（凝聚态物理专业论文）红外微测辐射热计结构优化设计与制备.pdf

摘要 红外探测器是应用于热成像的主要探测技术，在国防、航天领域具有重要的 战略意义。作为当今非制冷热成像的主流技术，氧化钒( v o x ) 微测辐射热计焦 平面成像阵列具有重量轻、成本低，且符合单兵作战装备要求等优点，成为世界 各国许多商业机构和研究单位竞相开发的目标。但是，焦平面阵列制备涉及集成 电路设计、红外光学、薄膜生长、m e m s 工艺等众多技术，是一项复杂的系统 工程。 本文针对红外微测辐射热计器件结构优化设计、薄膜生长以及器件制备工艺 进行研究，成功地制备出具有微桥结构的、熟敏材料为v 0 x 的微测辐射热计像 元，桥面为s i n 麓v o j s i n x 三明治结构，由被s i 0 2 包裹的a l 微柱所支撑。器件 具有红外响应特性。本文主要工作如下： l 。为提高器件的红外吸收率及其响应度，本文对器件结构进行优化设计。 以光学导纳矩阵原理为理论基础，采用从头算的方式获得器件的红外吸收特性， 结果表明当反射层与吸收层间距取2 5 呻时器彳牛的平均吸收率最大；采用a n s y s 有限元软件定量分析桥臂宽度及引线材料对器件热学及热形变特性的影响，表明 减小桥譬宽度、降低材料热导率是提高器件红钋响应特性、获得平整桥谣结构的 重要途径。 2 。薄膜生长技术是微测辐射热计的关键技术，本文以制备高电阻溢度系数 ( t c r ) 的热敏v o 。为研究目标，采用反应电子束蒸发工艺，通过退火提高薄膜 晶体质量。由此获褥的薄膜其t c r 可达- 3 k ，并且在5 5 附近电阻率跃迁超 过2 个量级。为避免残余应力过大导致s i n 。吸收层龟裂，本文采用p e c v d 沉积 s i m 薄膜，通过调整衬底温度、反疲气体流量比，以及结合应力释放槽工艺制备 符合要求的s i n x 薄膜。 3 。为优化器件工艺，降低成本，本文对a z 5 2 1 4 e 图像反转光刻以及p l 牺牲 层工艺进行详细研究。当反转烘温度为9 6 , - - 9 8 ，掩模曝光、泛曝光时间分别 为8 1 s 和8 。4 s 时可以获褥清晰的光刻胶掩模图形，并跌此为基础采用剥离技术 制备高2g m 、宽度3g m 且有s i 0 2 薄膜包裹的a l 桥墩；利用p i 在碱性溶液中 的可溶性，采用先在1 2 2 预固化p i 后渝法腐蚀工艺来制备p i 图形，有效简 化工序、降低成本。 4 对真空封装后的器件进行红外响应和t c r 测试，表明器件具有红外响应 特性，并对影响器件t c r 的衬底材料及多层薄膜应力等因素进行分析。 本文的主要创新点有： 1 采用基于a z 5 2 1 4 e 图像反转光刻工艺的剥离技术制备a l s i 0 2 桥墩，具 有可靠性高、成本低、操作简单的优点，解决了基于般正胶光刻工艺剥离大高 宽比薄膜图形时存在的光刻分瓣率低、剥离难的问题。 2 采用p i 作为器件的牺牲层，并采用湿法腐蚀工艺来制备p i 图形。与传 统的等离子各向异性刻蚀王艺相比，采用湿法腐蚀工艺制备的p i 图形，其台阶 较为光滑，从而可以获得相对平整的器件桥面结构，同时具有工序少、操作简单 等优点。 关键漏：红外成像；微机电；p l 牺牲层 a b s t r a c t t h e r m a li m a g i n gi so n eo ft h em a j o rd e t e c t i n gt e c h n o l o g i e su s e di nn a t i o n a l s e c u r i t yt h a tp l a y s a l l i m p o r t a n tr o l e i nt h e d o m a i n so fn a t i o n a ld e f e n c ea n d s p a c e f l i g h t a m o n ga l lk i n d so ft h e r m a li m a g i n gt e c h n o l o g i e s ，u n c o o l e df o c a lp l a n e a r r a y ( u f p a ) u s i n gv a n a d i u md i o x i d ea st h et h e r m a ls e n s i n gm a t e r i a lh a sb e c o m ea h o t s p o td u et o i t sh i g hp e r f o r m a n c e ，l i g h tw e i g h ta n dl o wc o s t w h e r e a s ，t h e f a b r i c a t i o no fu n p ai sac o m p l e xm i c r o - e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) e n g i n e e r i n gw h i c hi n v o l v e si cd e s i g n ，i n f r