单点探测器

一场突如其来的新冠肺炎疫情，成为了2020开年的头等大事。全民防疫的举措让这场没有硝烟的战争不再猝不及防。飞机场、火车站、公司、小区、超市等入口处都能见到防疫工作者的身影。他们是防疫先锋，是公共健康的卫士，是居民区的守护者。而他们的必备神器之一——手持测温仪，也进入了公众的视野，广为人知。今天，我们就来聊一聊测温仪的那些事。受疫情影响，很多人在家办公，出门不是去超市买菜，就是门口取快递。当然，还有不少人在硬核上班。无论出入小区，还是车站进站，现阶段都要经过体温检测。相信大家都有经历过，防疫工作者手持测温仪，对着额头一扫，立刻就显示你的体温数据，非常方便。有很多人对这测温仪都深感好奇，想知道它是怎么工作的。也有人担心它的准确性，担心把自己体温测高了。那么，我们就从测温仪的原理和精确度控制这两点说起。首先，大家都熟悉传统体温计测温的方法，而这种方法显然不适合用于传染性强的新型冠状病毒的防护工作。在这次防疫战中，小巧便携，无需身体接触的手持测温仪就成了急先锋。扫一扫，一秒之内测出体温的测温神器让人们眼前一亮；更令人印象深刻的，还有车站、机场等带有视频的成像测温仪，后者能在快速行进的人流中，辨别每个人的体温，并用保存视频成像。相信你肯定好奇过它们究竟是怎么做到的。接着，我们来一探究竟其中的科学原理。[1] 地铁站检票口的体温监测站（图片摘自人民网）温度和光我们都知道，水银体温计能够测人体的温度，是水银玻璃泡和人体接触后，经过一段时间的热量传递，最终与人体温度达到一致的原理（热平衡）。而测温仪并没有和人体接触，为何能如此快速采集温度信息呢？[2] 水银温度计（图片摘自百度网）答案其实大家也是耳熟能详，那就是---光！没错，就是我们所熟知的那个光！但是这个光，并不是人眼能看到的可见光，而是与可见光相邻的红外光，这里需要科普一下，我们平时所说的可见光实际上是电磁波的一种，电磁波有连续的波谱分布，红外光的波段在红色光之外，因此得名红外光。再简单提一下，除了可见光和红外光，很多电磁波都与大家的生活息息相关，按波长由短到长，有医院CT的X射线，防晒霜防的紫外线，太阳光，灯光，微波炉的微波，电台的射频信号等等，都属于电磁波。[3] 生活中的电磁波（图片摘自NASA Science)说到这里，肯定有人表示，道理我都懂，但是红外光跟人体温度有什么关联呢？关联是必然的，因为人体发射的光，就是红外光！没说错，人体是发光的，而且是无时无刻的在发光。复杂的原理就不赘述了，大家只要记住，任何温度高于绝对零度（零下273.15摄氏度）的物体都会以电磁波的形式向外辐射能量，至于绝对零度（-273.15℃）的物体嘛，大家放心，那是不存在的！红外光和人体温度的关系那么问题来了，既然每人每时每刻都在发射红外光，仪器凭什么就能辨别出正常温度和高烧呢？还能准确读出每个人的温度？这里，我们请一位大佬帮忙解答，他就是与爱因斯坦并称20世纪最重要的两大物理学家，量子力学奠基人之一的马克斯普朗克，他于1900年提出的普朗克黑体辐射定律，完美诠释了温度与辐射的关系。马克斯普朗克简单来讲就是，不同温度的物体发射的光是不一样的，如下示意图， 四条不同的曲线，代表不同温度下黑体辐射的光谱分布，这里的K是热力学温度，数值等于摄氏度+273.15。大家可以看到，温度越高，黑体辐射光的强度就越大，峰值的位置就越靠近紫外区域。那么，答案就呼之欲出了，如果探测到了人体的辐射强度和波谱分布，就完全可以反推出温度T！这就是测温仪测体温的原理。（人体虽不是黑体，却也遵循普朗克定律）。利用红外光探测人体温度究竟准不准？说完测温仪原理的故事，我们再来说说怎么确保每个测温仪都能测得准。