多种农药, 包括孔雀石绿(MG)作为禁用兽药, 存在食用致癌的风险。 由于MG低廉的价格和极好的药效, 在渔业养殖中一直被不法商贩非法使用, 使得鱼类生鲜中时有MG残留检出。 针对MG分子痕量残留的检测, 目前一般是抽取少量养殖水样, 再利用高效液相色谱柱、 液相色谱-光谱等方法来评估其是否超标。 这类传统的检测方法一般需要依赖价格昂贵的大型设备, 且检测过程操作繁琐复杂, 单次检测耗时长、 价格高, 因而与农贸市场中商品流通量大、 速度快、 价格需亲民低廉等特点和要求不相符合。 近年来, 表面增强拉曼散射(SERS)检测技术以及便携式拉曼光谱仪的出现, 有望实现对痕量农药分子的现场快速检测, 进而很好地解决这一问题。 SERS检测技术利用金属纳米结构的表面等离激元效应感应位于其结构表面附近的分子, 得到分子种类和浓度信息。 为了降低可检测的浓度极限, 一般会在SERS基底上利用咖啡环效应或其他手段将待测分子蒸发富集, 以获得足够高的信号强度。 针对亲水基底, 液滴与基底相接触后, 会在基底表面摊开, 使其分布面积扩大, 导致其咖啡环周长变长, 分子分布浓度随之降低。 而当采用疏水基底富集时, 由于常规的疏水基底表面黏附性小, 液滴在其表面处于随处滚动无法抓取的状态, 极大增加了操作的难度。 以MG分子痕量残留的检测为例, 由于农贸市场人员众多、 无专业实验平台, 磕碰撞击时有发生, 在此环境下采用疏水SERS基底对农药分子进行检测显然是不可取的。 该研究提出一种基于超疏水高黏附纳米森林结构的SERS基底用于痕量MG分子的快速现场检测。 相比于超疏水SERS基底, 所提出的超疏水高黏附基底利用其高黏附性可牢固抓取待测液滴, 解决了以往超疏水基底在实际现场检测中存在液滴滚动无法操作的问题。 此外, 与亲水基底相比, 超疏水高黏附基底由于接触角大, 可将咖啡环面积缩小5.73倍, 继而使分子的富集浓度提高5.73倍, 最终使检测极限浓度降低了至少两个数量级。 研究所提出的超疏水高黏附SERS基底有望在痕量农药分子快速现场检测中得到应用。
表面增强拉曼散射(SERS) 痕量农药分子 超疏水高黏附 孔雀石绿 咖啡环 分子富集 Surface enhanced Raman scattering (SERS) Trace pesticide molecules Parahydrophobic Malachite green Coffee ring Molecular enrichment 光谱学与光谱分析
2021, 41(8): 2499
1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，动态测试技术山西省重点实验室，山西太原030051
2 中科院学院微电子研究所 智能感知研发中心，北京100029
3 江苏创芯海微科技有限公司，江苏无锡214001
4 山西大学 量子光学与光量子器件国家重点实验室，山西太原030006
传统地，MEMS红外探测器响应时间的测量需要基于黑体辐射源、斩波器、水冷装置等设备搭建一套复杂的测量系统，然而斩波器的遮挡区域和透光区域具有一定的面积，其按某频率工作时会消耗一定的时间，而测试所得的器件响应时间无法排除斩波器的工作耗时，导致测试结果存在较大误差，所测响应时间为14.46ms。为解决这一问题，提出了一种以钛宝石激光器为辐射光源，利用声光调制器构建纳秒级激光脉冲，MEMS红外探测器响应激光脉冲的作用输出脉冲电信号，很好地规避了测量系统中设备工作耗时引入的时间参数，所测响应时间仅为3.13ms。由此可见，传统方法中斩波器工作耗时引入的时间误差甚至超过器件响应时间的300%，充分证明了此方法可以有效解决这一问题，进而为MEMS红外探测器以及其它光学探测器性能参数的测试与计量提供了一种新的方法。
激光脉冲 MEMS红外探测器 响应时间 斩波器 laser MEMS IR detectors response time chopper
1 中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 无锡物联网创新中心有限公司, 江苏 无锡 214135
具有无损、 超灵敏和实时检测优点的表面增强拉曼散射(SERS)器件具有重要研究意义。 目前, 针对SERS器件的大部分研究都围绕着非透明的器件展开。 使用此类器件检测高浓度试剂时, 激光只能从正面入射。 这意味着入射激光需要穿透被测试剂分子层才能到达位于其下方的金属纳米结构表面, 因此用于激发金属纳米结构表面等离子体共振(SPR)的激光能量被减弱, 相应地, SERS光谱信号也被减弱; 此外, SERS光谱信号因被测试剂分子层的遮挡, 无法高效返回到电荷耦合元件(CCD)中, 再次被大幅度减弱, 甚至有可能完全无法被检测到。 相比之下, 如果使用透明SERS器件, 检测过程中将被测试剂分子置于器件正面, 激光从器件背面入射, 此时高浓度被测试剂分子层对入射激光和SERS光谱信号的干扰最小。 这种情况下, 可以得到较好的光谱信号。 通过在石英基底上旋涂聚酰亚胺(PI)层, 然后通过氧等离子体对PI层进行无掩模轰击, 在石英基底上自行生成纳米纤维掩模, 配合反应离子刻蚀工艺(RIE)制备了石英纳米锥森林结构。 之后, 通过金属纳米颗粒溅射工艺, 得到 SERS透明器件。 对于该SERS透明器件, 在测试过程中, 拉曼激光可从器件的正面以及背面分别入射。 初步的测试结果表明, 对于罗丹明6G(R6G)在10-3～10-6 mol·L-1这一浓度范围内, 背面入射方式收集的SERS光谱信号强度高于正面入射方式。 另外, 进一步研究了该SERS透明器件背面检测的一致性, 得到了良好的结果, 证明了其在实际生化检测中的可行性。 这一工作有望扩展SERS在分析物检测领域中的应用。
