一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器及其制备方法

本发明涉及光热阵列探测器领域，特别是涉及一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器及其制备方法。

背景技术：

1、光电探测器在探测器领域中有着举足轻重的地位。随着人工智能和物联网的发展，光电探测器深入我们生活的方方面面，从手机上的摄像头，智能汽车上的传感器、安检的传感器、红外传感器、遥感等，有非常广泛的应用。以智能汽车的传感器为例，其包含激光雷达、毫米波雷达、cmos图像传感器等，本质上都是光传感器，只是响应的波长范围不同，引入多种的光传感器既占用车内空间，同时也增加了采购成本。

2、超宽带光传感器是一种利用超宽带光谱技术进行高精度、高分辨率测量的光学传感器。这类传感器通常具有非常宽的光谱响应范围，能够在较宽的波长范围内同时捕获和分析光信号，从而提供比常规窄带宽光传感器更为丰富和细致的信息。超宽带光传感器搭配不同波长的滤波片，就可以大幅减少传感器所占用空间，也能降低采购的成本。

3、根据原理的不同，超宽带光电传感器通常分为光伏传感器和光热传感器。从紫外到近红外波长范围内，基于光伏效应的光电探测器在响应率、响应速度和噪声水平方面表现出优越的性能，但是由于光伏探测器的光谱响应范围取决于材料的能带带隙，所以如果想要制作更长波长远红外探测器或者探测范围更广的超宽带探测器则需要窄带隙半导体或者量子阱等材料。而且在室温下这些探测器都会有比较大的漏电流，因此需要比较庞大且功耗巨大的制冷设备的辅助。

4、光热探测器在室温下就有响应多个波长范围内的光信号，包含可见光、红外线至太赫兹波段等广泛的光谱范围因而具有非常广泛的应用前景。光热探测器分为波尔效应探测器、热电探测器和热释电探测器等。

5、热电探测器基于热电效应。当探测器的一侧吸收光子之后温度会升高，在另一侧之间产生温度差，在塞贝克效应的影响下就会在探测器两端输出一个基于温度差而产生的电势差。因此，只要选择合适的吸光涂料，可以实现对各个波长光的响应，非常适合用于制作超宽带光探测器，将其制成阵列后便可以在比较宽的光谱范围内成像。

6、传统的超宽带光探测器虽然也可以在比较宽的光谱范围内使用，但是在一些诸如狭小的空间或者曲面上，其刚性限制了其使用范围。因此为了满足逐渐扩大的市场需求，一款具有柔性的超宽带光热电阵列探测器也是必须的。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器及其制备方法，本发明探测器在具有超宽带光谱响应的同时具有出色的柔性，可以贴附于具有一定曲率的表面，因此可以在狭小或者不规则的表面使用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，该探测器包括柔性n型衬底、柔性pcb和柔性长条状p型像素单元；柔性n型衬底贴附于柔性pcb的底部，所述的柔性pcb上设有窗口和传感器焊盘，柔性长条状p型像素单元包括光热转换层和热电转换层，其中光热转换层通过柔性pcb的窗口和柔性n型衬底电连接，热电转换层与柔性pcb的传感器焊盘电连接，光热转换层吸收光的能量，将光能转化为热能并通过热电转换层和窗口传递给柔性n型衬底，产生的电信号通过热电转换层传导到传感器焊盘，经过柔性pcb内部线路传导到输出焊盘。

3、进一步地，所述的柔性n型衬底的材料为ag2s0.4te0.6柔性非晶热电材料或其他具有热电效应的n型柔性热电材料。

4、进一步地，所述的柔性n型衬底为薄膜型或薄片型。

5、进一步地，所述的光热转换层部分覆盖热电转换层；热电转换层使用一整块高性能p型热电材料制成。

6、进一步地，所述的热电转换层的材料是agcuse0.22s0.08te0.7或其他具有热电效应的p型柔性热电材料；光热转换层所用吸光涂料为纳米树脂涂料或其他具有良好吸光能力的吸热涂料。

7、进一步地，所述的热电转换层为薄膜型、薄片型、波浪形或细线型。

8、进一步地，所述的柔性长条状p型像素单元位于整个探测器的顶端，直接接收光信号。

9、本发明还提供一种使用所述的基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器的方法，包括如下步骤：

10、s1、柔性n型衬底制备：在氮气手套箱，按照柔性n型衬底的材料和化学计量比选择对应的原料配比，装入高能球磨罐中球磨得到所使用材料粉末，将粉末铸锭，再将铸锭压成薄片，打磨、抛光、裁切，电镀一层镍后获得所需柔性n型衬底；

11、s2、柔性长条状p型像素单元制备：在氮气手套箱，按照柔性长条状p型像素单元的材料和化学计量比选择对应的原料配比，装入高能球磨罐中球磨得到所使用材料粉末后，将粉末铸锭，再将铸锭压成薄片，打磨、裁切，制得柔性长条状p型像素单元薄片；

