專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)讀出的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波傳感器，具體是指采用光學(xué)讀出的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的超聲波傳感器的敏感元大多采用如石英、酒石酸鉀鈉、硫酸鋰、鈮酸鋰等單晶材料，或采用陶瓷材料如鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(ZxTi1-x)O3)等。并且直接采集敏感元在超聲回波的作用下所產(chǎn)生的壓電信號(hào)，分析被測(cè)量物體的各種性質(zhì)。這種利用壓電晶體或壓電陶瓷制成的超聲波探頭一般體積比較大，對(duì)特殊環(huán)境的探測(cè)不利，并且不適于超聲波探測(cè)器的小型化。另外，基于這種工作方式的超聲波傳感器一般是直接采集壓電晶體或壓電陶瓷上產(chǎn)生的壓電信號(hào)，這樣信號(hào)的采集電路難免會(huì)對(duì)超聲波所形成的壓電信號(hào)產(chǎn)生影響，從而影響探測(cè)測(cè)量的精度。
隨著量子阱材料制備工藝的日趨成熟和量子阱薄膜材料輕巧的體積，如果將其用于超聲波傳感器的敏感元，將會(huì)極大的降低超聲波探頭的體積，并且還可以很容易的利用這種超聲波探頭形成面陣或線陣，從而大大提高了超聲波探測(cè)、掃描成像的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是提供一種利用具有壓電效應(yīng)的氮化鎵基單量子阱材料作敏感元，采用光學(xué)讀出的高精度的超聲波傳感器，避免了直接采集壓電信號(hào)的采集電路對(duì)超聲波所形成的壓電信號(hào)的影響。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是利用氮化鎵基單量子阱材料在超聲波作用下所形成的壓電場(chǎng)對(duì)量子阱中的能級(jí)的改變，從而影響量子阱的熒光光譜的輻射強(qiáng)度和位置，通過(guò)對(duì)比熒光光譜的強(qiáng)度來(lái)分析超聲回波的強(qiáng)度，從而完成超聲波探測(cè)的物性分析。
本發(fā)明的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器，包括輔助光源、氮化鎵基單量子阱、窄帶濾光片和Si光電管。
輔助光源為發(fā)光二極管，位于氮化鎵基單量子阱正面一側(cè)，輔助光源的波長(zhǎng)應(yīng)與氮化鎵基單量子阱中的躍遷能級(jí)的波長(zhǎng)相匹配。窄帶濾光片置在氮化鎵基單量子阱和Si光電管之間，窄帶濾光片的帶通波段應(yīng)與量子阱中的選定波長(zhǎng)的熒光波段一致，其作用是使選定波長(zhǎng)的熒光通過(guò)濾光片由Si光電管接受，以避免其它波長(zhǎng)熒光的干擾。
所說(shuō)的氮化鎵基單量子阱由GaN層、InGaN層和GaN層或GaN層、AlGaN層和GaN層組成。
本傳感器的工作過(guò)程是首先將輔助光源的光束正入射到氮化鎵基單量子阱敏感元中，輔助光源的作用是使量子阱中的電子吸收能量躍遷到較高的能級(jí)，它起到了一個(gè)激發(fā)源的作用。當(dāng)在較高能級(jí)的電子向下躍遷時(shí)就會(huì)放出相應(yīng)頻率的熒光，其出射的熒光光譜是穩(wěn)定的，我們可以利用窄通濾光片選擇某一個(gè)頻段的熒光作為檢測(cè)的基準(zhǔn)光源，這樣一個(gè)頻帶對(duì)應(yīng)著一對(duì)能級(jí)間的躍遷，通過(guò)窄通濾光片可以使選定波長(zhǎng)的光通過(guò)，以避免其它波長(zhǎng)熒光的干擾，由Si光電管接收。然后將超聲波和輔助光源同時(shí)入射到氮化鎵基單量子阱敏感元中，由于超聲波的作用使量子阱材料產(chǎn)生彈性形變，形成壓電極化場(chǎng)，這個(gè)壓電極化場(chǎng)會(huì)疊加到原有的自發(fā)極化場(chǎng)上，使量子阱材料的能帶畸變進(jìn)一步加大，見(jiàn)圖3，這種能帶畸變的加大必然會(huì)影響量子阱中的能級(jí)分布，能級(jí)分布的改變會(huì)直接影響量子阱的發(fā)射光譜，使通過(guò)窄通濾光片后的光強(qiáng)發(fā)生改變，這種光強(qiáng)的變化就會(huì)直接反映在Si光電管的電信號(hào)輸出上。通過(guò)比較現(xiàn)有電信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)，就可以分析得到入射超聲回波的情況，進(jìn)而完成對(duì)物性的分析。
本發(fā)明可以有如下積極效果和優(yōu)點(diǎn)1.由于量子阱材料阱中的能級(jí)對(duì)壓電場(chǎng)的影響反映非常敏感，并且響應(yīng)時(shí)間又非常短，因此，本發(fā)明將大大提高超聲波檢測(cè)及掃描成像的精度。
2.本發(fā)明的超聲波傳感器采用了間接讀取的方式，它是將壓電信號(hào)所引起的量子阱發(fā)射光譜作為讀出信號(hào)，從而避免了直接讀取對(duì)壓電信號(hào)的影響，這對(duì)于提高超聲波傳感器的精度是及其有利的。
3.本發(fā)明中超聲波傳感器的敏感元采用了量子阱新型材料，這種材料的特點(diǎn)是體積輕巧，便于制成微型超聲波探頭，有利于在特殊環(huán)境下的超聲波檢測(cè)。另外，量子阱材料可以很容易的制成陣列，這對(duì)超聲波掃描成像是極為有利的。


