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中北大学学位论文 p z i 晶片敏感元分析及性能实验 摘要 在红外探测技术飞速发展帮广泛应用的今天，红外敏感元的研究具有重大的实用价 值和巨大的经济效益。本文主要研究的p z t ( 锆钛酸铅) 晶片敏感元就是红外敏感元的一 种。 本文推导了p z t 晶靖敏感元的理论模型，迸面分析了p z t 晶片的厚度、宽度以及吸 收层的面积对p z t 敏感元输出的影响，并且将标准器件参数代入理论公式验证了理论推 导的正确性。通过p z t 晶片敏感元的分析( 其中包括组分，表面形貌，结构，封装集成 等 进而指导实际的铡作加工。通过p z t 品片敏感元的热释电系数测试方法的分析，进 而采用动念测试系统对p z t 晶片敏感元的性能进行了测试，发现p z t 晶片敏感元的响应 输出与光波的调制频率有关，是一个带通信号，其主要影响因素分别是高频和低频噪声。 最后，设计和分析了p z t 晶片敏感元在气体检测中的应用。 关键词：p z t ；热释电；晶片敏感元；动态测试； 中北大学学位论文 p z t c h i ps e n s i t i v ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p r i m e n t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dw i d ea p p l i c a t i o no ft h ei n f r a r e dd e t e c t i o nt e c h n o l o g y t o d a y , s t u d yo nt h ei n f r a r e d s e n s i t i v ed e m e n ti so fg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n dg r e a te c o n o m i c b e n e f i t s t h ep z t ( l e a dz i r c o n a t et i t a n a t e ) c h i ps e n s i t i v ee l e m e n tr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r i so n eo f t h ei n f r a r e d - s e n s i t i v ed e m e n t s t h et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h ep z t c h i ps e n s i t i v ee l e m e n ti sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r , a n d t h ei n f l u e n c eo ft h ep 2 x c h i pt h i c k n e s s ，w i d t ha n dt h ea b s o r p t i o na r e ao nt h eo u t p u to f p z t s e n s i t i v ee l e m e n ti sa n a l y z e d t h es t a n d a r dd e v i c e s p a r a m e t e r sa r et a l c e l li n t ot h et h e o r e t i c a l f o r m u l at ov a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a lc o n d u c t i o n t h ea c t u a lm a n u f a c t u r i n g p r o c e s si sg u i d e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so fp z tc h i ps e n s i t i v ee l e m e n t ( i n c l u d i n gc o m p o s i t i o n , s u r f a c em o r p h o l o g y , s t r u c t u r e , p a c k a g i n ga n di n t e g r a t i o n ) t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h et e s t i n g m e t h o do ft h ep y r o e l e c t r i cc o e f f i c i e n t so ft h ep z tc h i ps e n s i t i v ee l e m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ec h i po fp z ts e n s i t i