上文中，细心的小伙伴发现，普朗克定律图示并没有想象中那么简单，图中展示差异性的谱图都相差了1000℃，人体怎么可能差上1000℃呢？没错，我们人体的温度平均值也就在36℃到37℃之间了，高过37℃的，抗疫期间怕是要去隔离观察了。那么关键点来了，相差几摄氏度的人体辐射谱图中，辐射强度和波谱的差异是非常小的，如何确保测温仪能把握这细小的差异呢？要知道，人体测温的准确性要求是比较高的，特别是在抗疫期间，正常的体温就是大家的通行证。这点上，咱们国家更是不含糊，对于此类测温装置也出台了相应的国家标准来规定精准度。那么，生产厂家是如何确保每台测温仪的准确性呢？下面就让我们来剖析测温仪，探究这里的科学原理。测温仪的"CPU"是什么？我们先从测温仪的构成说起，可以看到下图中，真正与红外光直接相关的，便是红外探测器，顾名思义，这正是测温仪利用红外测温的核心元件,就好比CPU芯片是手机电脑的核心。而它的质量直接决定了测温的准确性。那么，如何判定红外探测器的质量呢？[4] 额温枪（图片摘自网络）这就需要了解红外探测器测红外的细节。简单来说，红外探测器也是由材料构成，红外探测器上的特殊光感材料可以接收外界的红外辐射，并将其转换为电信号，再进行分析计算，最终给出温度值。因此评价红外探测器的好坏，就是评判其将光转换为电信号的能力。在讲红外探测器的评价之前，我们插一句，火车站，机场中带成像系统的测温仪，采用的是更高端的焦平面阵列红外探测器（FPA技术）。[5] 设置在火车站的带成像系统的测温仪（图片摘自包头新闻网）这类成像测温仪就如同照相机或摄像仪，内部感光平面内，分布了很多像素点，焦平面上每一个像素点就是一个红外探测器，这种技术具有二维空间分辨的能力，具备红外成像功能，可以将发高烧的人从人群中辨别出来。如何评价红外探测器，确保其准确性？一般来说，无论是采用单点红外检测器的耳温枪还是FPA焦平面检测器的红外成像测温仪都不需要极快的反应时间或极高的空间分辨率，甚至无需光谱分辨率。所以这类红外检测器的精确度通常是采用激光功率计或热敏电阻等方法来评定的。但是，类似原理的红外探测器还有很多其他的应用领域，尤其是需要FPA焦平面检测器的红外成像仪已经被广泛的应用于军需夜视或热追踪系统、高速热成像、质检或产品研发（针对散热或热工特性）、医疗热成像及红外显微镜等诸多方面。这些应用领域对红外检测器件本身以及对由这些器件组成的测量仪器的性能都有更严苛的要求，比如，需要微秒甚至纳秒级的超短反应时间，需要光谱信息用于化学成像，需要较高的空间分辨率以表征微小物品，需要较高的光谱分辨率，最佳的灵敏度和信噪比，甚至对FPA检测器中每个像素点的均匀一致性都有要求。为了研制和开发这些高端的红外检测器件，科学家们需要用到一种重要的表征方法---傅立叶红外光谱法。实现该法的核心设备就是在科学研究、监测分析领域常见的傅立叶红外光谱仪（简称FTIR红外光谱仪）。FTIR红外光谱仪——表征红外探测器FTIR红外光谱仪是专门应用于红外光谱研究相关的科学仪器，配有标准的红外光源，所发射的红外光经过干涉仪后，经过照射样品，最终到达红外探测器，解析探测器的电信号，并进行FT转换计算，即可得到包含能量强度和波谱分布的红外谱图。科学家们就是把这种检测技术应用到了评价红外探测器材料好坏的研究中，在对光敏度、稳定性等等复杂的研究分析之后，才研发出适合于各种不同应用领域的红外探测器材料，进而工厂将其研究的材料转化为探测器并且大量生产而成为真正实用的商品（包括红外测温仪及其他更为复杂的尖端仪器），发挥了科学家研究的作用。