專利名稱：光學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，分析被測量物體的各種性質(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，對特殊環(huán)境的探測不利，并且不適于超聲波探測器的小型化。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，這樣信號的采集電路難免會對超聲波所形成的壓電信號產(chǎn)生影響，從而影響探測測量的精度。
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、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的氮化鎵基單量子阱材料作敏感元，采用光學讀出的高精度的超聲波傳感器，避免了直接采集壓電信號的采集電路對超聲波所形成的壓電信號的影響。
為達到上述目的，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對量子阱中的能級的改變，從而影響量子阱的熒光光譜的輻射強度和位置，通過對比熒光光譜的強度來分析超聲回波的強度，從而完成超聲波探測的物性分析。
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)，輔助光源的波長應與氮化鎵基單量子阱中的躍遷能級的波長相匹配。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與量子阱中的選定波長的熒光波段一致，其作用是使選定波長的熒光通過濾光片由Si光電管接受，以避免其它波長熒光的干擾。
所說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，它起到了一個激發(fā)源的作用。當在較高能級的電子向下躍遷時就會放出相應頻率的熒光，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頻段的熒光作為檢測的基準光源，這樣一個頻帶對應著一對能級間的躍遷，通過窄通濾光片可以使選定波長的光通過，以避免其它波長熒光的干擾，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，這個壓電極化場會疊加到原有的自發(fā)極化場上，使量子阱材料的能帶畸變進一步加大，見圖3，這種能帶畸變的加大必然會影響量子阱中的能級分布，能級分布的改變會直接影響量子阱的發(fā)射光譜，使通過窄通濾光片后的光強發(fā)生改變，這種光強的變化就會直接反映在Si光電管的電信號輸出上。通過比較現(xiàn)有電信號與基準信號，就可以分析得到入射超聲回波的情況，進而完成對物性的分析。
本發(fā)明可以有如下積極效果和優(yōu)點1.由于量子阱材料阱中的能級對壓電場的影響反映非常敏感，并且響應時間又非常短，因此，本發(fā)明將大大提高超聲波檢測及掃描成像的精度。
2.本發(fā)明的超聲波傳感器采用了間接讀取的方式，它是將壓電信號所引起的量子阱發(fā)射光譜作為讀出信號，從而避免了直接讀取對壓電信號的影響，這對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。另外，量子阱材料可以很容易的制成陣列，這對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)和功能實施示意圖；圖2為超聲波在量子阱中傳播時所產(chǎn)生的壓電場；圖3為量子阱的能帶示意圖，(a)為沒有自發(fā)極化和壓電極化時的量子阱能帶示意圖；(b)為存在自發(fā)極化和壓電極化時的能帶示意圖；圖4為量子阱出射熒光的光強分布及光譜移動曲線圖，其中曲線a是在沒有極化場時的光強分布，b、c兩條曲線是極化場存在時的光強分布，根據(jù)極化場的方向，相對曲線a出現(xiàn)了紅移或藍移。
具體實施例方式
下面以GaN/InGaN/GaN單量子阱超聲波傳感器為實施例，結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明見圖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對于InGaN采用藍光管，窄帶濾光片3根據(jù)本實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)在藍寶石襯底上依次生長GaN層、InGaN層和GaN層。InGaN層的厚度與它所探測的超聲波的波長有關(guān)，這是因為當超聲波在這種材料中傳播時，會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，這種駐波就會使量子阱材料產(chǎn)生形變，導致在這種材料中形成壓電信號及壓電場。當量子阱材料的厚度等于在該層中傳播的超聲波的半波長時，各層中的駐波最為完整，由它引起的壓電信號也最強，如圖2所示，其中橫坐標為在InGaN層中的超聲波半波長與該層厚度的比值。當k＝1時所產(chǎn)生的壓電信號最強。一般量子阱的厚度d，即圖2、3中的d在50nm。當超聲波頻率在108～109Hz時，超聲波的半波長就會與d很好的匹配在一起，即圖2中的K值為1的情況，這時在阱中形成完整的駐波。如果超聲波的頻率低于108Hz時，在阱中同樣也會形成駐波，即如圖2中K＝1兩側(cè)的峰值。也就是說可以根據(jù)不同的情況得到不同的壓電極化場峰值，在超聲波很寬的頻段內(nèi)量子阱都會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分布及光譜移動曲線圖，其中曲線a是在沒有極化場時的光強分布，b、c兩條曲線是極化場存在時的光強分布，根據(jù)極化場的方向，相對曲線a出現(xiàn)了紅移或藍移。通過比較就可以分析得到入射超聲回波的情況，進而完成對物性的分析。
權(quán)利要求
1.一種光學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)，輔助光源的波長應與氮化鎵基單量子阱中的躍遷能級的波長相匹配；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與量子阱中的選定波長的熒光波段一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種光學讀出的氮化鎵基單量子阱超聲波傳感器，其特征在于所說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。通過對比有、無超聲波的輻射光譜的強度來分析超聲回波的強度，從而完成超聲波探測的物性分析。本說明的優(yōu)點是將壓電信號所引起的量子阱發(fā)射光譜作為讀出信號，從而避免了直接讀取對壓電信號的影響，這對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。
文檔編號G01N35/00GK1547033SQ200310109249
公開日2004年11月17日 申請日期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) 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所, 上海藍寶光電材料有限公司