v ed e m e n ti sm e a s u r e db yu s i n gt h ed y n a m i ct e s t i n gs y s t e m ，a n dt h e o u t p u to ft h ep z tc h i ps e n s i t i v ee l e m e n ti sb a n d - p a s ss i g n a l sa n di sa f f e c t e db ym o d u l a t i n g f r e q u e n c y , w h i c hi sm a i n l yi n f l u e n c e db yt h eh i g h f r e q u e n c ya n dl o wf r e q u e n c yn o i s e f i n a l l y , t h ea p p l i c a t i o no ft h ep z tc h i ps e n s i t i v ed e m e n to nt h ed e t e c t i o no fg a si sd e s i g n e d a n da n a l y z e d k e yw o r d s ：p z t ；p y r o e l e c t r i c ；c h i ps e n s i t i v ee l e m e n t ；d y n a m i ct e s t i n g ； 原剑性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 牟之捌竭 日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包 括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件； 学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为目的，复 制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容 ( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 名：一一葚乏f 坞 日期：竺塑。! 士ll 置 导师签名： 中北大学学位论文 第一章绪论 红外辐射蕴含了十分丰富的客观信息，红外辐射的探测一直以来就是入们关注的热 点之一。红外辐射探测器的应用也已从最初的军事应用逐渐扩展到现在的工业测控、医 疗检测、防火防灾等各种领域。红外探测器的工作原理是以红外辐射与敏感材料的相互 作用产生的各种效应为基础进行工作的。敏感单元的某些物理量，如尺寸大小、温度、电 阻等会随着红外辐射强度的不同而发生相应的变化，根据这些物理量的变化就可以对红 外辐射进行探测l 。 红外辐照某些物体时会发生热效应，如温度升高、体积膨胀等等。因此可利用红外 辐射的热效应，根据物体温度或体积的变化，度量红外辐射的强弱。红外辐照另一些物 体时还会发生所谓“光电效应”，弓| 起物体的电学性质的改变。因而也霹利朋红外辐射 的光电效应根据物质电学性质的变化度量红外辐射的强弱。红外辐射还有其他一些效应 也可用来度量红外辐射的强弱。不管是利用哪一种效应，凡是能把红外辐射量转变成另 一种便于测量的物理量的器件，就叫做“红外探测器 。从测量技术来看，把红外辐射 量转变成电量最方便，也最精确。事实上即使是利用热效应的红外探测器，通常总是设 法把温度或体积的改变转变成电量的改变。因而一般的红外探测器总是把红外辐射转变 成电量闭。 1 1p z t 晶片敏感元探测理论 p z t 晶片敏感元是热释电红舞传感器的敏感部件，它是剩震铁电材料的热释电效应， 即极化强度p 随温度的变化来探测红外辐射能量的，与热敏电阻型、热电偶和热电堆型 等其它热探测器相比，热释电红外传感器的信号正比于敏感元温升随时间的变化率，而 不像其它热探测器那样需要有一热乎衡过程，因此热释电红外传感器的响应速度比其它 热探测器快的多( 毫微秒级) 。另一方面，热释电红外传感器不仅成像技术容易还与半导 体集成技术相容，由于灵敏度高、没有量子效应的限制、可以工作在全部光学和红外波 段等特点，受至l 了各方西的极大重视。 热释电效应是通过所谓的热电材料实现的( 如p z t 晶片) 。热电材料是一种电介质， 中北大学学位论文 是绝缘体。它是一种结晶对称性很差的压电晶体，因而在常温下具有自发电极纯( 即固 有电偶极矩) 。由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量p 。的材料表面上出现面束缚电荷， 面电荷密度吼= 臃| 。豳于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的热并不大。再 加上材料表面附近分布的外部自由电荷的中和作用，通常觉察不出有面电荷存在。如果 对热电体施加直流电场，自发极化矢量将趋于一致排列( 形成单畴极化) ，总的n 加大。 当电场去掉后，如果总的p 。仍能保持下去，这种热电体有时便称为热电铁电体。它是 实现热释电现象的理想材料。 热电体的b | 决定了面电荷密度的大小。