熱釋電傳感器具有響應速度快、響應速率高、功耗低、不依賴低溫制冷技術等特點，在人體檢測、溫度測量、障礙物檢測等領域得到了廣泛應用。然而，熱釋電傳感器的效率受到低電壓信號輸出的限制。
據麥姆斯咨詢報道，近日，濟南大學的研究人員制備了激光加工的鈮酸鋰（LPLN）晶圓，以提高溫度-電壓響應。這些加工過的晶圓被用來構造熱釋電傳感器以及人機接口（HMI）。對于人機接口，傳感器陣列可以識別各種模式下的觸覺信息，并實現溫度報警系統的良好運行。激光改性方法有望提高熱釋電器件在人機接口應用中的性能。相關研究成果以“Laser-processed lithium niobate wafer for pyroelectric sensor”為題發表在InfoMat期刊上。
基于激光加工的鈮酸鋰傳感器陣列制造過程如下圖所示。將清洗后的本征鈮酸鋰（LN）晶圓直接放置在加工臺上，利用聚焦的1064 nm激光脈沖在空氣中按照預定的1 cm × 1 cm正方形陣列進行掃描。單個正方形的過程持續約13 s。激光掃描后，鈮酸鋰的顏色變暗，表面粗糙度增加。隨后，從晶圓上切割經過激光加工的鈮酸鋰正方形以構建傳感器陣列。這種基于激光加工的鈮酸鋰由于氧空位的存在而表現出更強的電荷轉移能力。
基于激光加工的鈮酸鋰傳感器陣列制造過程示意圖
實驗結果表明，在10 K的溫度波動下，基于激光加工的鈮酸鋰芯片的熱釋電電壓為60.8 V，而鈮酸鋰芯片的熱釋電電壓僅為45.7 V。這是因為激光誘導氧逸出和氧空位的形成，增強了鈮酸鋰表面的電荷轉移能力。因此，電極聚集的電荷量增加，使基于激光加工的鈮酸鋰芯片上的熱釋電電壓比鈮酸鋰芯片高1.3倍。
在熱傳導模式下進行了熱釋電實驗，研究了樣品的溫度-電壓響應
此外，研究人員還開發了人機接口，并證明其具有不同的功能。基于激光加工的鈮酸鋰傳感器陣列在單點觸摸模式、滑動模式和多點觸摸模式下實現了實時響應。同時，開發了一種雙閾值溫度監測器，并對不同的溫度做出不同的響應。
一種基于激光加工的鈮酸鋰3 × 3熱釋電傳感器陣列，用于觸覺監測和溫度映射
總而言之，研究人員利用1064 nm脈沖激光表面處理技術對鈮酸鋰晶圓進行改性，有效提高了其在電壓方面的熱釋電性能。該技術也可應用于其他含氧鐵電晶體。整個過程在環境氣氛中進行，簡化了復雜的實驗步驟。聚焦激光的冷加工特性避免了結構損傷。在電壓方面的熱釋電性能的改善被認為是由于粗糙表面的空位含量增加和電荷存儲增加導致激光誘導導電層的形成。得益于激光改性，使用基于激光加工的鈮酸鋰芯片構建的傳感器對溫度差異表現出更高且更穩定的溫度-電壓響應。完成了基于傳感器的人機接口的制造，實現了觸覺傳感和溫度監測。這項工作不僅為提高熱釋電材料在電壓方面的熱釋電性能提供了一種有效的方法，而且有望拓寬熱釋電傳感器的應用場景。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.12557