纳米锥森林结构 表面增强拉曼散射(SERS) SERS透明器件 石英 Nanocone forests Surface enhanced Raman scattering (SERS) SERS transparent device Quartz 光谱学与光谱分析
2020, 40(4): 1168
1 Integrated Circuit Advanced Process R&D Center, Institute of Microelectronics of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 00029, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Wuxi Innovation Center for Internet of Things, Wuxi 214028，China
红外热探测器的热学参数包括热容、热导、热响应时间，反应了结构信息和器件性能。精确有效地获得这些参数，对探测器的结构优化与性能评估具有指导意义。二极管型红外热探测器是红外热探测器的主要类型之一。基于二极管型红外热探测器的自热效应，提出了一种热学参数的电学等效测试方法，具有测量精度高且实现简单的特点。并对自制的一款二极管型红外焦平面阵列像元进行了测试，测试结果与理论分析相符，验证了方法的可行性。
红外热探测器 二极管 电学等效测试 热学参数 infrared thermal detector diode electrical equivalent test thermal parameters
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
2 Smart Sensing Research and Development Centre, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
3 Laboratory of Advanced Polymer Materials, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
An innovative formaldehyde gas sensor based on thin membrane type metal oxide of TiO2layer was designed and fabricated. This sensor under ultraviolet (UV) light emitting diode (LED) illumination exhibits a higher response to formaldehyde than that without UV illumination at low temperature. The sensitivities of the sensor under steady working condition were calculated for different gas concentrations. The sensitivity to formaldehyde of 7.14 mg/m3is about 15.91 under UV illumination with response time of 580 s and recovery time of 500 s. The device was fabricated through micro-electro-mechanical system (MEMS) processing technology. First, plasma immersion ion implantation (PIII) was adopted to form black polysilicon, then a nanoscale TiO2membrane with thickness of 53 nm was deposited by DC reactive magnetron sputtering to obtain the sensing layer. By such fabrication approaches, the nanoscale polysilicon presents continuous rough surface with thickness of 50 nm, which could improve the porosity of the sensing membrane. The fabrication process can be mass-produced for the MEMS process compatibility.