豢热发生变化时，面电荷密度也跟着变 化。经过单畴化的热电体，保持有较大的i 以l 。这个b l 值是温度的函数，如图1 1 所示。 温度升高，l p 一减小。升高到乙值时，自发极化突然消失，鼍称为居里温度。在温 度以下，才有热释电现象。当强度变化的光照射热电体时，热电体的温度发生变化，n 亦发生变化，面电荷从原来的平衡值跟着发生变化。十分重要的是，热释电体表面附近 的自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在l 1 0 0 0 s 量级。好的热电体这个过程 很慢。在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就 是热释电现象。如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接， 就会有电流流过电流表，这个电流称为短路热释电流。如果极板面积为a ，则电流为 i ：爿盟：么盟塑：么一d t ( 1 1 ) d t d rm 。 m 式中，夕= d p a r ，称为热释电系数。很显然，如果照射光是恒定的，那么t 为恒 定值，p 。亦为恒定值，电流为零。所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。 2 中北大学学位论文 黝： 磁 簪s 图1 1 热释电效应 为了求出热释电传感器电流响应r 和比探测率_ d 需要根据热释电响应单元的热状 态，求出其热平衡方程。热释电传感器理论分析最早采用p u t l e ，i 】总结的类似测辐射热计 理论的集总参数模型，这种模型忽略了沿热释电响应单元厚度方向和表面方向的热扩散， 只适合于“理想 的红外传感器。后来发展了用分布参数求解热平衡方程的理论，z e a l 等 用热释电响应单元厚度方向的一维热扩散模型分析了带有衬底的热释电探测器的响应 率，l o g a n 等用热释电响应单元平面径向一维横向热扩散模型分析了圆形悬空器件的响 应率和温度噪声，中科院上海技术物理所【2 】也用类似的方法分析了圆形悬空热释电敏感 单元的温度分布，用振荡电路中电流涨落的统计理论推导了适用于热释电材料的由介电 损耗引起的热噪声公式。根据分布参数求解热释电响应单元热平衡方程的结果，可方便求 出热释电传感器电流响应率r f 和比探测率d 吖3 】 d ： r ：里 c d r l ( 1 2 ) ( 1 3 ) 式中：r l 为红外窗口材料透射比，c 为热释电材料的定容比热，d 为热释电薄膜厚 度，为真空电容率，为入射辐射热流调制频率，k 为玻尔兹曼常数，0 为响应单元温 度，g 为热传导系数，m 为热释电探测率优值。式( 1 2 ) 表明，电流响应率足与厚度d 成反比 关系，厚度越薄，电流响应率越高；式( 1 3 ) 表明，传感器的比探测率d 与厚度d 的平方根成 反比关系，厚度越薄，比探测率越高。所以，当热释电材料选定后，减薄响应单元厚度是提高 传感器性能参数的关键，制备热释电薄膜就成t s u 备高性能器件的关键，这就是世界范围 3 中北大学学位论文 内许多学者努力研究热释电薄膜。 基于p z t 热释电红外传感器最早是采用p z t 晶体研制的，p z t 晶体薄片可以制作传感器 的响应单元，为了提高器件比探测率和电流响应率，从式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 可知，必须减薄 p z t 响应单元的厚度，所以早期器件一直把减薄p z i 响应单元厚度作为第一研究目标。机械 抛光技术首先用于这一目标，目前机械抛光能制备出最薄为1 5 2 0 t m 的p z t 晶体薄片。 但是机械抛光造成晶体薄片表面损伤会使热释电传感器的损耗角正切比材料本身固有 的损耗角大得多，而且机械抛光晶体薄片的横向热传导过大会使热电耦合损耗增大。中科 院上海技术物理研究所在机械抛光基础上发展了一种制备低损耗晶体薄片的化学腐蚀 工艺，制备得到约为6 - - - 7 1 t m 厚度的晶体薄片，并且其表面形成了有规则的网格状沟道，有 利于降低传感器的横向导热和热电耦合损耗，有效避免了表面机械损伤层对器件的影响， 器件的等效噪声功率n e p 达到1 1 1 0 一ow h z v2 比探测率达到8 1 0 8 c m h z 形。德 国n o r k u s t ”1 1 1 4 】认为机械抛光后，最能有效减薄p z t 响应单元厚度的方法就是离子刻蚀法 ( i b e ) 或反应离子刻蚀法( r i b e ) ，而且用r i b e 法和i b e 法制备的响应单元厚度最小分 别达到1 0 # m 和舡所。但是r i b e f l ；i j 备的p z t 晶体薄片表面始终存在残留刻痕，晶片越薄，相 对表面粗糙度就越大，得到的红外传感器的电性能也就越差。n o r k u s 3 】采用在r i b e 工艺 气氛中加入少量氧气的方法，部分解决了p z t 晶体表面残留刻痕问题，器件的比探测率达 到8 1 0 8 c m h z l 2 形。然而，彻底解决p z t 晶体薄片机械抛光刻痕问题，就不能走p z t 晶体 薄片制备热释电响应单元的老路，而应改为直接采用p z t 薄膜制备传感器的响应单元。