一种石墨烯基生命探测器制造技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯基生命探测器，包括红外传感器、伸缩机械臂、信号处理单元和报警器，红外传感器固定在所述伸缩机械臂的前端，红外传感器和报警器分别与信号处理单元相连。所述的红外传感器是由三角形组成的正二十面体结构，该正二十面体结构的表面由半导体、多层石墨烯膜和红外滤光层组成的光电器件，半导体作为基底，多层石墨烯膜铺设于半导体之上，最后再镀一层红外滤光层。通过正二十面体基底结构，以尽可能大的比表面积暴露于环境中，搜索自然灾害后废墟下的生命迹象。使得生命探测器的响应距离得到极大的提升，同时也提高了红外响应的灵敏度、使用便捷性。使用便捷性。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯基生命探测器


[0001]本专利技术涉及一种生命探测器，具体为一种石墨烯基生命探测器。

技术介绍

[0002]随着我国军民融合发展战略的不断深入推进，越来越多的先进技术、专业装备慢慢地走出军队，走进百姓。其中，红外探测技术就是一个典型代表。红外探测技术，最开始多应用于军事领域，现在逐渐转为民用，在基础研究、设备维护、工业检测、消防安防等领域得到广泛应用。我国是一个幅员辽阔、地理地貌特征多样的大国，且自然灾害频发，当地震、山体滑坡、泥石流等灾害发生时每年都会造成大量的人员伤亡，因此，亟需将应急搜救工作提升至更高水，以更好地保障人民生命财产安全。
[0003]红外线是波长在750nm到1mm之间，波长比红光长的非可见光。任何高于绝对零度（
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273.15℃）的物质都可以产生红外线，因此也称为热射线。在红外光谱学中，一般将红外波段分成近红外、中红外和远红外三个波段，有生命的物体发射的红外线一般属于远红外线。研究表明：人体体温在 37℃时，人体红外辐射能量较集中的中心波长为 9.4μm；其中人体皮肤的红外辐射范围为 3
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50μm，8
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14μm波段的红外辐射占人体辐射能量的 46%，8
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14μm波段是设计人体红外生命探测器过程中的重要技术参数。生命探测器，依靠人体与环境红外辐射的区别来辨别幸存者，因此可用于黑暗、狭小、充满烟雾等人们目力难及的救援场所，一般由红外传感器和光学成像物镜两部分组成，主要是精确探测环境中的红外光，经过滤波，从而使红外光直接转换产生光电流信号，在经过信号放大后输出为可视信号，以达到人员搜救的目的。红外传感器是生命探测器中不可或缺的组成部分，红外传感器及其材料的发展水平决定了一个红外系统的性能，红外系统的性能决定了热成像系统的性能，从而影响整个生命探测器的性能指标。显然，红外传感器已经成为一个国家发展高新技术装备的主要战略资源。目前，红外传感器可分为制冷型和非制冷型两大类，非制冷型由于其不需要添加制冷设备(超导材料除外)并且易于使用，光谱响应与波长无关、可靠性高，制备工艺相对容易、成本低等优势在生命探测器中广泛应用。非制冷型红外传感器由主要以微机电技术(MEMS)制备的热传感器为基础，它可分为三类：热电堆、热释电和微测辐射热计焦平面阵列，其中以微测辐射热计的发展最为迅速。微测辐射热计传感器常用的材料有三大类：金属、半导体和高温超导体，又以半导体为材料的微测辐射热计传感器应用于生命探测器中最为常见。
[0004]目前，商业化的硅基红外传感器，由于红外光在硅中的透射深度极浅，光生载流子全部集中于硅的表面，而对于一般构建的结器件具有一定的深度，载流子复合效应会导致器件的光增益随入射光波长的减少会迅速降低，因此硅基光电器件对于红外线的探测能力较慢。石墨烯由于其对全波段的光都存在吸收，且其载流子迁移率极高，因此基于石墨烯的红外光电器件受到了许多人的关注；当前，基于石墨烯的红外光电器件主要利用到的为单层或少层(5层以下)的石墨烯，但由于单层及少层石墨烯的吸光度很低，不能吸收足够强度的光，因此不能产生有效的光电流，因此目前大部分石墨烯基光电器件主要是利用石墨烯
的高载流子迁移率，加快半导体所产生的光生载流子的传输。

