CN109524423A - 可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，包括：聚合物基底，探测器单元阵列，以及用于连接探测器单元阵列中的探测器单元的石墨烯互联电极；所述探测器的制备方法包括：步骤A：生长外延片；步骤B：用步骤A所生长的外延片制备出台面型探测器单元；步骤C：在步骤B所制备的探测器表面旋涂柔性聚合物材料；步骤D：在步骤C完成后的探测器表面用石墨烯旋涂并图形化，制成石墨烯互联电极；步骤E：在步骤D完成后的探测器表面旋涂未固化的柔性聚合物材料；步骤F：预记忆探测器的聚合物基底的立体形状；以及步骤G：将步骤E完成的探测器粘连在步骤F所完成预记忆的探测器的聚合物基底上，完成所述探测器的制备。
Description
技术领域
本公开涉及红外探测与成像领域，尤其涉及一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器及其制备方法。
背景技术
任何物体都会随时向外部世界释放红外辐射，但是人眼对红外辐射没有响应，所以我们必须采用专门的仪器来感知和检测红外辐射，而红外探测器就是这个应运而生的仪器。红外探测器能够将人眼不能感知的红外辐射信号转变为其它可以测量的物理量。其在夜视成像，天文观测，工业控制，医疗，通讯等众多领域有着极其广泛的应用。
当前的可见光至红外光电探测器主要都是基于半导体光敏材料制备而成，材料和结构都属刚性，不可形变。随着对探测精度、成像范围等性能的要求不断提升，红外探测器在向更密集化、全方位、柔性化的方向发展。尤其是在生态保护、军事国防、航空航天等方面，对全方位探测性能的要求最会显著：对濒危野生动物的跟踪保护、在复杂的战场环境中的自我伪装和潜入侦查、宇宙空间全方位的实时观测等等。
虽然传统的红外探测器在借助光学***可以对远程目标实时跟踪监控，但是一定程度上限制了监控范围，并且不能适应复杂的环境变化。为了实现在保证器件性能的同时，将探测器件功能部分微型化并按照一系列力学结构设计将其固定在柔性基体材料上，这些精妙的设计使得原本刚性的探测器件在无需改变材料本身(即保持其优良的电学性能)的条件下，实现宏观尺度下的柔性，并且在不同的环境刺激下能实时形变，实现良好的隐蔽性和最佳的监控效果。
公开内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器及其制备方法，以缓解现有红外探测器实时成像的局限性、工艺制备复杂、形变单一、环境适应能力差等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，包括：聚合物基底，形状记忆聚合物制成；探测器单元阵列，由多个探测器单元按阵列排布而成，设置于所述聚合物基底上；以及石墨烯互联电极，石墨烯互联导线制成，用于连接所述探测器单元阵列中的探测器单元。
在本公开实施例中，所述形状记忆聚合物包括：聚甲基丙烯酸甲酯或乙烯与醋酸乙烯酯共聚物。
在本公开实施例中，所述探测器单元阵列中的探测器单元为台面型，由外延片制备而成，探测器单元包含上、下台面且台面表面分别设置有上、下电极。
在本公开实施例中，所述外延片的结构由上到下包括：P接触层和帽层，制成材料包括：InP、InGaAsP或InGaAs；光吸收层，制成材料包括：InGaAs；N接触层，制成材料包括：N型掺杂InP、InGaAsP或InGaAs；牺牲层，制成材料包括：InGaAs或InGaAsP；以及衬底，制成材料包括：InP。
在本公开实施例中，所述的探测器单元的上、下电极包括：Au、Ti、Pt、Pd、Cr、Zn或AuGeNi合金的单层电极或它们组合的复合层电极。
在本公开实施例中，所述石墨烯互联电极的石墨烯互联导线的形状包括：波浪形线、S形线、分形或自相似图形。
在本公开实施例中，所述石墨烯互联电极的石墨烯互联导线为单层，横、纵两个方向走线，实现各个探测器单元的信号输出。
在本公开实施例中，所述制备方法包括：步骤A：生长外延片，生长中在外延片衬底与N接触层之间加入与N接触层有高腐蚀选择比的牺牲层；步骤B：用步骤A所生长的外延片制备出台面型探测器单元，并使其沿横、纵方向呈二维阵列排布；步骤C：在步骤B所制备的探测器表面旋涂柔性聚合物材料，并在所述探测器单元之间设置金属互联导线；步骤D：在步骤C完成后的探测器表面用石墨烯旋涂并图形化，形成探测器单元之间的石墨烯互联导线，制成石墨烯互联电极；步骤E：在步骤D完成后的探测器表面旋涂未固化的柔性聚合物材料；步骤F：预记忆探测器的聚合物基底的立体形状；以及步骤G：将步骤E旋涂完柔性聚合物材料的探测器粘连在步骤F所完成预记忆的探测器的聚合物基底上，完成可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的制备。