a r e do p t i c s ，t h i nf i l m sd e p o s i t i o n ，a sw e l l a s m e m st e c h n o l o g i e s o u rw o r ki sc o n c e n t r a t e do nt h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n ，t h i nf i l m sd e p o s i t i o na n d t h ef a b f i c m i o np r o c e s s w en o to n l yf a b r i c a t e dalx l0v o xm i c r o b o l o m e t e rp i x d a r r a yw i t hs i l i c o nn i t r i d e ( s i n x ) m i c r o b r i d g es t r u c t u r eb u ta l s om e a s u r e di t sr e s p o n s e 约取r a d i a t i o n 1 i no r d e rt oo p t i m i z et h es t r u c t u r ed e s i g no fm i c r o b o l o m e t e r , w ec a l c u l a t e dt h e m i c r o b o l o m e t e r si ra b s o r p t i o na saf u n c t i o no ft h eh e i g h to ft h ev a c u u mg a pb a s e d o nt h eo p t i c a lt r a n s f e rm a t r i xt h e o r y , a n df o u n dt h a tt h ea b s o r p t i v i t yi sm a x i m u m w h e nt h a tg a pi s2 5i x r n t h e r m a la n dd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o nb ya n s y si n d i c a t e d t h a tl o wt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ft h eb r i d g ea l i a sw i l li m p r o v et h ed e t e c t o r s r e s p o n s i v i t y 2 t h i nf i l m sd e p o s i t i o ni st h ec r i t i c a lf a c t o ri nt h em i c r o b o l o m e t e rf a b r i c a t i o n v o xt h i n f i l m sw e r ed e p o s i t e db yr e a c t i v e e l e c t r o nb e a me v a p o r a t i o n a f t e r p o s t d e p o s i t i o nt h e r m a la n n e a l i n g ，t h ef i l ms h o w e d at h e r m a lc o e f f i c i e n to fr e s i s t a n c e ( t c r ) o f 一3 0 o ka n dh a dac h a n g eo fr e s i s t a n c eb ya no r d e ro f2a r o u n d5 5 h i g h i ra b s o r p t i v ea n dl o ws t r e s ss i n xf i l m sw e r eo b t a i n e db yp e c v da n dp r e d e p o s i t i o n s t r e s sr e l e a s et r o u g ht e c h n i q u e 3 t oi m p r o v et h e p r o c e s s a n dl o w e rt h ec o s t ，t h ei m a g e - r e v e r s a l p h o t o l i t h o g r a p h yu s i n ga z 5 2 1 4 ep h o t o r e s i s ta n dt h ew e te t c ho fp is a c r i f i c i a ll a y e r w e r es t u d i e di nd e t m l c l e a rp a r e m so fp h o t o r e s i s tw e r ep r o d u