技术实现思路

[0005]作为本专利技术的一方面，本专利技术首次提出一种石墨烯基生命探测器；通过将石墨烯膜集成到一个由三角形组成的正二十面体基底上，以尽可能大的比表面积暴露于环境中，搜索自然灾害后废墟下的生命迹象。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯基生命探测器，包括红外传感器、伸缩机械臂、信号处理单元和报警器，所述的红外传感器具有正二十面体结构，该结构的表面由半导体、多层石墨烯膜和红外滤光层组成。所述伸缩机械臂深入到废墟探测深度后，信号处理单元控制红外传感器探头打开，待检测的光经所述滤光层过滤后，经由半导体衬底和石墨烯膜组成的探测模块实现探测，并转换成光电流信号，信号处理单元将光电流的大小与阈值进行比较，当大于阈值时，控制报警器报警。通过程序设置，本专利技术设置有可能根据信号强弱计算出目标生命体距探测深度的距离。
[0007]在某些实施例中，所述的石墨烯基生命探测器的红外传感器是直径为2cm的由三角形组成的正二十面体，可深入废墟的狭小缝隙中，以尽可能大的表面积感应红外光。
[0008]本专利技术中，所述的石墨烯基生命探测器的红外传感器为基于特种石墨烯膜的传感器，它能精确探测环境中的红外光，从而使红外光直接转换产生光电流信号。
[0009]上述特种石墨烯膜包含弱耦合增强的石墨烯结构，具有优异的灵敏度，通过弱耦合实现多层石墨烯的光吸收的叠加，提高石墨烯膜的光吸收率和热电子寿命，从而在低能量波段，热电子仍然可以积累。石墨烯膜的非AB结构含量为40~60%，包含基于弱耦合增强的石墨烯结构，所述石墨烯结构的垂直方向包含60~70个沿厚度方向上下堆叠的石墨烯单元，上下两个相邻的石墨烯单元之间弱耦合；所述石墨烯单元为单层石墨烯片，或由两层以上石墨烯片以AB堆叠的方式堆叠而成，石墨烯单元的平均层数为2层；这种石墨烯结构通过非AB结构的弱耦合作用增加电子联合态密度，促进光吸收；同时引入非AB结构的石墨烯线性能带，促进热电子跃迁，提升高能态热电子占据概率。在AB堆叠区域，电子云融合成一体，石墨烯膜电子结构偏重于石墨结构，这种结构下石墨烯电子声子散射减弱，热电子弛豫时间延长；而在非AB堆叠结构区域，电子云层层分离，石墨烯膜电子结构更倾向于石墨烯结构，从而电子联合态密度增加、光吸收增加、热电子跃迁变得容易。
[0010]在某些实施例中，石墨烯膜的I
D
/I
G
在0.05以下。通常情况下，石墨烯中缺陷会增加石墨烯的散射，从而降低石墨烯热电子弛豫时间，但是石墨烯缺陷对声子的散射更多的体现在水平方向，对垂直方向影响较小；而石墨烯单元的非耦合堆叠对热电子的散射作用主要针对垂直方向，因而对热电子散射的影响更大，起到决定最用。简而言之，弱耦合作用的存在，增强了石墨烯膜光电效应对缺陷的容忍性。
[0011]在某些实施例中，将由溶液组装（抽滤、旋涂、喷涂以及铺膜法等）得到的氧化石墨烯膜，经热处理（石墨化炉退火、激光加热退火、微波加热退火等）修复缺陷后，得到所述弱耦合增强的石墨烯膜。
[0012]在某些实施例中，将由CVD法生长的石墨烯薄膜层层堆叠后，经热处理（石墨化炉退火、激光加热退火、微波加热退火等）形成致密结构，得到所述弱耦合增强的石墨烯膜。
[0013]在某些实施例中，将可石墨化材料经溶液组装，经热处理（石墨化炉退火、激光加热退火、微波加热退火等）使其石墨化，得到所述弱耦合增强的石墨烯膜。所述可石墨化材料包括聚酰亚胺、聚丙烯腈、沥青。
[0014]在某些实施例中，将可玻璃化小分子（葡萄糖、薄荷醇、萘、蒽等）在镍基催化剂的催化下得到所述弱耦合增强的石墨烯膜。
[0015]在某些实施例中，将氧化石墨烯、聚酰亚胺、氧化石墨烯和不可石墨化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基生命探测器，包括红外传感器、伸缩机械臂、信号处理单元和报警器，红外传感器固定在所述伸缩机械臂的前端，红外传感器和报警器分别与信号处理单元相连；其特征在于，所述的红外传感器是由三角形组成的正二十面体结构，该正二十面体结构的表面由半导体、石墨烯膜和红外滤光层组成的光电器件，其中，半导体作为基底，石墨烯膜铺设于半导体之上，最后再镀一层红外滤光层；所述石墨烯膜的非AB结构含量为40~60%，包含基于弱耦合增强的石墨烯结构，所述石墨烯结构的垂直方向包含60~70个沿厚度方向上下堆叠的石墨烯单元，上下两个相邻的石墨烯单元之间弱耦合；所述石墨烯单元为单层石墨烯片，或由两层以上石墨烯片以AB堆叠的方式堆叠而成，石墨烯单元的平均层数为2层；所述伸缩机械臂深入到废墟探测深度后，信号处理单元控制红外传感器探头打开，待检测的光经所述滤光层过滤后，经由半导体衬底和石墨烯膜组成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：高超，沈颖，彭蠡，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：