在本公开实施例中，步骤B中将所述探测器单元的上台面刻蚀到N接触层的上表面，下台面刻蚀到牺牲层的下表面。
在本公开实施例中，步骤C和步骤E中所旋涂的柔性聚合物材料包括：聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或生物降解塑料。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)不通过机械控制，并保证成像质量、精度等高性能的前提下实现智能形变并对环境全方位实时监控，具有较强的隐蔽性；
(2)可以实现对可见光和近红外两种波段的探测，即在白天和夜间都可以对环境或者目标实时监测；
(3)在制备工序上操作简单，探测器的立体形状可以任意设计，具有对复杂环境的超强适应性，有望使探测器实现小型化、便携化、低功耗、隐身化，并为红外成像***提供更高的成像质量和更多的设计自由度。
附图说明
图1为本公开实施例可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器平面结构示意图。
图2为本公开实施例可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器中制备探测器单元所用外延片的结构示意图。
图3为本公开实施例以千纸鹤形状为例说明可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的工作原理示意图。
图4为本公开实施例可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器制备方法流程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-P接触层和帽层；2-光吸收层；3-N接触层；4-牺牲层；5-衬底；
10-聚合物基底；20-探测器单元；30-石墨烯互联电极。
具体实施方式
本公开提供了一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器及其制备方法，所述探测器可以实现对可见光和近红外两种波段的探测，可以不通过机械控制，并保证成像质量、精度等高性能的前提下实现智能形变并对环境全方位实时监控，具有较强的隐蔽性；在制备工序上操作简单，探测器的立体形状可以任意设计，具有对复杂环境的超强适应性，有望使探测器实现小型化、便携化、低功耗、隐身化，并为红外成像***提供更高的成像质量和更多的设计自由度。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，图1为所述探测器的平面结构示意图，如图1所示，所述探测器括：
聚合物基底10，形状记忆聚合物(Shap Memory Polymer，简称SMP)制成；
探测器单元阵列，由多个探测器单元20按二维阵列排布而成，设置于所述聚合物基底10上；
石墨烯互联电极30，沿横、纵方向连接所述探测器单元阵列中的探测器单元20。
所述形状记忆聚合物是在一定的外力和刺激下，能够固定临时形状，并在外界刺激下(如：热、电、光、化学感应等)重新恢复到永久形状的聚合物。
所述形状记忆聚合物包括：聚甲基丙烯酸甲酯或乙烯与醋酸乙烯酯共聚物。
所述探测器单元阵列中的每个探测器单元20由外延片加工制成，图2为所述探测器单元20所用外延片的结构示意图，如图2所示，所述外延片的结构由上到下包括：
P接触层和帽层1，制成材料包括：InP、InGaAsP或InGaAs；；
光吸收层2，制成材料包括：InGaAs；
N接触层3，制成材料包括：N型掺杂InP、InGaAsP或InGaAs；
牺牲层4，制成材料包括：InGaAs或InGaAsP；以及
衬底5，制成材料包括：InP。
利用钝化、光刻、湿法刻蚀、磨抛、等工艺技术，从所述外延片开始制备出台面型带有上下电极的探测器单元。
在本公开实施例中，以InGaAs/InP短波红外探测器为例。外延片使用金属有机化学气相沉积MOCVD或分子束外延MBE设备生长。
在本公开实施例中，图3为以千纸鹤形状为例说明可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的工作原理示意图，如图3所示，平面型形状记忆聚合物基底，在90℃条件下，借助外力作用使聚合物基底发生机械形变，成为千纸鹤形状，然后降温到22℃，进行形状预记忆，保持一段时间；然后放在90℃条件下，聚合物基底会自动恢复平面型。