12、s3、将步骤s2所得柔性长条状p型像素单元薄片，抛光后制得柔性长条状p型像素单元中的热电转换层，部分区域刷上吸光涂层后制得光热转换层；

13、s4、将步骤s1所得柔性n型衬底使用银浆粘贴在柔性pcb底部，将步骤s3所得柔性长条状p型像素单元含有光热转换层的一侧通过柔性pcb的窗口和柔性n型衬底连接，将柔性长条状p型像素单元不含光热转换层的一侧和柔性pcb的传感器焊盘连接，制得阵列探测器。

14、步骤s1和s2中将粉末铸锭的方法包括等离子放电烧结法或电弧熔炼法；

15、将铸锭压成薄片的方法包括等离子放电烧结法、高温热轧或甩带法。

16、电镀镍采用硝酸镍溶液。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1.相较于传统的光探测器，具有超宽的响应光谱频段，可以做到一个传感器对多个波长信号进行检测。本发明在具有传统平面型探测器高响应度和高柔韧度的特性的同时，单位面积下又可以塞下更多的像素数量，因此拥有更高的成像清晰度，光响应度和响应速度；若添加不同波长的滤光片，还可以响应从紫外到红外波段超宽带范围的波长，具有非常广泛的应用范围。

19、2.相较于光伏超宽带探测器，本发明的利用热电效应，将温差转化为电压信号输出而不需要庞大的散热系统，无需外加偏置电源。

20、3.相较于刚性材料衬底制备的探测器，本发明的每个部分(柔性n型衬底、柔性pcb和柔性长条状p型像素单元)都具有柔性，扩大的器件的使用范围。

21、4.本发明所得的探测器制备过程简单且成本低廉，同时在制备过程中不需要复杂的设备。

技术特征：

1.一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，该探测器包括柔性n型衬底(1)、柔性pcb(2)和柔性长条状p型像素单元；柔性n型衬底(1)贴附于柔性pcb(2)的底部，所述的柔性pcb(2)上设有窗口(5)和传感器焊盘(6)，柔性长条状p型像素单元包括光热转换层(3)和热电转换层(4)，其中光热转换层(3)通过柔性pcb(2)的窗口(5)和柔性n型衬底(1)电连接，热电转换层(4)与柔性pcb(2)的传感器焊盘(6)电连接，光热转换层(3)吸收光的能量，将光能转化为热能并通过热电转换层(4)和窗口(5)传递给柔性n型衬底(1)，产生的电信号通过热电转换层(4)传导到传感器焊盘(6)，经过柔性pcb内部线路传导到输出焊盘(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，所述的柔性n型衬底(1)的材料为ag2s0.4te0.6柔性非晶热电材料或其他具有热电效应的n型柔性热电材料。

3.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，所述的柔性n型衬底(1)为薄膜型或薄片型。

4.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，所述的光热转换层(3)部分覆盖热电转换层(4)；热电转换层(4)使用一整块高性能p型热电材料制成。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，所述的热电转换层(4)的材料是agcuse0.22s0.08te0.7或其他具有热电效应的p型柔性热电材料；光热转换层(3)所用吸光涂料为纳米树脂涂料或其他具有良好吸光能力的吸热涂料。

6.根据权利要求1或4所述的一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，所述的热电转换层(4)为薄膜型、薄片型、波浪形或细线型。

7.根据权利要求1所述的一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器，其特征在于，所述的柔性长条状p型像素单元位于整个探测器的顶端，直接接收光信号。

8.一种使用权利要求1-7中任一所述的基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器的方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器的方法，其特征在于，步骤s1和s2中将粉末铸锭的方法包括等离子放电烧结法或电弧熔炼法；

10.根据权利要求8所述的基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器的方法，其特征在于，电镀镍采用硝酸镍溶液。

技术总结本发明涉及一种基于热电效应的柔性超宽带光热电阵列探测器及其制备方法，该探测器包括柔性n型衬底(1)、柔性PCB(2)和柔性长条状p型像素单元；柔性n型衬底(1)贴附于柔性PCB(2)的底部，所述的柔性PCB(2)上设有窗口(5)和传感器焊盘(6)，柔性长条状p型像素单元包括光热转换层(3)和热电转换层(4)，其中光热转换层(3)通过柔性PCB(2)的窗口(5)和柔性n型衬底(1)电连接，热电转换层(4)与柔性PCB(2)的传感器焊盘(6)电连接。与现有技术相比，本发明探测器拥有高的成像清晰度，光响应度和响应速度，具有非常广泛的应用范围。技术研发人员：张继业,唐世奇,骆军,毛文艺受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20