美 国加州大学洛杉矶分校的c h e n 4 5 】等用溶胶凝胶工艺制备出热释电p z t 薄膜敏感单元，其 最小厚度达到1 o n ，测得器件等效噪声功率为3 5 l 1 0 - 8r v m 2 ，器件比探测率为 2 4 2 1 0 6 c m 勉v 2 w ，中国台湾中山大学陈英忠【6 】等也采用溶胶凝胶法制备f l j o z r 薄 膜红外传感器的响应单元厚度约为0 5 o n ，电压响应达到8 3 9 8 ，器件比探测率为 1 1 1 0 8 c m h z l 2 形。电子科技大学也用溶胶一凝胶法制备得n o 5 , t u n 左右的p z t 薄膜红 外传感器响应单元，电压响应达至1 j 9 6 8 5v w ，器件比探测率为6 1 2 1 0 8 c m h z l 2 形。 但是，总体上讲，p z t 薄膜红外传感器的性能还没有超过p z t 晶体红外器性能，从研究 4 中北大学学位论文 态势可以看如，热释电材料的厚度和均匀性等因素对传感器的性能有着非常重要的影 响。 1 2 铁电体、热释电体、压电体和介电体及其之间的关系 图1 2 电介质材料_ = 己阉的关系 某些晶体在一定的温度范围内具有自发极化，而且其自发极化方向可以因外电场而 反向，晶体的这种特性酃称为铁电性。具有铁电性的晶体成为铁电体，是因为它与铁磁 体在许多物理性质上具有一对应之处( 电滞回线对应磁滞回线，电畴对应磁畴，铁电一 顺电相变对应铁磁一顺磁相变，电矩对应磁矩等) 。铁电体的介电性能随温度变化的关 系呈现异常特性，在屠肇温度时，其介电常数呈现极大值，超过屠墨湿度时，其介电常 数随温度的变化遵循居里一外斯定律。 在3 2 种点群的晶体中，有2 1 种点群的晶体不是中心对称的，在这些无对称的晶体 中，有2 0 种点群的晶体可毙具有压泡性，属于压电晶体，称为压电体。面在压电晶体 中，又有1 0 种点群的晶体具有唯一的单向极轴，即存在自发性，可能具有热释电性， 属于热释电体。在这些热释电晶体中，有些晶体的自发极化方向能随外电场方向转化， 如上所述，这类晶体帮称为铁电体。所以具有铁电性的晶体，必然具有热释电性和压电 性，具有热释电性的晶体，必然具有压电性，但是却不一定具有铁电性。压电晶体、热 释电晶体、铁电晶体都属于介电晶体。换句话说，介电体包含着压电体，压电体包含着 热释电体，褥热释电体包含着铁电体。铁电体不但具有铁电性，也具有热释电性、压电 性和介电性。 5 中北大学学位论文 具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，产生热释电效应，因而称为热释电 晶体。如果热释电晶体中的p ，按同一方向排列，则沿垂直于尸方向将晶体切成薄片，并且 在两表面淀积金属电极时，随着薄片温度的变化，两电极间就出现了一个与温度变化速率 d r a t 成正比的电压：热释电效应的应用大体可分为两大类。一类是在物理学基础研究中 的应用，如确定晶体的非中心对称结构和相变温度，确定晶体中原子( 或离子) 的相对位移 等；另一类是在探测器方面的应用。利用热释电晶片制作探测器的主要原理是：当热释电 晶体受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小的变化，由此引起晶体极化状态的变化，从 而使垂直于自发极化轴方向的晶体单位表面上的电荷( 即只值) 发生变化。如果温度对时 间的改变率为a t d t ，则只对时间的变化率c d l , d t ) 相当于外电路上的电流。 1 3p z t 晶片敏感元探测器的国内外应用现状 p z t 晶片敏感元探测器，是8 0 年代伴随半导体材料兴起的一门前沿高科技产品，近 2 0 多年已经由军事用途过渡到各个领域，目前我国市场普遍应用于：入侵报警、自动开 关、电梯电子感应门、自动感应灯、非接触远红外测温仪等，应用领域非常宽广。1 9 8 5 年上海和同本合作第一个引进了热释电传感器技术，5 年以后成为上海高科技先进企业 和出口创汇大户，当时注册资本只有3 2 0 万人民币。目前总投资1 3 亿左右，拥有数十 亿资产。其主要产品就是热释电传感器。其产品出口占8 0 以上，国内市场基本上是垄 断经营。 国际上生产热释电传感器的生产商也是屈指可数，其中有同本的“尼赛拉”( 生产 基地是上海尼赛拉传感器有限公司) 、德国“海曼”两大公司分享全世界的市场份额。 热释电传感器进入民用电器产品以后，在温州一上海一带，以柳市为中心以生产红 外线自动开关、电子感应灯、红外线报警器等小产品的小工厂星罗棋布，由于这类小产 品容易损坏，使用寿命相对比较短，所以热释电传感器的国内市场前景非常可观。 由于我国的红外线自动丌关、红外线报警、红外线感应灯的应用程度远远不如欧州、 亚洲地区其他国家和美洲，更大的市场在国外。 热释电传感器的特点是： 它虽然在某一个产品或者设备中只是一个小小的元器件，但是应用它的产品和 6 中北大学学位论文 设备是非常的广泛； 世界上只有德国海曼和日本尼赛拉，德国海曼是老牌子，尼赛拉是1 9 8 5 年末成 立的，9 0 年在国际市场上已经可以大显身手了，抢占国内外市场份额的同行对手不多； 生产周期短，见效快，基础投资小，有逐步发展，逐步投资的特点。