（材料学专业论文）基于pzt薄膜的集成光学谐振腔结构的制备及其光学性质.pdf

摘要 f 摘要 钙钛矿结构的铁电薄膜有优良的介电、铁电、压电以及热释电性能，在声表 面波器件、微机械电子系统( m e m s ) 、非挥发存储器、光学倍频器件、红外探测 器等领域有广泛的应用前景，其中p b z r 。t i l 。0 3 ( p z t ) 因为剩余极化高尤其受 到重视。另外，p z t 的居里温度高于室温，可用于制作非制冷红外探测。 但p z t 自身在红外大气窗口波段的吸收较弱。通常采用在器件表面增加一 层吸收层来提高红外吸收，但是这将增加器件的热容量，降低响应速度；提高红 外吸收的另一种途径是利用光学谐振腔结构。本文的主要工作是利用磁控溅射法 制备集成光学谐振腔结构来提高的p z t 薄膜红外吸收率。制备了l a n i 0 3 ( l n o ) 薄膜一p z t 薄膜一l n o 薄膜和l n o 薄膜一p z t 薄膜一p t 薄膜两种集成光学谐振 腔。主要结果有： ( 1 ) 以s i ( 1 1 1 ) 为衬底，以不同氧分压溅射沉积l n o 薄膜，经x r d 分析， l n o 薄膜为钙钛矿结构且为纯( 1 0 0 ) 取向。 ( 2 ) 分别在l n o ( 1 0 0 ) s i 和p t ( 1 1 1 ) t i s i 上溅射沉积p z t 薄膜，然后将样品 在大气环境中进行快速退火处理，退火温度5 5 0 7 0 0 。经x r d 分析，退火后 的p z t 薄膜均为钙钛矿相，其中在l n o ( 1 0 0 ) 上生长的p z t 薄膜为纯( 1 0 0 ) 取向， 而在p t ( 1 1 1 ) 上生长的p z t 薄膜为( 1 1 1 ) 择优取向。 ( 3 ) 在l n o ( 1 0 0 ) 上生长的4 5 0 r i m 厚的p z t 薄膜平均矫顽电场e c 为 1 1 0 k v c m ，外加电压为1 8 v 时剩余极化强度p r 为6 3 9 t c c m ；在p t ( 1 1 1 ) 上生长的 3 2 0 n m 厚的p z t 薄膜平均矫顽电场e c 为1 2 0 k v c m ，外加电压为1 8 v 时剩余极 化强度p r 为5 0 i j t c c m 2 。 ( 4 ) 制各了一系列不同l n o 膜厚、p z t 膜厚的光学谐振腔结构，分析发现， d l n o = 3 8 n m 、d p z t = 4 4 5 n m 和溅射氧分压p 0 2 = 2 5 5 是比较理想的工艺参数。 ( 5 ) 在经过多次工艺条件摸索后，获得了最好的l n 0 薄膜一p z t 薄膜一l n 0 薄 膜光学谐振腔结构在波数1 0 5 0 c m 。处的吸收率达到8 0 以上；而l n 0 薄膜一p z t 薄膜一p t 薄膜光学谐振腔结构在波数9 8 7 c m 。处的吸收率接近8 0 。 关键词：光学谐振腔峰值吸收率吸收峰中心波数p z t 铁电薄膜 摘要 a b s t r a c t f e r r o e l e c t r i ct h i nf i l m sw i t hp e r v o s k i t es t r u c t u r ea r ew i d e l yu s e di na c o u s t i c s u r f a c ew a v e d e v i c e s ， m i c r o m a c h i n ee l e c t r i c s y s t e m ，n o v o l a t i l em e m o r y d e v i c e s ，o p t i c a lm u l t i p l ef r e q u e n c yd e v i c e ，i n f r a r e dd e t e c t o r ，a n ds oo n ，d u et ot h e i r m a n yi m p o r t a n tp r o p e r t i e s ，s u c ha sd i e l e c t r i c ，f e r r o e l e c t r i c p i e z o e l e c t r i ca n d p y r o e l e c t r i cp r o p e r t y p b z r x t i l x ( p z t ) a t t r a c t e dw i d ea t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sh i g h r e m n a n tp o l a r i z a t i o n i na d d i t i o n ，p z tt h i nf i l m sc a nb eu s e da sn o n c o o l e di n f r a r e d d e t e c t o r , b e c a u s ei t sc o u r i e rt e m p e r a t u r ei sa b o v er o o mt e m p e r a t u r e b u tt h ei n h e r e n ta b s o r p t a n c eo fp z tt h i nf i l m si sl o wi ni n f r a r e db a n d ， g e n e r a l l y ，i no r d e rt oi m p r o v et h e i ra b s o r p t a n c e ，aa b s o r p t i o nl a y