二电极引线。

7、如权利要求6所述的角位置探测器，其中，该角位置探测器还包括：

阻值为1Ω至1MΩ的电阻和/或容量为1pF至500μF的电容，连接于所述第一电极引线和第二电极引线之间，以加快响应速度。

8、如权利要求6或7所述的角位置探测器，其中，该角位置探测器还包括一放大电路或电压测试设备，连接于第一电极引线和第二电极引线之间。

9、如权利要求1或6所述的角位置探测器，其中，所述基底的材料为硅、氧化镁、白宝石、水晶片、铝酸镧和钛酸锶中的一种。

10、如权利要求6所述的角位置探测器，其中，所述电极的形状为点状、线状或平面状。