基于激光加工铌酸锂晶圆的热释电传感器，实现触觉传感和温度监测
2024-06-01 20:36:07 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
济南大学的研究人员制备了激光加工的铌酸锂（LPLN）晶圆，以提高温度-电压响应。这些加工过的晶圆被用来构造热释电传感器以及人机接口（HMI）。对于人机接口，传感器阵列可以识别各种模式下的触觉信息，并实现温度报警系统的良好运行。
热释电传感器具有响应速度快、响应速率高、功耗低、不依赖低温制冷技术等特点，在人体检测、温度测量、障碍物检测等领域得到了广泛应用。然而，热释电传感器的效率受到低电压信号输出的限制。
据麦姆斯咨询报道，近日，济南大学的研究人员制备了激光加工的铌酸锂（LPLN）晶圆，以提高温度-电压响应。这些加工过的晶圆被用来构造热释电传感器以及人机接口（HMI）。对于人机接口，传感器阵列可以识别各种模式下的触觉信息，并实现温度报警系统的良好运行。激光改性方法有望提高热释电器件在人机接口应用中的性能。相关研究成果以“Laser-processed lithium niobate wafer for pyroelectric sensor”为题发表在InfoMat期刊上。
基于激光加工的铌酸锂传感器阵列制造过程如下图所示。将清洗后的本征铌酸锂（LN）晶圆直接放置在加工台上，利用聚焦的1064 nm激光脉冲在空气中按照预定的1 cm × 1 cm正方形阵列进行扫描。单个正方形的过程持续约13 s。激光扫描后，铌酸锂的颜色变暗，表面粗糙度增加。随后，从晶圆上切割经过激光加工的铌酸锂正方形以构建传感器阵列。这种基于激光加工的铌酸锂由于氧空位的存在而表现出更强的电荷转移能力。
基于激光加工的铌酸锂传感器阵列制造过程示意图
实验结果表明，在10 K的温度波动下，基于激光加工的铌酸锂芯片的热释电电压为60.8 V，而铌酸锂芯片的热释电电压仅为45.7 V。这是因为激光诱导氧逸出和氧空位的形成，增强了铌酸锂表面的电荷转移能力。因此，电极聚集的电荷量增加，使基于激光加工的铌酸锂芯片上的热释电电压比铌酸锂芯片高1.3倍。
在热传导模式下进行了热释电实验，研究了样品的温度-电压响应
此外，研究人员还开发了人机接口，并证明其具有不同的功能。基于激光加工的铌酸锂传感器阵列在单点触摸模式、滑动模式和多点触摸模式下实现了实时响应。同时，开发了一种双阈值温度监测器，并对不同的温度做出不同的响应。
一种基于激光加工的铌酸锂3 × 3热释电传感器阵列，用于触觉监测和温度映射
总而言之，研究人员利用1064 nm脉冲激光表面处理技术对铌酸锂晶圆进行改性，有效提高了其在电压方面的热释电性能。该技术也可应用于其他含氧铁电晶体。整个过程在环境气氛中进行，简化了复杂的实验步骤。聚焦激光的冷加工特性避免了结构损伤。在电压方面的热释电性能的改善被认为是由于粗糙表面的空位含量增加和电荷存储增加导致激光诱导导电层的形成。得益于激光改性，使用基于激光加工的铌酸锂芯片构建的传感器对温度差异表现出更高且更稳定的温度-电压响应。完成了基于传感器的人机接口的制造，实现了触觉传感和温度监测。这项工作不仅为提高热释电材料在电压方面的热释电性能提供了一种有效的方法，而且有望拓宽热释电传感器的应用场景。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12557
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