没有强制 性行业管理，只需要制定自己的企业标准； 由予传感器属于高科技产品，传感器的性熊指标决定了产品和设备的功能，面 不是产品和设备要求传感器达到什么指标( 如果要求传感器达到什么特殊指标属于科研 项目) ，产晶的设计是根据传感器的指标来设计的。每一个新的传感器面世，必然会出 现一系歹| 新熊产品，当然，传感器必然是根据市场的需要而不断地推陈出新。 1 4 研究背景 在气体运输中，般以液氯、液氨、醇类、苯类、石油、柴油、煤油、冰醋酸、酮 类、烯、烃等主要化工原料居多，而这些物质大都具易挥发，有毒性，易爆等特点，一 旦泄露环境污染问题严重，对人类的危害极大。为了有毒有害气体的安全存储和运输， 国家在多方面进行了投入，取得了一些突破性的成采。现在总体上中国的化学气体储运 安全技术保障体系已经基本形成，但储运过程中气体泄露事故仍然时有发生。许多泄露 事故未能及时监测到，有时监测到了又不能及时得到处理。因此，越来越引起人们的关 注。 提高对有害气体的检测能力是解决问题的基础。在国外，发达国家对有毒有害化学 气体探测器的研究和应用方面起步较早，其传感器检测精度高但价格昂贵。囡内有毒有 害化学气体探测器的研究现在也取褥了一定的成果，但总体来说差距较大，普遍缺点有 测量精度低、寿命短，体积大。针对化学气体在汽车、船舶、铁路等运输过程的特殊情 况，我们需要的不仅仅是一种能够准确测量气体泄露源和泄露浓度的高精度气体探测 器，还需能够适应被测气体浓度高，高温，高冲击等恶劣条件具有防爆、防尘、防振功 能的探测器，从而提高气体储运过程的安全性，方便预警，为事故遇险人员提供生命保 障。 基予以上特征，研制m e m s 红外气体浓度探测器来对气体运输中常见的化工原料 进行检测，具有现实意义。微电机械系统( m e m s ) 技术可研制低成本、高效率的红外 、。 中北大学学位论文 发光和红外探测器，根据气体对红外的吸收特征波长，利用微型集成技术可将微型红外 发光、气室、窄带滤波片、红外探测集成为一体，实现在恶劣环境下对气体的准确探测。 在国外，发达国家对气体在线检测仪器研究和应用方面较早，现已研制出的基于光 干涉原理、热催化原理、热导原理的传感器都在气体检测中起到了推动作用，如德国的 德尔格集团公司，在气体检测仪方面已经有几十年的历史，已经有许多成熟的气体检测 产品和人员救护设备出售，美国、英国、日本等国家在m e m s 气体检测传感器的研制领 域也处于世界领先地位，已经生产出大量的气体检测仪。这些传感器大多数或人工手持 或固定安置于工作场所。而国内目前生产的最常见、使用最广泛的检测仪大都采用国外 研制的气体传感器，且多为电化学传感器，它利用氧化还原反应，通过不同的电解质来 检测气体，工作一段时间吸入一些杂质气体后，尤其是在被测气体浓度高的环境下，传 感器中的电解质损耗就会有一部分对被测气体变得不敏感，称为“中毒”，这样传感器 就会出现很大的误差，为了尽量减少这种情况的发生，在使用过程中需要标准气样定期 人为校准，这是非常不方便的。 红外气体探测器是根据气体对红外线吸收原理制成的一种物理式分析仪器。通常看 来，红外线分析器能连续测量，且测量范围宽，精度高，灵敏度高，并有良好的选择性。 以往的红外气体分析仪体积大，重量大，不便携带，而且价格高。早期由于器件的限制， 例如为了达到较高的精度，传感器本身需要大的气室，无法实现小型化，目前随着光学 m e m s 技术的发展，特别是新型半导体器件( 红外l e d 、红外探测器) 和微光学器件( m e m s 光栅，m e m s 红外热敏探测器) 的出现，红外光学气体检测系统的小型化已成为可能。 红外气体传感器是最近几年国内外研究的热点，国外已经研制出一些较实用的产 品，国内对红外气体传感器的研制也投入了大量的人力和物力。采用红外光学检测原理 主要有以下优点：， 检测精度高、量程大、可靠性高、使用寿命长，达到1 0 年以上。 传感器具有高灵敏度，高稳定性，高重复性能。 体积小、重量轻、便于携带。 有利于防潮湿、抗冲击、防粉尘。 不会因催化剂中毒，而丧失敏感性。 不会因接触高浓度气体而烧坏。 8 中北大学学位论文 只要保持零点就可以确保获得良好的响应和跨距精度，不需定期校正。 可用于长期连续监测气体流。 通过研究红外光学主动式气体检测方法和技术，采用先进的m e m s i 艺、微集成技 术，集成三探测敏感元件于一体，以及采用先进的材料加工的新型的微红外聚光气室结 构，研制出新型的高稳定性，高精度，商重复性的m e m s 红外传感器，实现高浓度的c h 4 、 c 0 2 气体探测，适合于特殊工矿场合、输气管道探测、火灾现场危害气体的探测。 此气体探测器，根据被测气体对红外的吸收的特征波长，利用微型集成技术，将微 型红外发光、气室、窄带滤波片、红外探测集成为一体，实现低功耗下对乙烯、二甲醚、 甲基肼气体的探测。涉及的主要研究内容有如下几点： 、 采用m e m s 制造与集成技术，研究基于红外吸收原理的高灵敏度宽量程乙烯、 二甲醚、甲基肼气体传感器。 运用基于参比光国校准检测原理，研究高稳定性m e m s 红外气体检测技术。 温度补偿技术。 传感器信号预处理电路微集成技术。 微集成鲤箨传感器的封装技术。 其中有一项关键技术是高灵敏度的m e 黼红外探头，就是本论文的主要研究任务。 。5 课题研究内容及主要王l 乍 本课题是国家8 6 3 项目“易燃易爆气体( 乙烯、二甲醚) 泄露检测传感器”与“肼类 泄露检测传感器”的一个研究重点。