c e dw h e nt h e t e m p e r a t u r eo fr e v e r s a lb a k i n gw a s9 6 9 8 m e a n w h i l e ，t h ee x p o s u r et i m ea n dt h e f l o o de x p o s u r et i m ew e r e8 isa n d8 4 sr e p e c t i v e l y b a s e do nt h er e v e r a lp r o p e r t yo f a z 5 214 e ，a2 3x3 “m 3a l u m i n u mp i l l a re n w r a p p e d b ys i 0 2w a l lw a s f a b r i c a t e db y l i f to f fp r o c e s s s i n c ep o l y i m i d e ( p i ) w a ss o l u b l ei na l k a l e s e e n ts o l u t i o n ，p is a c r i f i c i a l l a y e r w a s p r e c u r e du n d e r12 2 a n dt h e np a t t e r n e db yw e t e t c h 4 f i n a l l y , t h ei rr e s p o n s ea n dt h et c r o fm i c r o b o l o m e t e rw e r em e a s u r e da f t e r e n c a p s u l a t i o n t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e dt h em i c r o b o l o m e t e rs h o w e dr e s p o n s et oi r r a d i a t i o n ，b u ti t st c rw a ss m a l l e rc o m p a r e dt ov o xt h i nf i l mg r o w no ns is u b s t r a t e ， a n dw es u p p o s e dt h a tf i l m sr e s i d u a ls t r e s sh a da n e g a t i v ei m p a c to nt c r i na d d i t i o n ，t h em a i ni n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： 1 l i f to f ft e c h n i q u eb a s e do na z 5 214 ei m a g e - r e v e r s a lp h o t o l i t h o g r a p h yw a s u s e dt of a b r i c a t et h ea l s i 0 2m i c r o p i l l a r t h i st e c h n i q u eh a da d v a n t a g e so v e r t r a d i t i o n a lp o s i t i v ep h o t o l i t h o g r a p h yw h i c hw a sn o ts u i t a b l ef o rl i f t i n go f fp a t t e r n s w i t hh i g ha s p e c tr a t i o 2 s i n c ea n i s o t r o p i cd r ye t c ha l w a y sc r e a t e sv e r t i c a ls t e pi np ip a t t e r n sw h i c h m a yr e s u l ti nt h ec r a c ko fs i n xa r m s ，w e te t c hw a su s e dt op a t t e r nt h ep is a c r i f i c i a l l a y e r t h es m o o t hs t e pa r o u n da l s i 0 2m i c r o p i l l a rt h u so b t a i n e d a leg o o df o r l e v e l l i n go f f t h em i c r o b r i d g e ss u r f a c e k e yw o r d s ：i n f r a r e di m a g i n g ，m e m s ，p is a c r i f i c i a ll a y e r 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本入依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ：何醇 & 一吕年矿月i 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文迸入学 校图书馆被查阕，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密( ) ( 请在以上棚应括号内打“4 ) 作者签名：呵勇 西期：丧口9 辟f 西 导师签名：膨日期：p 矗芳年6 月多日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 红外微测辐射热计发展现状 电磁波覆盖了从丫射线到无线电波的一个很大的范围，其波长可从n m 到 1 0 3 k m ，跨度高达1 5 个数量级。人眼可以对3 8 0 7 8 01 1 l n 的光波直接成像，并且 对电磁波各个波段都发展了相应的成像或探测技术。室温物体由于内部原子的热 振动而不断地发射波长在1 0 岬左右的红外辐射。由于大气中水和二氧化碳分子 对红外辐射的强吸收，使得短波红外( 1 3 岬) 、中波红外( 3 5l u n ) 、长波红 外( 8 1 4 岬) 波段成为红外成像的大气窗口。通过俘获目标红外辐射并将其转 换为人眼可见图像的技术就是红外成像技术，实现红外成像的装置即为热像仪， 它主要包括红外望远镜、红外探测器阵列、信号处理电路、显示器四大部分【l j 。 红外焦平面阵列( i r f p a ) 是建立在硅信号读出电路( r o i c ) 之上的二维红外 探测器阵列，是红外热像仪的核心部件。根据i r f p a 的工作温度，可以分为制 冷型( c o o l e di r f p a ) 、非制冷型( u n e o o l e di r f p a ) 两大类。c o o l e di r f p a 以光子 探测器为基本单元，通过探测入射光子产生的光电流或光伏效应来实现红外成 像，灵敏度高【2 ，3 1 ，但是工作温度一般小于7 8 k ，需要低温封装，因此价格昂贵， 主要应用于高端军事领域以及航天领域。而u n e o o l e di r f p a 主要以微机电技术 ( m e m s ) 制备的热传感器为基础，有三种类型：热电堆、热释电和微测辐射热 计焦平面阵列【4 1 。其中，又以微测辐射热计技术发展最为迅猛，它是一种电阻型 热传感器，通过探测红外辐射引起热敏电阻的阻值变化而获得目标的红外信息， 继而转换为目标图像。 以微测辐射热计为代表的非制冷焦平面探测器的价格仅为第一代制冷型热 像仪的十分之一，是热成像技术领域的一个罩程碑，其发展可以分为三个阶段【5 】： 1 技术探索期 1 9 7 9 年到1 9 9 2 年，主要是对两种技术路线：体硅刻蚀、牺牲层工艺制备氮 化硅微桥；两种材料：热释电、氧化钒材料进行了探索。 技术上，早期的氮化硅微桥制备工艺一般是先在硅衬底上沉积氮化硅薄膜， 利用光刻技术制备器件图形，然后采用k o h 等各向异性腐蚀液腐蚀体硅而成。 红外微测车 l ；射热计结构优化i 5 2 计j 制备 由于湿法腐蚀工艺精度低，而且像元间距大，这就制约了像元尺寸缩小空间而无 法提高像元数量，从而抑制了器件分辨率的提高。更为重要的是，随着上世纪 8 0 年代术至今硅集成电路的迅猛发展，使得采用单片式结构、以硅r o i c 作为 器件的图像处理电路成为热成像技术的主要特点，这样湿法腐蚀体硅工艺就无法 满足工艺要求。由于p i 、多晶硅薄膜淀积工艺与c m o s 工艺兼容，在其上沉积 氮化硅薄膜后可以采用湿法或干法刻蚀且不会对硅r o i c 造成损害，是理想的牺 牲层材料，同时在降低像元尺寸、提高像素上具有绝对优势。而p i 材料由于耐 高温、抗腐蚀以及可以采用氧离子干法释放等特点成为微测辐射热计制备工艺中 最重要的牺牲层材料。 在热敏材料选择上，以h o n e y w e l l 公司的3 3 6x2 4 0 氧化钒微测辐射计和德 克萨斯仪器公司的3 2 8x 2 4 5 钛酸锶钡非制冷焦平面探测器为发展标志【6 】。钛酸 锶钡为多元化合物材料，其制备工艺繁杂且薄膜的稳定性较差；而氧化钒薄膜一 方面为二元化合物，材料稳定性相对来说比较好，薄膜制备工艺灵活，可以采用 磁控溅射、电子束蒸发、p l d 、c v d 等技术制备，同时具备高电阻温度系数( t c r ) 、 低1 f 噪声等优点，成为最重要的非制冷热成像热敏材料。 2 技术成熟期 2 0 世纪9 0 年代，单片式、4 5 x 4 5i x m 2 像素单元的3 2 0 x 2 4 0 氧化钒微测辐 射热计阵列成为主流产品。器件的主要技术指标有f 7 】：探测波段为8 1 4 岬，信 号响应度高于lx1 0 7v w ，探测率高于5 0 x1 0 8e m h z l 2 w ，等效噪声温差 n e t d 小于1 0 0m k ，热响应时间小于2 0m s ，最大帧数为6 0h z 等。器件性能完 全达到了制冷型i 类通用组件热像仪( t i c m i ) 的水平，能满足一般条件下的军 事应用要求。 