换言之，红外光谱仪对于探测器的表征研究，就好比是一把精准的卡尺，用它来检验每一根直尺的长度是否达到科学家们想要实现的标准。傅立叶变换红外光谱仪以上就是测温仪背后故事的小科普，相信大家对于最近很亮眼的测温仪会有更进一步的了解，对红外探测器精确度的控制以及红外探测器的诸多应用领域也有了更深层次的认知。通过科学家们的努力，和我们生活息息相关的大型红外成像测温仪的准确度、检测能力、检测距离、检出速度和检测区域内的均匀性（即精准度）都会越来越好。所谓工欲善其事必先利其器，实际上并不是所有的红外光谱仪都能做红外探测器的研究与表征，能作为标尺的设备，当然只有技术过硬，具备特殊技能红外光谱仪才能实现！如果您对检测器表征科研课题感兴趣，可以阅读布鲁克的相关应用信息。如果您对红外整体技术感兴趣，长按下方二维码填写产品需求信息表，与我们取得联系。疫情期间，大家做好防护，注意安全。一起为祖国加油！为武汉加油！点击下载布鲁克应用手册——红外检测器表征如果您对我们的红外技术感兴趣，欢迎与我们取得联系，请拨打400热线电话400-777-2600。

滨松公司2015年推出了一款最新的微型化光谱探测器——MEMS-FPI C13272。MEMS FPI NIR Spectrum Sensor，全称“微机电加工工艺制作法布里珀罗腔型近红外光谱探测器”，简称MEMS-FPI。是一款超小型、低成本的光谱探测器产品。虽说微型光谱仪也不是一个新鲜的概念了（2013年滨松就推出了指尖大小的微信光谱仪C12666MA），但是MEMS-FPI C13272的出现，对熟悉光谱仪行业的人来说也会是一个大惊喜。原因很简单，因为这个器件彻底打破了传统意义上人们对于光谱仪的认知，不仅原理上跟传统光谱仪完全不同，还将微型化做到了新的极致。既然是“微型化”，那“身材”肯定是棒棒哒。具体有多小，见上图就好了。之所以能够做得如此之小，主要是在三个方面的功夫：1、该器件使用的分光技术不是大家所熟知的光栅，而是极为罕见的方法——法布里珀罗标准具，所以使得该光谱仪仅仅使用单点的InGaAs探测器，就能够得到光谱图。这么做的好处是可以用三个“大大”归纳：大大省了InGaAs材料，大大降了制作成本，大大减了探测器部分的体积。2、法布里珀罗标准具的制作，采用的是MEMS加工方法，从而使分光部分的体积也减小不少。3、探测器部分和分光部分被封装在了一个器件之中。综上三点，笔头大的小身板儿就诞生了。MEMS-FPI近红外光谱仪结构示意图物联网、可穿戴设备等概念当下也是如火如荼，其不可或缺的推进力，也是传感器体积和性能的不断极致。而光谱仪由于能够帮助人们识别物质，更是成为了众多厂商和消费者极为关注的一类。但苦于没有成熟的的微型光谱探测元件方案，如今市面上也鲜有一款能够帮助人们识别物质成分的民用消费级设备。而现在随着“微型化”产品的陆续出现，相信那些对于可穿戴“天马行空”的想法也能将真的够落地成真了。就这只MEMS-FPI C13272（光谱范围在1.55~1.85μ m）来说，可以实现对气体（环境测量）、食品和饮料、农产品、饲料、石油化工等产品的检测。不过，在如今的这个处处脑洞大开的世界，有点其他的一些应用前景，也是说不定的事。目前滨松拥有该产品的少量配套评估板和软件，如有意对该产品进行测试评估，敬请和滨松中国取得联系。另外，在即将在11月27日举办的BCEIA上，MEMS-FPI C13272不但会出展，其可连移动设备的DEMO机也将同台展出，现场将提供sample，欢迎前来体验。MEMS-FPI DEMO模块可连移动设备MEMS-FPI是日本滨松的产品图为其在今年9月日本JASIS展出的DEMO模块实物想象一下，今后人们通过手里的价格低廉的设备，就能知道所吃食物的物质组成，饮料里是否有不健康的东西，空气质量的好坏，衣服所含成分等等。人们也可以根据自己的身体状况，决定喝不喝桌上摆着的这一杯咖啡或者果汁，做饭的时要不要使用那么多油。到那时，健康饮食将不再只是脑中的概念，而是实实在在可以掌控的事实了。点击进入滨松MEMS-FPI C13272资料下载