光电子快报（英文版）
2016, 12(4): 308
1 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室,北京100029
2 江苏物联网研究发展中心智能集成传感器工程中心,江苏 无锡214135
使用红外探测器及读出电路, 研制成功非制冷红外探测系统.探测器用二极管作为温度传感器, 使其与集成电路工艺相兼容.采用了新的器件结构, 使得填充因子从20%提高到80%.器件的微机械结构面积为35μm×35μm.读出电路的失调电压为3μV.探测器的输出噪声为2μV.探测器的电压响应率为7894.7V/W, 黑体探测率D*为1.56×109cmHz1/2/W, 噪声等效温差为330mK, 响应时间为27 ms.
红外探测器 二极管 填充因子 吸收层 读出电路 infrared detector diode fill-factor absorber readout circuit
1 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
与传统的有基底FPA(焦平面阵列)相比, 基于全镂空支撑框架结构的新型无基底FPA在热学特性上存在显著差异, 传统的基于恒温基底假设的热学分析模型不再适用, 因此, 通过电学比拟方法, 将无基底FPA的热响应特性等效为电学模型.通过该模型, 进一步分析了无基底FPA在非真空环境下的热学性能, 分析表明: 该无基底FPA具有在大气压下优良的红外成像性能, 其NETD(噪声等效温度差)值仅比真空环境下增加了数倍.
非制冷红外成像 等效电学模型 电学比拟 光学读出 焦平面阵列 uncooled infrared imaging equivalent circuit model electrics and holistic approach optical readout focal plane array
1 中国科学院微电子研究所， 北京 100029
2 中国传媒大学光电学系， 北京 100024
双材料梁因其良好的热机械特性作为敏感部件被广泛用于热能传感器中.采用微电子工艺实现的双材料梁通常由金属和非金属作为主要功能材料构成，若两层材料之间粘附性差，则需加入一层粘附材料.根据材料力学热应力和弯拉组合理论，建立了用于分析具有中间粘附层的复合双材料(即三层材料)微悬臂梁的关于材料物理参数、结构尺寸与梁受热弯曲产生转角关系模型；利用此模型和工艺中常用材料，研究了三层材料微悬臂梁的材料选取、各层材料厚度匹配等优化设计问题.通过对像元仿真和对硅工艺制造的红外焦平面阵列(IRFPA)芯片进行测试，验证了模型的正确、合理和适用性.
微电子机械系统 红外焦平面阵列像元 三层材料梁 粘附层 微悬臂梁模型 micro-electro mechanical systems (MEMS) IRFPA pixel tri-layer material cantilever adhesion layer microcantilever model
1 中国科学技术大学 中国科学院材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 230027
2 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
在刀口滤波光学读出方法的基础上, 讨论了反光板弯曲的情况下, 刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板 长度之间的关系.分析表明, 在反光板曲率半径一定的情况下, 光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增 大, 达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板, 分析给出反光板长度 L 和曲 率半径 R 在满足 L 2 /R=λ ( λ 为照明光波长)时, 光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别 为200μm, 120μm和60μmFPA的光学检测灵敏度, 其实验结果和理论分析一致.
非制冷红外成像 双材料微悬臂梁 光学读出 焦平面阵列 uncooled infrared imaging bi-microcantilever optical readout FPA
1 首都师范大学物理系, 北京 100048
2 北京理工大学信息科学技术学院光电工程系, 北京 100081
为提高管道的运送效率，及时检测排除管道内壁的缺陷非常重要。提出利用超声红外无损检测方法对管道内部进行检测。超声主动热激励试件，高频红外热像仪记录试件表面温度变化，结合了超声摩擦生热和红外热成像的优点。对壁厚约为3.3mm检测难度较大的金属管内壁缺陷进行了检测。通过对采集数据和热图的处理分析，准确快速地确定缺陷所在的位置。实物对比分析表明：超声热激励红外无损检测技术可以对金属管道内壁缺陷进行准确检测定位。
金属管 无损检测 超声激励 红外探测 内壁缺陷 metal pipeline nondestructive test ultrasonic heating infrared test inner wall defect
