【资讯】石英“热漂移”巧变红外探测利器，实现高精度非制冷甚长波探测

红外探测技术具有被动工作、隐蔽性强、可全天候运行和抗干扰能力出色等独特优势，已成为**侦察、科学研究与工业检测中不可或缺的感知手段；尤其是15~30 μm的甚长波红外（VWIR）波段，辐射信号包含丰富的大气窗口信息，且目标热辐射能量最强，在卫星遥感、气象监测、导弹制导和深空探测等领域具有不可替代的价值。然而，该波段的探测长期面临一大困境：传统的半导体光电探测器虽然性能优异，但其响应波长受材料禁带宽度限制，难以延伸至甚长波段；更棘手的是，为抑制热噪声，这类器件必须在极低温（<70 K）下运行，导致系统体积庞大，功耗和成本急剧攀升。

面对这一难题，华中科技大学罗为教授团队巧妙地将石英晶振中原本令人头疼的“热漂移”现象转化为探测手段；通过选择特定的Y切石英晶体，将频率随温度变化的热效应放大利用，构建了一款基于体声波（Bulk Acoustic Wave，BAW）谐振器的非制冷型甚长波红外热探测器。相关研究成果以“Low-frequency-noise uncooled thermal quartz-based very long wave infrared detector”为题发表于Photonics Research 2026年第6期。

Y切石英在甚长波段兼具两大天然优势：一是优异的本征吸收特性（14~28 μm范围内平均吸收率达0.6），二是极高的频率温度系数（达87.47 ppm）；二者结合，为高灵敏度红外探测奠定了坚实的材料基础。探测器的工作原理如图1(a)和(b)所示：当甚长波红外辐射（ΔE）照射到石英晶体表面，材料吸收光能转化为热能，温度随之升高（ΔT），进而导致其弹性常数发生改变，谐振频率因而产生漂移（Δf）。通过精确测量频率变化量，即可反演出入射光强，实现高灵敏度的红外检测。

图1 基于石英体声波谐振器的甚长波红外探测器工作原理图。(a) 石英甚长波红外探测器整体结构图；(b) 探测器工作时的能量转换过程

基于上述原理，研究团队通过有限元仿真优化电极结构，并采用化学机械抛光（Chemical Mechanical Polishing，CMP）将Y切石英晶片减薄至40 μm，表面粗糙度低至0.62 nm，成功制备出谐振频率高达46 MHz、品质因数（Q值）达13400的高性能低噪声BAW谐振器。为克服热探测器易受环境温度波动影响的固有缺陷，团队创新性地引入差分测量方法：利用一对性能匹配的谐振器分别作为探测端与参考端，有效抑制共模环境温度漂移噪声，将频率噪声降低了近三个数量级。在自建的测试平台上，该探测器实现了30.8 MHz/W的响应度（R）和低至5.4 mK的噪声等效温差（Noise-Equivalent Temperature Difference，NETD），这一精度已接近甚至部分达到制冷探测器的水平。此外，团队还成功开展了CO2气体传感的概念验证（0%~30%浓度范围，检测限0.25%），进一步证实了其实用潜力。

基于当前成果，后续研究将聚焦于三个方向：提升响应速度——通过优化CMP工艺将石英晶片减薄至数微米级别（仿真预测响应时间可达25 ms）；拓展探测波段——通过掺杂、异质集成或引入超表面结构，实现多波段室温探测；单片集成——将参考与探测谐振器集成于同一芯片，消除分立器件的热容量差异，进一步提升差分系统的稳定性。

“该工作通过差分电路设计成功克服了热探测器长期存在的环境噪声瓶颈，使石英材料的高频率温度系数优势得以真正发挥，为基于微谐振器的传感应用提供了重要的噪声抑制思路。”通信作者罗为教授表示，“这不仅验证了石英谐振器用于室温甚长波红外探测的可行性，更为发展小型化、低功耗、高精度的下一代红外探测系统奠定了重要基础。”

参考文献： 中国光学期刊网

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