图1 3 是国家8 6 3 项目的总体技术路线，可以看出 红外热释电敏感元件酶研究是一个比较重要的研究部分。 9 中北大学学位论文 图1 3 总体技术路线 本人研究生期间的主要工作是： p z t 晶片敏感元的理论模型分析； p z t 晶片敏感元的分析和设计； p z t 晶片敏感元性能的测试； p z t 晶片敏感元在气体检测中的应用。 通过p z t 晶片敏感元的理论模型分析确定了制作p z t 晶片敏感元的厚度和宽度。在 对p z t 晶片敏感元的分析的基础上，进行了制作加工。然后，通过p z t 晶片敏感元性能 的测试验证了p z t 敏感元的输出响应与光波调制频率之间的关系。最后，设计了p z t 晶 片敏感元在气体检测中的应用。 1 0 中北大学学位论文 第二章p z t 敏感元模型分析 本章主要是对热传导理论进行推导并建立二维热效应模型，并采用标准器件参数对 所建模型加以验证。然后，对其中比较关键的尺寸( 晶片的厚度、宽度、吸收层的宽度) 进行了详细分析并画出其变动趋势。最后，确定出在加工制作中应该采用的尺寸。 2 1 一维热传导理论和热释电响应 要知道晶片的热释电响应，需要知道在受到热辐射时，晶片内热流传导和晶片内的 温升分布情况。对晶片敏感元来说，假设厚度与横向尺寸相比极小，可以忽略横向热扩 散，同时假设辐射以平面波形式均匀入射，相关问题就变为求解一维热传导方程问题。 一维热传导方程认为，晶片内的热流方程可用下式表示【6 】： 詈= 尼害 亿d 8 t a 、。 七：一k ( 2 2 ) p c 其中，秒为温度，f 为时间，x 为距离，k 为热扩散系数，k 为热导率，尸为材料密 度，c 为质量比热，胪也称为体积比热。 正弦调制下，方程( 2 1 ) 的解可写成稳态的通解 口= 吼- i - t e x p ( i w o t ) ( 2 3 ) 由于晶片敏感元只对温度变化率有响应，上式中的岛为一常数，不予考虑。只考虑 t e x p ( i w o t ) 项，则有： t e x p ( i w o t ) = me x p ( w x ) + ne x p ( 一w x ) e x p ( i w o t ) = ac o s h ( w x ) + bs i n h ( w x ) e x p ( i w o t )( 2 4 ) 中北大学学位论文 w 划埘( 尝) j 其中乇为虚数单位，k 为各介质层热扩散系数。 ( 2 5 ) 这样，如果能求得晶片敏感元内的热流情况或温升分布，则有可能求得热释电响应。 2 2 一维热传导理论在简单敏感元模型中的应用 1 9 5 6 年a g c h y n o w e t h 7 提f l 了动态法( d y n a m i cm e t h o d ) 测试热释电效应。1 9 7 0 年h b l a c k b u r n l 8 1 等首先分析了单层敏感元的温度分布与热释电响应。1 9 7 2 年 b r h o l e m a n 在此基础上讨论单层敏感元模型的各种情况和双层敏感元模型的热沉边界 条件。第二年，a v a nd e rz i e l 讨论了双层敏感元的绝热边界。 黑化层j 、i _ u ， 热释电层 衬底 t oe x p ( i w o t ) x = a z = 0 图2 1 三层敏感兀结构 在一维热传导理论的基础上，三层敏感元各层内的温度分布，按照独立的坐标x z 和下标1 ，2 ，3 可表示为 丁( 功= ac o s h ( w l x ) + b s i n h ( w i x ) 丁( j ，) = c c o s h ( w 2 y ) + d s i n h ( w 2 y ) r ( z ) = ec o s h ( w 3 z ) + fs i n h ( w 3 z ) ( 2 6 ) 式中的爿、b 、c 、d 、e 、f 分别是与各介质敏感元有关的系数。 根据边界条件，在边界上温度连续与热流连续 1 2 中北大学学位论文 毛掣卜屯百a t ( y ) f y 曲 如掣卜毛警：。 r ( x ) l 舻。= 丁( y ) l 垆6 ( 2 7 ) 黑讫层表面根据热交换，磊e x p ( i w o t ) 为热源的湿度变化 七。罢k n ( r o d( 2 8 ) 在z = 0 处，通常用两种边界，二种是严格的绝热，没有热量的流动；另一种是热 沉，所有的热量皆散失而不引起表面的温度。可分别用下式表示 i t ( z ) ：o ；a l r ，( z ) 膨i 。：o ( 2 9 ) o z 联立( 2 6 ) 和( 2 9 ) 方程组，可以确定a ，b ，c ，d ，e ，f 等系数，从而得到 了髯犀铺戚- 一v , 内的、漏彦蛮化 2 。3 二维模型的热扩散方程及其躲 物理模型的建立 热释电器件是出吸收层，热释电晶体和两个电极构成，晶片的四周用一陶瓷支架所 支撑，这是一种悬空结构。对于物理实体，我们可以简化为图2 2 所示的物理模型f 9 1 0 】： 把吸收层等效于一个开豳为2 c 的热通道。调制辐射从这里射人：热释电晶体内晶片的厚 度为d ，宽度为2 a ；假设吸收层以外的材料不接受辐射，电极以及吸收层的热损耗也不考 虑：我们取横向传热方向为x 轴，取纵向传热方向为y 轴。 jy 2 c ji 矗 1r ? 