短波红外和中波红外波段是两个重要的大气窗口。在该波段范围内，碲化汞胶体量子点表现出良好的光响应。此外，胶体量子点具有易于液相加工制备以及与硅基工艺兼容等优势，因此有望显著降低红外光电探测器的成本。然而，目前胶体量子点红外光电探测器在比探测率、响应度等核心性能方面与传统块体半导体红外探测器相比仍存在一定差距。有效地调控掺杂和迁移率等输运性质是提升量子点红外光电探测器性能的关键。据麦姆斯咨询报道，近期，北京理工大学光电学院和北京理工大学长三角研究院的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“高载流子迁移率胶体量子点红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为薛晓梦，通讯作者为陈梦璐和郝群。在本项工作中，采用混相配体交换的方法将载流子迁移率提升，并且实现了N型、本征型、P型等多种掺杂类型的调控。在此基础之上，进一步研究了输运性质对探测器性能的影响。与光导型探测器相比，光伏型探测器不需要额外施加偏置电压，没有散粒噪声，拥有更高的理论灵敏度，因此是本项工作的研究重点。同时，使用高载流子迁移率的本征型碲化汞量子点薄膜制备了短波及中波红外光伏型光电探测器。实验过程材料的合成：Te前驱体的制备在氮气环境下，称量1.276 g（1 mmol）碲颗粒置于玻璃瓶中，并加入10 ml的三正辛基膦（TOP）中，均匀搅拌至溶解，得到透明浅黄色的溶液，即为TOP Te溶液。碲化汞胶体量子点的合成在氮气环境下，称量0.1088 g（0.4 mmol，氮气环境下储存）氯化汞粉末置于玻璃瓶中，并加入16 ml油胺（OAM），均匀搅拌并加热至氯化汞粉末全部溶解。本工作中合成短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的反应温度分别为65℃和95℃。使用移液枪取0.4 mL的TOP Te溶液，快速注入到溶于油胺的氯化汞溶液中，反应时间分别为4 min和6 min。反应结束后加入20 ml无水四氯乙烯（TCE）作为淬火溶液。碲化银纳米晶体颗粒的合成在氮气环境下，称量0.068 g（0.4 mmol）硝酸，并加入1 mL油酸（OA）和10 mL油胺（OAM）中，均匀搅拌30 min。溶解后，注入1 mL TOP，快速加热至160℃并持续30-45 min。然后向反应溶液中注入0.2 mL TOP Te（0.2 mmol），反应时间为10 min。碲化汞胶体量子点的混相配体交换混相配体交换过程包括液相配体交换和固相配体交换。选择溴化双十二烷基二甲基铵（DDAB）作为催化剂，将碲化汞胶体量子点溶在正己烷中，取4 ml混合溶液与160 μL β-巯基乙醇（β-ME）和8 mg DDAB在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中混合。之后向溶液中加入异丙醇（IPA）进行离心，倒掉上清液，将沉淀物重新溶解在60μL DMF中。固相配体交换是在制备量子点薄膜后，用1,2-乙二硫醇（EDT）、盐酸（HCL）和IPA（体积比为1:1:20）溶液对已成膜的碲化汞胶体量子点表面进行处理。