圖1為量子阱超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)和功能實(shí)施示意圖；圖2為超聲波在量子阱中傳播時(shí)所產(chǎn)生的壓電場(chǎng)；圖3為量子阱的能帶示意圖，(a)為沒(méi)有自發(fā)極化和壓電極化時(shí)的量子阱能帶示意圖；(b)為存在自發(fā)極化和壓電極化時(shí)的能帶示意圖；圖4為量子阱出射熒光的光強(qiáng)分布及光譜移動(dòng)曲線圖，其中曲線a是在沒(méi)有極化場(chǎng)時(shí)的光強(qiáng)分布，b、c兩條曲線是極化場(chǎng)存在時(shí)的光強(qiáng)分布，根據(jù)極化場(chǎng)的方向，相對(duì)曲線a出現(xiàn)了紅移或藍(lán)移。
具體實(shí)施例方式
下面以GaN/InGaN/GaN單量子阱超聲波傳感器為實(shí)施例，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)圖1，本發(fā)明的超聲波傳感器由輔助光源1、氮化鎵基單量子阱2、窄帶濾光片3和Si光電管4組成。
輔助光源1對(duì)于InGaN采用藍(lán)光管，窄帶濾光片3根據(jù)本實(shí)施例選定的波段而定。
氮化鎵基單量子阱2是利用分子束外延技術(shù)在藍(lán)寶石襯底上依次生長(zhǎng)GaN層、InGaN層和GaN層。InGaN層的厚度與它所探測(cè)的超聲波的波長(zhǎng)有關(guān)，這是因?yàn)楫?dāng)超聲波在這種材料中傳播時(shí)，會(huì)受到量子阱材料中界面的反射和折射，并在各層中形成駐波，這種駐波就會(huì)使量子阱材料產(chǎn)生形變，導(dǎo)致在這種材料中形成壓電信號(hào)及壓電場(chǎng)。當(dāng)量子阱材料的厚度等于在該層中傳播的超聲波的半波長(zhǎng)時(shí)，各層中的駐波最為完整，由它引起的壓電信號(hào)也最強(qiáng)，如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為在InGaN層中的超聲波半波長(zhǎng)與該層厚度的比值。當(dāng)k＝1時(shí)所產(chǎn)生的壓電信號(hào)最強(qiáng)。一般量子阱的厚度d，即圖2、3中的d在50nm。當(dāng)超聲波頻率在108～109Hz時(shí)，超聲波的半波長(zhǎng)就會(huì)與d很好的匹配在一起，即圖2中的K值為1的情況，這時(shí)在阱中形成完整的駐波。如果超聲波的頻率低于108Hz時(shí)，在阱中同樣也會(huì)形成駐波，即如圖2中K＝1兩側(cè)的峰值。也就是說(shuō)可以根據(jù)不同的情況得到不同的壓電極化場(chǎng)峰值，在超聲波很寬的頻段內(nèi)量子阱都會(huì)得到很好的壓電極化。
圖4為由Si光電管接收的量子阱出射熒光的光強(qiáng)分布及光譜移動(dòng)曲線圖，其中曲線a是在沒(méi)有極化場(chǎng)時(shí)的光強(qiáng)分布，b、c兩條曲線是極化場(chǎng)存在時(shí)的光強(qiáng)分布，根據(jù)極化場(chǎng)的方向，相對(duì)曲線a出現(xiàn)了紅移或藍(lán)移。通過(guò)比較就可以分析得到入射超聲回波的情況，進(jìn)而完成對(duì)物性的分析。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)讀出的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器，包括輔助光源(1)、氮化鎵基單量子阱(2)、窄帶濾光片(3)和Si光電管(4)；其特征在于輔助光源(1)為發(fā)光二極管，位于氮化鎵基單量子阱(2)正面一側(cè)，輔助光源的波長(zhǎng)應(yīng)與氮化鎵基單量子阱中的躍遷能級(jí)的波長(zhǎng)相匹配；窄帶濾光片(3)置在氮化鎵基單量子阱和Si光電管(4)之間，窄帶濾光片的帶通波段應(yīng)與量子阱中的選定波長(zhǎng)的熒光波段一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種光學(xué)讀出的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器，其特征在于所說(shuō)的氮化鎵基單量子阱依次由GaN層、InGaN層和GaN層組成，或者依次由GaN層、AlGaN層和GaN層組成。
全文摘要
一種光學(xué)讀出的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器，包括輔助光源、氮化鎵基單量子阱、窄帶濾光片和Si光電管。它是利用GaN基量子阱材料作為敏感元，并且把超聲波引起的敏感介質(zhì)的壓電場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換成輻射光譜的變化，然后由光電管采集讀出。通過(guò)對(duì)比有、無(wú)超聲波的輻射光譜的強(qiáng)度來(lái)分析超聲回波的強(qiáng)度，從而完成超聲波探測(cè)的物性分析。本說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)是將壓電信號(hào)所引起的量子阱發(fā)射光譜作為讀出信號(hào)，從而避免了直接讀取對(duì)壓電信號(hào)的影響，這對(duì)于提高超聲波傳感器的精度是及其有利的。另外敏感元采用了量子阱新型材料，這種材料的特點(diǎn)是體積輕巧，便于制成微型超聲波探頭，有利于在特殊環(huán)境下的超聲波檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01N35/00GK1547033SQ200310109249
公開(kāi)日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2003年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月11日
發(fā)明者陸衛(wèi), 孫立忠, 李寧, 陳貴賓, 王少偉, 陳效雙, 李志鋒, 陸 衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所, 上海藍(lán)寶光電材料有限公司