与此同时，非制冷热成像技术成为世界各国许多商业机构和研究单位竞相开 发的目标，美国的波音北美、洛克西德- 马丁、d r s 、r a y t h e o n 公司；日本的 n e c 、三菱公司；英国的g e c - 马可尼公司：法国的u l i s 公司等都先后获得了 h o n e y w e l l 公司的技术转让，并且相继推出了成熟的热像仪产品，主要有b a e 的m i c r o i r 系列、d r s 的u 系列、r a y t h e o n 的s b r c 系列等非制冷热像仪。 其中以r a y t h e o n 公司的s b r c 一1 5 1 型非制冷热像仪为代表【2 2 1 ，其阵列分辨率 为3 2 0 x2 4 0 ，器件热导为5 x1 0 一w k ，信号响应度为2 5 x1 0 7v m ，n e t d 2 第一章绪论 小于2 0m k ，热响应时间小于2 0m s 。 3 新技术探索期 从上世纪9 0 年代末至今，主要致力于研制基于亚微米工艺、信号处理功能 强大的硅r o i c ，并以此降低微测辐射热计的功耗，延长热像仪的工作时问以满 足单兵野外作战的要求；同时进一步减小像素尺寸、增大面阵像素值、降低 n e t d 、提高分辨率。目前，除美国有b a e 、n e c 、d r s 、r v s 等多家公司外， 日本【1 2 ，1 引、俄罗斯【1 4 】、英国、以色列【1 5 】、法国、加拿大【1 6 1 7 1 等国家也加大了这 一方面的研究投入，并先后向热成像市场推出2 5 2 5l a m 2 像素单元的4 8 0 x 6 4 0 焦平面阵列，1 7 x1 7g m 2 像素单元已在研发中。其中，d r s 公司装备于单兵武 器热瞄准具( s o l d i e rt h e r m a lw e a p o ns i g h t s ) 、驾驶员视力增强器( v e h i c l ed r i v e r v i s i o ne n h a n c e r ) 设备的u 6 0 0 0 型非制冷热像仪【1 0 1 ，采用6 4 0 4 8 0 阵列单元， 像素尺寸为2 5x 2 5g m 2 ，n e t d 仅2 0m k ，工作帧数可达1 2 0h z ，是新一代非 制冷焦平面阵列的代表。 此外，新材料、新结构的非制冷焦平面阵列研发也取得较大进展。法国 s o f r a d i r 公司的先后推出3 2 0 x 2 4 0 、6 4 0 x 4 8 0 的u l 系列a s i 微测辐射计焦平面 探测器【1 8 ，19 1 ，像元尺寸由早期的4 5 x 4 5g m 2 、3 5 x 3 5 呻2 逐渐减小到2 5 x 2 5 岬2 ，热响应时间仅为7m s ，帧数可达6 0h z ，而n e t d 也降到3 0m k ，接近氧 化钒非制冷焦平面阵列的性能。而r 本m i t s u b i s h i 公司利用多晶硅二极管的热电 效应，采用c m o s 工艺和m e m s 技术有机结合，在s o i 衬底上成功地制备出 6 4 0 4 8 0s id i o d e 焦平面探测器【1 2 13 1 ，其像元尺寸仅为2 3 5 2 3 5l a m 2 。由于采 用分离吸收层、热敏层的双层桥面工艺，使得热导率降低到3 x1 0 8w k ，而器 件的填充因子高达9 0 ，在3 0h z 的工作帧数下，其n e t d 值为5 0m k 。由于a s i 和多晶硅材料制备工艺成熟，成本降低空间大，因此将成为推动未来民用热像仪 市场发展的主要力量。 1 2 红外微测辐射热计的发展趋势 红外微测辐射热计技术也存在一些问题有待进一步解决。一方面，受氧化钒 材料稳定性、器件n e t d 等方面的限制，非制冷焦平面阵列还无法满足高端军用 市场的要求，例如n e t d 要达到1 0m k 的水平f 7 1 ，但是现有产品的n e t d 大多为 红外微测辐射热计结构优化设计j 制备 3 0m k 到5 0m k ；另一方面，由于器件制备工艺复杂，虽然其价格较制冷型焦平 面阵列已有很大幅度的降低，但是离民用市场的要求( 1 0 0 0 美元左右) 2 0 1 还有 较大差距。因此未来非制冷焦平面技术的研究将主要围绕以下3 个方面展开： 1 降低生产成本，提高可靠性：通过改善制备工艺，提高产品的生产效率， 实现批量生产，降低器件芯片生产成本；同时加大真空封装工艺以及光学系统的 研发投入，降低器件封装成本，使得热像仪价格降低到1 0 0 0 美元左右，以满足 民用市场的要求，进而提高非制冷热像仪在红外成像市场上的占有率，从而提高 经济效益。 2 减小像元小尺寸、增大像素：为了满足高端军用市场的要求，必须进一 步提高器件的分辨率，这就要求增加像元数目，减小像元尺寸，否则热像仪的光 学系统过大将满足不了单兵作战装备重量轻、携带方便、功耗小等方面的要求； 此外必须优化薄膜生长工艺，提高像元的均匀性，优化图像处理电路，降低器件 功耗。 