碲化汞胶体量子点的掺杂调控在调控碲化汞胶体量子点的掺杂方面，Hg²⁺可以通过表面偶极子稳定量子点中的电子，所以选择汞盐（HgCl₂）来调控量子点的掺杂状态。在液相配体交换结束后，向溶于DMF的碲化汞胶体量子点溶液中加入10 mg HgCl₂得到本征型碲化汞胶体量子点，加入20 mg HgCl₂得到N型碲化汞胶体量子点。材料表征采用混相配体交换的方法不仅可以提高载流子迁移率还可以通过表面偶极子调控碲化汞胶体量子点的掺杂密度。液相配体交换前后中波红外碲化汞胶体量子点的TEM图像如图1（a）所示，可以看到，进行液相配体交换后的碲化汞胶体量子点之间的间距明显减小，排列更加紧密。致密的排列可以提高碲化汞胶体量子点对光的吸收率。混相配体交换后的短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱如图1（b）所示，从图1（b）可以看出，短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收峰分别为5250 cm⁻¹和2700 cm⁻¹。利用场效应晶体管（FET）对碲化汞胶体量子点的迁移率和薄膜的掺杂状态进行测量，把碲化汞胶体量子点沉积在表面有一层薄的SiO₂作为绝缘层的Si基底上，基底两侧的金电极分别作为漏极和源极，Si作为栅极，器件结构如图1（c）所示。通过控制栅极的极性和电压大小，可以使场效应晶体管分别处于截止或导通状态。图1（d）是N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线。利用FET传输曲线的斜率计算了载流子的迁移率μFET。图1 （a）混相配体交换前后碲化汞胶体量子点的透射电镜图；（b）短波红外和中波红外碲化汞胶体量子点的吸收光谱；（c）碲化汞胶体量子点薄膜场效应晶体管测量原理图；（d）在300K时N型、本征型和P型中波红外碲化汞胶体量子点的场效应晶体管转移曲线测试结果。分析与讨论碲化汞胶体量子点光电探测器的制备光伏型探测器不需要施加额外的偏置电压，没有散粒噪声，理论上会具有更好的性能，借鉴之前文献中的报告，器件结构设计为Al₂O₃/ITO/HgTe/Ag₂Te/Au，制备方法如下：第一步，在蓝宝石基底上磁控溅射沉积50 nm ITO，ITO的功函数在4.5~4.7 eV之间。第二步，制备约470 nm的本征型碲化汞胶体量子点薄膜。第三步，取50 μL碲化银纳米晶体溶液以3000 r/min转速旋转30 s，然后用HgCl₂/MEOH（10 mmol/L）溶液静置10 s后以3000 r/min转速旋转30 s，重复上述步骤两次。在这里，Ag⁺作为P型掺杂层，与本征型碲化汞胶体量子点层形成P-I异质结。最后，将器件移至蒸发镀膜机中，在真空环境（5×10⁻⁴ Pa）下蒸镀50 nm Au作为顶层的电极。高迁移率光伏型探测器的结构图和横截面扫描电镜图如图2（a）所示。能级图如图2（b）所示。制备好的探测器的面积为0.2 mm × 0.2 mm。图2 （a）高迁移率碲化汞胶体量子点P-I异质结结构示意图及扫描电镜截面图 （b）碲化汞胶体量子点P-I异质结能带图。器件性能表征为了探究高载流子迁移率短波红外和中波红外光伏型探测器的光电特性，我们测试了器件的I-V曲线以及响应光谱。图3（a）和（b）分别是高迁移率短波红外和中波红外器件的I-V特性曲线，可以看到短波红外和中波红外探测器的开路电压分别为140 mV和80 mV，这表明PI结中形成了较强的内建电场。