将探测器单元阵列粘合在聚合物基底上，并放置在90℃条件下保持一段时间，然后冷却至22℃，附有探测器单元阵列的聚合物基底会自动发生形变，成为千纸鹤形状，至此，表面附有探测器单元阵列的千纸鹤制备完成；如果环境温度在90℃和22℃之间变化，这种探测器件会在平面型和千纸鹤形状之间发生变化，整个过程中无需外力作用即可完成。
在本公开实施例中，还提供一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器制备方法，图4为所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器制备方法流程示意图，如图4所示，所述制备方法，包括：
步骤A：生长外延片，生长中在外延片衬底5与N接触层3之间加入与N接触层3有高腐蚀选择比的牺牲层4；
步骤B：用步骤A所生长的外延片制备出台面型探测器单元20，并使其沿横、纵方向呈二维阵列排布；
其中，利用光刻刻蚀，金属生长，钝化膜生长等半导体制备工艺，将所述探测器单元的上台面刻蚀到N接触层3的上表面，下台面刻蚀到牺牲层4的下表面，并在上、下台面表面分别制备上(P)电极和下(N)电极，并形成欧姆接触。
所述形成欧姆接触的金属包括：Au,Ti,Pt,Pd,Cr,Zn或AuGeNi合金的单层或它们组合的复合层。
步骤C：在步骤B所制备的探测器表面旋涂柔性聚合物材料，并在所述探测器单元20之间设置金属互联导线；
此过程中图形化露出探测器单元的P、N电极开孔；
所述金属互联导线形状包括：波浪形线、S形线、分形或自相似等图形；
所述柔性聚合物材料对金属互联导线起保护作用。
步骤D：在步骤C完成后的探测器表面用石墨烯旋涂并图形化，形成探测器单元之间的石墨烯互联导线，制成石墨烯互联电极；
所述石墨烯互联导线生长在步骤C所述的柔性聚合物材料表面。
所述石墨烯互联导线为单层，横纵两个方向走线，最终以类似字线和位线的方式实现单个探测器单元的信号输出。
所述石墨烯互联导线形状包括：波浪形线、S形线、分形或自相似等图形；
所述石墨烯互联导线最终引出到探测器单元阵列外侧形成接口。
步骤E：在步骤D完成后的探测器表面旋涂未固化的柔性聚合物材料；
所述可延展柔性材料用以保护探测器正面以及探测器单元之间的互联导线，并用于和柔性基底作粘接。
所述柔性聚合物材料包括：聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或生物降解塑料(Ecoflex)等。
步骤F：预记忆探测器的聚合物基底的立体形状；
在一定温度、光照强度等条件下，借助外力作用使形状记忆聚合物基底发生机械形变，即对立体形状进行预记忆。
步骤G：将步骤E旋涂完柔性聚合物材料的探测器粘连在步骤F所完成预记忆的探测器的聚合物基底上，完成可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的制备。
本公开制备的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器原始形状为平面型，可以根据需要将基底折叠弯曲成多种立体形状进行预记忆，所述的立体形状可以模仿各种复杂的物体或生物等；其立体形状的面越多，其表面的可见光至近红外探测器件对空间采集的信息越密集丰富，便于实现全方位立体监控，然后平铺并在基底表面附加所述探测器单元阵列，通过改变环境条件(如：光、热等)使其自动在不同形状间发生转换，后续可以通过引线将预留在探测器单元阵列外侧的互联导线接入后端驱动和读出电路，并结合成像***、控制***投入实际使用，形成可使用的程序化形变的智能可见光至近红外探测器。
可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器不仅仅限于人为因素对形变的控制，也包括其自身随着环境的变化而自动发生形变，提现了本发明的智能化和低功耗的特性，具有超强的环境适应力。所述的乙烯与醋酸乙烯酯共聚物不仅具有形状记忆特性，而且在不同温度条件下具有透明到不透明的可逆转变的智能特性。这种材料是本公开中优先考虑的一种材料，不仅增强了可见光至近红外探测器的隐蔽性，也提高了探测器件的环境适应能力和使用寿命。