3 通过兼并实现产业集聚：在民用市场上，美国红外热像仪行业的龙头企 业f i l rs y s t e m 公司通过多次并购，其市场占有率已达3 5 ，前十大企业的市 场占有率已达7 1 f 2 1 】；尽管起步较晚，但是目前国内民用红外热像仪行业的产 业集聚现象也比较明显，已逐步形成了大立科技、广州飒特和武汉高德三足鼎立 的市场格局。 红外微测辐射热计焦平面阵列制备涉及集成电路设计、红外光学、薄膜生长、 m e m s 工艺等众多技术，是一项复杂的系统工程。因此对氧化钒非制冷红外探 测器的工作原理、制备工艺、器件设计方面进行详细的研究是很有必要的。 1 3 本文主要工作 1 通过数学模型分析、光学传输矩阵计算以及a n s y s 器件仿真，得到影响 器件性能的结构、光学参数，为器件结构优化设计提供可靠的理论依据。结合厦 门大学微机电中心硅工艺线的工艺条件，设计出i 型桥臂宽度为3p a n ，桥面为 s i n 。v o 。s i n 。三明治结构、单元尺寸为4 5 4 5 t m 2 的器件结构。 2 对器件制备工艺进行系统全面的实现和优化，通过退火优化热敏材料氧 化钒薄膜的结晶特性，制备出的薄膜t c r 高达- 3 k ，且在5 5 附近电阻跃迁 4 第一章绪论 超过两个量级；利用a z 5 2 1 4 e 反转光刻胶，采用剥离技术成功获得厚度2p m 、 宽度3g m 且有s i 0 2 薄膜包裹的a 1 支撑柱；采用先预固化p i 后湿法腐蚀工艺 去除a l 支撑柱上方p i ，在获得平整的s i n 。桥面结构的同时有效简化牺牲层工艺， 降低器件成本； 3 对制备的器件进行红外响应测试，并对测试结果进行分析，表明器件具 有明显的红外响应特性，同时对影响器件t c r 的衬底、应力等因素进行分析。 红外微测辐射热计结构优化设计j 制备 参考文献 1 张敬贤，李玉丹，金伟其微光与红外成像 m 北京：北京理l 大学出版社，1 9 9 5 2 2 6 【2 】a r o g a l s k i o p t i c a ld e t e c t o r sf o rf o c a lp l a n ea r r a y s j o p t o e l e c t r o n i c sr e v i e w , 2 0 0 4 ，1 2 ( 2 ) ： 2 4 1 2 4 5 【3 】ar o g a l s k i i n f r a r e dd e t e c t o r s ：s t a t u sa n dt r e n d s j p r o g r e s si nq u a n t u me l e c t r o n i c s ，2 0 0 3 ，2 7 ： 5 9 2 1 0 【4 】邢素霞，张俊举，常本康，钱芸生非制冷红外热成像技术的发展与现状【j 】红外与激光 工程，2 0 0 4 ，3 3 ( 5 ) ：4 4 1 4 4 4 【5 】常本康，蔡毅红外成像阵列与系统 m 北京：科学出版社，2 0 0 6 1 8 1 9 【6 】r a w o o d ，n a f o s s ，m i c m m a c h i n e db o l o m e t e ra r r a y sa c h e i v el o w - c o s ti m a g i n g j 1a s e r f o c u sw o r l d ，1 9 9 3 ，7 ：1 0 1 - 1 0 6 【7 】苏吉儒，魏建华，庄继胜赴向2 1 世纪的非制冷热成像技术【j 】红外与激光t 程，1 9 9 9 ， 2 8 ( 3 ) ：4 1 _ 4 5 【8 】r i c h a r dj b l a c k w e l l ，t u y e tb a c h ，d a no d o n n e l i 17b mp i x e l6 4 0 x4 8 0m i c r o b o l o m e t e rf p a d e v e l o p m e n ta tb a es y s t e m s j p r o c o fs p i e ，2 0 0 7 ，6 5 4 2 ：6 5 4 2 1 u 1 - 4 【9 】n a k o io d a , y m k at a n a k a ，e ta 1 p e r f o r m a n c eo f3 2 0 2 4 0b o l o m e t e r - t y p eu n c o o l e di n f r a r e d d e t e c t o r j n e cr e s d e v e l o p ，2 0 0 3 ，4 4 ( 2 ) ：1 7 0 - 1 7 3 【1 0 】c h u a nl i ，g e o r g ed s k i d m o r e ，e ta 1 r e c e n td e v e l o p m e n to f u l t r as m a l lp i x e lu n c o o l e df o c a l p l a n ea r r a y sa td r s j p r o c o fs p i e ，2 0 0 7 ，6 5 4 2 ：6 5 4 2 1 y 1 - 6 【11 d m u r p h y , m r