此外，在零偏置下，高迁移率短波红外和中波红外器件的光电流分别为0.27 μA和5.5 μA。图3（d）和（e）分别为1.9 μm（300 K） ~ 2.03 μm（80 K）的短波红外器件的响应光谱和3.5 μm（300 K） ~ 4.2 μm（80 K）的中波红外器件的响应光谱。比探测率D*和响应度R是表征光电探测器性能的重要参数。R是探测器的响应度，用来描述器件光电转换能力的物理量，即输出信号光电流与输入光信号功率之比。图3 （a）300 K时短波红外I-V曲线；（b）80 K时中波红外I-V曲线；（c）短波红外及中波红外器件的比探测率随温度的变化；（d）短波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（e）中波红外器件在80 K和300 K时的光谱响应；（f）短波红外和中波红外器件的响应度随温度的变化。图3（e）和（f）给出了探测器的比探测率D*和响应度R随温度的变化。可以看到，短波红外器件在所有被测温度下，D*都可以达到1×10¹¹ Jones以上，中波红外器件在110 K下的D*达到了1.2×10¹¹ Jones。应用此外，本工作验证高载流子迁移率的短波红外和中波红外量子点光电探测器在实际应用，如光谱仪和红外相机。光谱仪实验装置示意图如图4（a）所示，其内部主要是一个迈克尔逊干涉仪。图4（b）和（c）为使用短波红外和中波红外量子点器件探测时有样品和没有样品的光谱响应结果。图4（e）和图4（f）为样品在短波红外和中波红外波段的透过率曲线。对于短波红外波段，选择了CBZ、DDT、BA和TCE这四种样品，它们在可见光下都是透明的，肉眼无法进行区分，但在短波红外的光谱响应和透过率不同。对于中波红外波段，选择了PP和PVC这两个样品。在可见光下它们都是白色的塑料，但在中波红外光谱响应和透过率不同。图4（d）为自制短波红外和中波红外单点相机的扫描成像。，短波相机成像可以给出材质信息。中波红外相机成像则是反应热信息。以烙铁的中波红外成像为例，我们可以清楚地了解烙铁内部的温度分布。在可见光下，硅片呈现不透明的状态使用自制的短波红外相机成像后硅片呈现半透明的状态。图4 （a）利用高载流子迁移率探测器进行响应光谱测量的原理示意图；（b）和（c）分别是在有样品和没有样品两种模式下用自制探测器所探测到的光谱响应；（d）自制短波红外和中波红外光电探测器的单像素扫描成像结果图；（e）TCE、BA、DDT和CBZ在短波红外模式下的透光率，插图为四种样品的可见光图像；（f）PVC和PP在中波红外模式下的透光率，插图为两种样品的可见光图像。结论综上所述，采用混相配体交换的方法，将量子点薄膜中的载流子迁移率提升到了1 cm²/Vs，相较于之前的研究提升了2个量级。并且通过加入汞盐实现了对量子点薄膜的掺杂调控，分别实现了P型、本征型以及N型多种类型的量子点薄膜。同时，基于本征型高迁移率量子点制备了短波红外和中波红外波段的光伏型光电探测器。测试结果表明，提升量子点的输运性质，有效的提升了探测器的响应率、比探测率等核心性能，并且实现了光谱仪和红外相机等应用。本项工作促进了低成本、高性能量子点红外光电探测器的发展。这项研究获得国家自然科学基金（NSFC No.U22A2081、No.62105022）、中国科学技术协会青年托举工程（No.YESS20210142）和北京市科技新星计划（No.Z211100002121069）的资助和支持。论文链接：https://link.cnki.net/urlid/31. 1 252.o4.20230925.0923.016