所述的立体形状可以模仿各种复杂的物体或生物等；其立体形状的面越多，其表面的可见光至近红外探测器件对空间采集的信息越密集丰富，便于实现全方位立体监控。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器及其制备方法，所述探测器可以实现对可见光和近红外两种波段的探测，可以不通过机械控制，并保证成像质量、精度等高性能的前提下实现智能形变并对环境全方位实时监控，具有较强的隐蔽性；在制备工序上操作简单，探测器的立体形状可以任意设计，具有对复杂环境的超强适应性，有望使探测器实现小型化、便携化、低功耗、隐身化，并为红外成像***提供更高的成像质量和更多的设计自由度。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，包括：
聚合物基底(10)，形状记忆聚合物制成；
探测器单元阵列，由多个探测器单元(20)按阵列排布而成，设置于所述聚合物基底(10)上；以及
石墨烯互联电极(30)，石墨烯互联导线制成，用于连接所述探测器单元阵列中的探测器单元(20)。
2.根据权利要求1所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，所述形状记忆聚合物包括：聚甲基丙烯酸甲酯或乙烯与醋酸乙烯酯共聚物。
3.根据权利要求1所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，所述探测器单元阵列中的探测器单元(20)为台面型，由外延片制备而成，探测器单元(20)包含上、下台面且台面表面分别设置有上、下电极。
4.根据权利要求3所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，其中所述外延片的结构由上到下包括：
P接触层和帽层(1)，制成材料包括：InP、InGaAsP或InGaAs；
光吸收层(2)，制成材料包括：InGaAs；
N接触层(3)，制成材料包括：N型掺杂InP、InGaAsP或InGaAs；
牺牲层(4)，制成材料包括：InGaAs或InGaAsP；以及
衬底(5)，制成材料包括：InP。
5.根据权利要求3所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，所述的探测器单元(20)的上、下电极包括：Au、Ti、Pt、Pd、Cr、Zn或AuGeNi合金的单层电极或它们组合的复合层电极。
6.根据权利要求1所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，所述石墨烯互联电极(30)的石墨烯互联导线的形状包括：波浪形线、S形线、分形或自相似图形。
7.根据权利要求1所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，所述石墨烯互联电极(30)的石墨烯互联导线为单层，横、纵两个方向走线，实现各个探测器单元(20)的信号输出。
8.一种制备方法，用于制备权利要求1至7任一项所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器，所述制备方法包括：
步骤A：生长外延片，生长中在外延片衬底(5)与N接触层(3)之间加入与N接触层(3)有高腐蚀选择比的牺牲层(4)；
步骤B：用步骤A所生长的外延片制备出台面型探测器单元(20)，并使其沿横、纵方向呈二维阵列排布；
步骤C：在步骤B所制备的探测器表面旋涂柔性聚合物材料，并在所述探测器单元(20)之间设置金属互联导线；
步骤D：在步骤C完成后的探测器表面用石墨烯旋涂并图形化，形成探测器单元之间的石墨烯互联导线，制成石墨烯互联电极(30)；
步骤E：在步骤D完成后的探测器表面旋涂未固化的柔性聚合物材料；
步骤F：预记忆探测器的聚合物基底(10)的立体形状；以及
步骤G：将步骤E旋涂完柔性聚合物材料的探测器粘连在步骤F所完成预记忆的探测器的聚合物基底(10)上，完成可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的制备。
9.根据权利要求8所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的制备方法，步骤B中将所述探测器单元(20)的上台面刻蚀到N接触层(3)的上表面，下台面刻蚀到牺牲层(4)的下表面。
10.根据权利要求9所述的可伪装可形变的智能可见光至近红外探测器的制备方法，步骤C和步骤E中所旋涂的柔性聚合物材料包括：聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或生物降解塑料。
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