a y , e ta 1 6 4 0 5 1217i n nm i c r o b o l o m e t e rf p aa n ds e n s o rd e v e l o p m e n t j p r o c o fs p i e ，2 0 0 7 ，6 5 4 2 ：6 5 4 2 2 1 6 【12 】m a s a s h iu e n o ，y a s u h i r ok a s a y a m a ，t a k a k is u g i n o ，e ta 1 6 4 0 x4 8 0p i x e lu n c o o l e di n f r a r e d f p aw i t l ls o ld i o d ed e t e c t o r s j p r o c o fs p i e ，2 0 0 5 ，5 7 8 3 ：5 5 6 - 5 6 7 【1 3 】m a s a f u m ik i m a t a ，m a s a s h iu e n o ，m u n e h i s at a k e d a ，e ta 1 s o id i o d eu n c o o l e di n f r a r e df o c a l p l a n ea r r a y s j p r o c o f s p i e ，2 0 0 6 ，6 1 2 7 ：6 1 2 7 0 x l - 1 1 【1 4 】v n o v s y u k ，v s h a s h k i n ，m a d e m y a n e n k o ，e ta 1 u n c o o l e dm i c r o b o l o m e t e ri rf p a 6 第一章绪论 b a s e do ns o l g e lv o x 【j 】p r o c o fs p i e ，2 0 0 5 ，5 8 3 4 ：4 7 5 4 【15 】l a v is e c u n d o ，y o r a ml u b i a n i k e r , a h a r o nj a g r a n a t u n c o o l e df p aw i t ho p t i c a lr e a d i n g r e a c h i n gt h et h e o r e t i c a ll i m i t j p r o c o fs p i e ，2 0 0 5 ，5 7 8 3 ：4 8 3 - 4 9 【16 】pt o p a r t ，c a l a i n ，l l e n o c ，e ta 1 h y b r i dm i c r o p a c k a g i n gt e c h n o l o g yf o ru n c o o l e df p a s j p r o c o fs p i e ，2 0 0 5 ，5 7 8 3 ：5 4 5 5 51 【17 】p t o p a r t ，s l e c l a i r , c a l m n ，e ta 1 w a f e r - l e v e lv a c u u mp a c k a g i n gt e c h n o l o g yb a s e do n s e l e c t i v ee l e c t r o p l a t i n g j p r o c o fs p i e ，2 0 0 4 ，5 3 4 2 ：2 6 3 4 【18 】j j y o n , a a s t i e r , s b i s o t t o ，e ta 1 f i r s td e m o n s t r a t i o no f 2 5i n np r c hu n c o o l e da m o r p h o u s s i l i c o nm i c r o b o l o m e t e ri r f p aa tl e t i - l i r j p r o c o fs p i e ，2 0 0 5 ，5 7 8 3 ：4 3 2 - 4 4 0 【1 9 】c t r o u i l l e a u , a c r a s t e s ，o l a g r a s ，e aa 1 3 5t t mp i t c ha tu l i sab r e a k t h r o u g h j ，p r o c o f s p i e ，2 0 0 5 ，5 7 8 3 ：5 7 8 5 8 5 【2 0 a n t o n ir o g a l s k i i n f r a r e dd e t e c t o r s ：a l lo v e r v i e w j i n f r a r e dp h y s i c sa n dt e c h n o l o g y , 2 0 0 2 ， 4 3 ：1 8 7 2 l o 【2 1 】h t t p ：p o p 8 6 b l o g s o h u c o m 8 0 1 2 2 1 2 7 h t m l 【2 2 】黄宗升，泰石乔，王省书雷神公司的非制冷焦平面阵列的特性参数分析【j 】红外技 术，2 0 0 4 ，2 6 ( 3 ) ：1 5 1 8 7 n * 徽删鞘射热* o h 优* * _ 制备 第二章红外微测辐射热计结构优化设计 微测辐射热i t 的工作原理是将所吸收红外辐射转换为热量，引起探测区温度 升高，使得热敏材料的电阻改变，产生相应的电学信号输出，还原成图像信息。 