1 3 中北大学学位论文 图2 2 器件的二维等效物理模型 c 一吸收层半宽度；a 一晶体片半宽度；d 一晶片厚度 热平衡方程 根据上述物理模型，可以列出二维热扩散方程及其边界条件如下( 假设 a t ( x ，少，f ) = u ( x ，y ，f ) ) 1 a a t ( x 广, y , t ) “2 笔学+ 笔铲y 研 l a 2 xa 2 i u x i 。一。= o ，“，l = o ( 2 1 “y l ，；。，后”y l y ；d = r w ( t ) , i l 苎；c 其中口：土，j | 是热导率，c ，是体积比热；刁是吸收系数； w ( t ) = w o e m( 2 1 1 ) 这里有两点要求： ( 1 ) 当考虑背景时，其晶片接收到的功率是w ( f ) = w o ( 1 + e m ) ， 但是真j 下引起晶片温度变化的是p 朋一项。因此我们只取川) = w o p 朋形式。( 2 ) 关 - = a t = t - t o ，其中丁是加信号的温度，瓦是背景温度。i 欤t a t 是有信号时的温度相对 于背景温度之差。这个温度差是随调制信号而变化的。 求解方程及响应度采用分离变量法求解此方程： 设 a t ( x ，y ，f ) = u ( x ，y ，t ) = x ( x ) 】，( y ) 丁o ) 将( 2 1 2 ) 代入( 2 1 0 ) 式中，解出方程的解： 石( x ) = c c o s k l x + d s i n k i x y ( y ) = e c h k 2 y + f s h k 2 y r ( f ) = a e 肭 其中 1 4 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 中北大学学位论文 从解的形式看和前面的一维解的形式是统一的。 根据边界条件可得： x 分量为： x ( 功= c c o s 包x + d s i l l 向x ；x ，l ，：。= 0 ，t i = 0 ，y 分量为： y ( y ) = e c h k 2 y + f s h k 2 y ；r , i y - - o = 0 求解出方程： 知： ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ”：瓦c h k 2 0 y e 朋+ 善差兰磊兰嘉s n 口r 私觥：。声埘q 7 ， 求解平均值： 热释电流为： 丽丽= 石= 瓦l d ，s 。一2 e r l w o 历弦朋撕 + 击礁蒜如螂等二朋蚴亿坳 ：器y w c a d 上c d 茎一j w c n v鲁 。 v 2 万2 对于标准器件的一般实验数据是： f ：么五d a t d t ( 2 1 9 ) e = 2 5 j c m 。3 - 1d = l o a n ，a = 0 2 c m ，c = o 1 c m ，r l = 1 把这些数据代入上式计算后可 l5 ( 2 2 0 ) 一7 弓； 一 。稍 旦础 分 旦删 中北大学学位论文 因此第二项可以忽略不计，则： 屯= a 22 r w 。，ce 朋 ( 2 2 1 ) c 。a d 由此司以算出： 墨：罂一c( 2 2 2 ) c ，d a 。 r r = 意 口c ，氏绷厦 。 利用器件的有关参数，可以计算出电流相应度r 和电压相应度b 的理论值。已知 和测得：，7 = 1 ，名= 3x1 0 - 3 ( c ，c m - i ，k 一1 )，a = 0 8 r a m 2 ，占= 3 0 ，a ：0 2 c m ，c ：0 0 6 c m ， f = 1 2 h z 。把数据代入。可以计算出电压，电流的相应度是( 光敏面是。) ： ir ，= 4 0 1 0 吖形 i r ；= 0 7 1 0 。彳 当上述的其他数据不变，只是c = o 1 c m 时( 光敏面是，) 电压，电流的响应度是： r = 1 8 5 1 0 3 吖形 【r i = 1 3 x 1 0 3a w 标准传感器资料上的值为： 光敏面为1 ，即c = o 0 6 c m时r 。= 4 5x1 0 3z w 光敏面是2 ，即c = o 1 c m时r v = 2 0 x1 0 3v w 从上面的理论值和传感器资料上标准值对比可以看出理论值和标准值是在同一个 数量级，所以可以用上述公式对红外敏感元昀各个尺寸进行一个基本判断。 2 4 仿真曲线 以公式( 2 2 2 ) ，( 2 2 3 ) 为依据以p z t 晶片的的宽度、厚度、吸收层的宽度为变量所画 以下曲线图。 1 6 中北大学学位论文 殇嬲彩缀绉彩镌黪缓嬲锄鳜荔猫翻i 龋槲舞洌髟势绣篪缀多黝磊；爱荔餮| | 羹翅缫熬露雾影 i 七 l；i ir r ； j 矗爨霭“；黪? i 毒鼍笺。i 零移毽巍ii 蛩亳，。鳃一? 璧影? j 嗡一。j 图2 3 晶片半宽与热释电电流的关系 幽2 4 吸收层半宽与热释电电流的关系 图2 3 可以看出热释电电流随晶片宽度的增加而急剧减小。图2 4 可以看出热释电电 流随吸收层宽度的增加而增大。 一 0 图2 5 晶片厚度与热释电电流的关系 1 7 影，。爹篪爹，-酝 臻；吩，镌塌霪。