本文中，微桥式微洲辐射热计器件结构模型如图20 所示。器件所用的红外辐射 吸收材料为氮化硅( s i n x ) ，热敏材料为氧化钒( v o ，) ，电互联材料为n i c r 含 余，反射层材料为a l 。器件通过s i n 。吸收红外辐射，引起桥面s i n , v o ，s i n ， 多层薄膜温度升高，使得v o 。薄膜电阻降低，若通过n i c r 引线给器件施加偏置 电压，就可以产生相应的电压信号输出。p = i 此，微桥式结构一方面利用a l 薄膜 对红外辐射的高反射特性，提高器件的红外吸收率：另一方面，利用s i n 。支撑 臂使得探测区悬浮丁村底之上器件所吸收的辐射能只能通过支撑臂缓慢流向衬 底，从而大大提高器件响应度i ”。 s i n 。的红外吸收率愈高，v o ；的电阻温度系数越大，器件的响应度就越强。 但是吸收层所吸收的热量会通过热传导从吸收区流向衬底或周围环境，降低器件 的红外响应度。因此，合理地优化材料特性和结构设计，提高器件的红外吸收率、 减小器件热导是提高器件探钡0 性能的主要途径。 微测辐射热汁器件结构优化设计需要考虑到光学、热传导、电子学和结构 力学等多方而囡素，本章以光学导纳矩阵为理论基础，采用“从头算”的方式对 器件红外光学特性进行了详细的计算；采用a n s y s 有限元模拟软件对器件的热 学、微机械特忖! 进行仿真，定量分析桥臂结构、引线材料对器件温升及桥面形变 的影响；最后，通过k r u s e t 2 1 提出的微测辐射热计器件模型，并结合黄宗升等人 1 3 1 的计算结果，对器件电学特性进行定性分析，讨沧影响器件性能的电学参数。 图2 0 微桥式微测辐射热计 第- 二章红外微测辐射热汁结构优化设计 2 1 器件红外光学设计 微测辐射热计对红外辐射的吸收主要是在桥面区域( s i n x v o x s i n x ) 完成 的。虽然悬臂部分( 三明治结构：s i n x n i c r s i n 。) 顶层s i n 。也有红外吸收，但 是通常其面积较小且厚度仅为1 0 0l q m 左右，所吸收的辐射能可以忽略不计。红 外辐射照射到桥面，相继在s i n x v o x s i n x a i r a l 介质膜中经过反射、透射和吸 收，因此形成一个多层的光学薄膜系统，简称膜系。光学中早已发展出成熟的针 对各种膜系的计算方法来计算膜系的透射、反射和吸收等性质。膜系中各膜层的 光学常数和厚度将直接影响整个膜系的性质。为了定量计算微测辐射热计多层薄 膜体系的红外吸收率，优化器件结构，本文采用光学导纳矩阵法计算膜系在不同 红外辐射波长下的特征矩阵，求得8 - - - 1 4l x m 大气窗口内膜系的吸收率，通过模 拟得出优化后的器件结构参数设计方案。 2 1 1 吸收介质中的电磁波理论 由经典电动力学理论可知，当传输介质对光波存在吸收时，光波在介质中的 电矢量和磁矢量的表达式分别为【4 ，5 】： e ：e oe x p ( 一堕) e x p 【f 彩o 一竺) 】( 2 1 ) cc h ：h oe x p ( 一兰坚) e x p 【f 缈( 卜竺) 】 ( 2 2 ) cc 上式表明，电磁波在吸收介质中是一个衰减波，消光系数k 是表征光波能量衰减 的参量，1 1 为介质的折射率。 因此吸收薄膜的复折射率可以定义为： n = 玎+ k ( 2 3 ) 由于光波的能流密度正比于电矢量和磁矢量振幅的乘积，因而在吸收介质中 其强度按e x p ( 一丝塑) 衰减。当波传播到x ：c 2 k 彩的距离时，其强度减小到原来 c 的1 e ，定义为薄膜的吸收长度。 薄膜的吸收系数为吸收长度的倒数【5 】： 口：! ：丝：攀( 2 4 ) 口= 一= 一= 一 i z 斗i xc以 一方面，薄膜的吸收系数可以通过测量薄膜的吸收光谱得以确定，因此利用 9 红外微测辐射热计结构优化 垃计j 制备 式2 4 可以间接确定消光系数k ；另一方面，根据k r a m e r s k r o n i g 关烈6 1 可以得 到n 和口的关系： 刀c 国，一- = 吾p f ：芋争缈 c 2 5 ， 式中p 代表主值积分，结合式3 4 、3 5 可得： 咖p 1 + 孑2p f o ( 2 6 ) 式中v 是波数，定义为v = ，单位是c m 。 通过测量薄膜的红外吸收谱得到不同波长下的吸收系数口，就可以确定薄膜 的复折射率，从而得到薄膜在特定波段内的光学性质。本文将通过各层薄膜的傅 立叶红外吸收谱( f t i r ) 来确定薄膜的光学常数，继而对器件的红外吸收特性 做出定量分析。 2 1 2v o ；、s i n ，、a i 薄膜的复折射率 1 氧化钒薄膜的复折射率 为了获得v o 。薄膜的确切光学常数，本文在n _ s i