蠢秀兹譬镖纛 中北大学学位论文 支7 ； 7 图2 6 吸收区面积与热释电电流的关系 一 | 拳| 图2 7 晶片半宽与电流响应率的关系 从图2 5 可以看出热释电电流随晶片厚度的增加而急剧减小，从图2 6 可以看出热释 电电流随吸收区的面积的增加而增大，从图2 7 可以看出电流响应率随着晶片宽度的增 大加而急剧减小。 缀藏i 口j 缈1 移一： 一。 搿扔i 掌 二二o = ，o 施o 。 图2 8 吸收层半宽与电流响应率的关系 18 中北大学学位论文 霉鬻毵一一一 ； 麓j 囊貌；锈 f ； 卜!； 图2 9 晶片厚度与电流响应率的关系 一0 。、! 图2 1 0 晶片半宽与电压响应率的关系 从图2 8 可以看出电流响应率随着吸收层半宽的增加而增大，从图2 9 可以看出电流 响应率随着晶片厚度的增加而减小，从图2 1 0 可以看出电压响应率随着晶片宽度的增加 而减小。 ：1 丑曝謦霉辩；螺嚣3 $ 鞣爨矗辩稀；w 瓢l ，可咩嘲，孺玛搿i ，繁籀群学茚臻轳鬈新黔? 霭g “舶i 群# 嚣 口 ， 麓 ! ，菇 2 7 z 。 l 1 5 。 ? 影 ， ，。髫 ， 了 图2 1 1 吸收层半宽与电压响应率的关系 19 鸳荔凑一薯荔霪秀缘霪鬃瘥一霪 鬻 虚 心黪锄黪雾爹；轳弘纱驴蕤。，懿 中北大学学位论文 图2 1 2 吸收层的面积与电压响应率的关系 从图2 1 l 可以看出电压响应率随着吸收层宽度的增加而增大，从图2 1 2 可以看出电 压响应率随着吸收层面积的增大而减小。 2 5 本章小结 通过一维热传导简单模型到二维热传导模型的理论分析，验证了理论推导的计算值 和实际值接近。从简单的函数关系曲线图可以看出，在以下范围数据点附近数值变化相 对稳定没有很大的变化如：d = l o - & _ 5 1 t n , a = o 2 + o 0 5 c m c = o 1 + o 0 5 c m 。这样就可以把握在 制作过程中晶片的宽、厚和吸收层的宽的适当比例。因此在制作过程中，将晶片的厚度 定在1 5 o n ，宽度定在0 2 5 c m ，吸收层宽度初步定为和晶片等宽。 2 0 中北大学学位论文 第三章p z t 敏感元结构、材料特性与封装分析 本章主要是对p z t 晶片敏感元的分析和设计，从p z t 晶片材料的分析到p z t 晶片敏 感元结构分析和设计，以及敏感元的封装结构和集成电路等，同时也指导了p z t 晶片敏 感元的设计。 3 1 热释电晶片材料 p z t 晶片是红外探测器的关键敏感元材料。上海硅酸盐研究所已开发出一系列具有 自主知识产权的热释电陶瓷材料产品，曾向国内有关用户批量提供热释电陶瓷材料，有 关器件水平达到或超过日本同类产品的水平。结合我国市场上热释电晶片的应用情况， 最后选定了中科院上海硅酸盐研究所制作的p z t 晶片。 表3 1 中科院上海硅酸盐研究所制作的p z t 品片 高电阻率p z t 陶瓷材料低电阻率p z t 陶瓷材料 热释电系数( c c m 舫 4 5 x 1 0 - 83 5 x 1 0 。8 相对介电常数 3 0 0 2 1 0 介质损耗 5 1 0 。3 1 电阻率( q c m ) 1 0 1 0 1 21 2 1 0 l l 3 2 能谱分析 图3 1p z t 陶瓷晶片 2 1 中北大学学位论文 固体表面分析已发展为一种常用的仪器分析方法，特别是对于固体材料的分析和元 素化学价态分析。目前常用的表面成分分析方法有：x 射线光电子能谱( x p s ) ，俄歇 电子能谱( a e s ) ，静态二次离子质谱( s i m s ) 和离子散射谱( i s s ) 。y d s 的应用面广泛得多， 更适合于化学领域的研究。 x 射线光电子能谱( x p s ) 也被称作化学分析用电子能谱( e s c a ) 。该方法是在六 十年代由瑞典科学家k a is i e g b a h n 教授发展起来的。三十多年来，x 射线光电子能谱无 论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。由于x p s 具有很高的表面灵敏度， 适合表面元素定性和定量分析方面的应用，同样也可以应用于元素化学价态的研究。此 外，配合离子束剥离技术和变角x p s 技术，还可以进行材料的深度分析和界面分析。 因此，s 方法可广泛应用于化学化工、材料、机械、电子材料等领域。 x 射线光电子能谱基于光电离作用，当一束光子辐照到样品表面时，光子可以被样 品中某一元素的原子轨道上的电子所吸收，使得该电子脱离原子核的束缚，以一定的动 能从原子内部发射出来，变成自由的光电子，而原子本身则变成一个激发态的离子。在 光电离过程中，固体物质的结合能可以用下面的方程表示： e k = h v e b c s 式中：e k 一出射的光电子的动能，e v ； h v x 射线源光子的能量，e v ； e b 一特定原子轨道上的结合能，e v ； 巾s 一谱仪的功函，e v 。 能谱仪的功能函数主要由能谱仪材料和状态决定，对同一台能谱仪基本是一个常 数，与样品无关，其平均值为3 - 一4 e v 。 在x p s 分析中，由于采用的x 射线激发源的能量较高，不仅可以激发出原子价轨 道中的价电子，还可以激发出芯能级上的内层轨道电子，其出射光电子的能量仅与入射 光子的能量及原子轨道结合能有关。因此，对于特定的单色激发源和特定的原子轨道， 其光电子的能量是特定的。当固定激发源