e ri sc o v e r e do nt h e s i l l f a c eo fd e v i c e b u tt h et h e r m a ll o a do fd e v i c ew i l lb e c o m el a r g e r , a n dt h er e s p o n d r a t eb e c o m el o w aa p p r o a c hw h i c hi m p r o v ei n f r a r e da b s o r p t a n c ei s b yo p t i c a l r e s o n a n t c a v i t l r s t r u c t u r e t h et h e s i s e x p e c t t of a b r i c a t em e t a l o x i d e s f e n o e l e c t r i c m e t a lo x i d e sa n dm e t a lo x i d e s f e r r o e l e c t r i c m e t a ls t y l eo p t i c a l r e s o n a n tc a v i t yt oi m p r o v e 也ea b s o r p t a n c eo ff e r r o e l e c t r i ct h i nf i l mi nt h e8 - 1 41 1m b a n d t h em a i nr e s u l t so f t h i sw o r ki n c l u d e ： ( 1 ) l a n i 0 3t h i nf i l m s ，a sb o t t o me l e c t r o d e ，a r ed e p o s i t e do ns i ( 11 1 ) s u b s t r a t e u s i n gr a d i o f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e rd e p o s i t i o ns y s t e m ，t h e i rm i c r o s t r u c t u r ea r e i n v e s t i g a t e db yu s i n gx r a yd i 珩a c t i o n ( x r d ) t h er e s u l ts h o w sl a n i o t h i nf i l m si s p e r o v s k i t es t r u c t u r e a n dp r e s e n tm a i n l yf 1 1 0 1o r i e n t a t i o n ( 2 ) p z tt h i nf i l m sa r e d e p o s i t e d o n l n o ( 1 0 0 ) 一s i s u b s t r a t ea n d p t ( 11 1 ) t i s i 0 2 s is u b s t r a t e ，r e s p e c t i v e l y , b yu s i n gr a d i o f r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r d e p o s i t i o n ，t h e nt h es a m p l e sa r ep r o c e s s e db yr a p i d t h e r m a la n n e a l i n gi na i ra m b i e n t f o r5m i n u t e s t h ea n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea r r a n g e df r o m5 5 0 t o6 5 0 x - r a y d i f i r a c t i o n ( x r d lm e a s u r e m e n t ss h o w e dt h a t a f t e rr a p i dt h e r m a ia n n e a l i n gt h ep z t t h i nf i l m sp r e s e n tp e r o v s k i t ep h a s e t h ep z tt h i nf i l m sd e p o s i t e do nl n o ( 1 0 0 ) 一s i p r e s e n t e dm a i n l yf1o o ) a r i e n t a f t o n ，a n dt h ep z tt h i nf i l m so np t ( 11 1 ) t i s i 0 2 s i s u b s t r a t ep r e s e n tm a i n l yn1 11o r i e n t a t i o n ( 3 ) t h ec o e r c i v ef i e l da n da v e r a g er e m n a n tp o l a r i z a t i o no f4 5 0 n m t h i c kp z t t h i nf i l m sd e p o s i t e do nl n o ( 1 0 0 ) s is u b s t r a t e a r el l o k v c ma n d6 3 i t c c m 。( f o r p o l a r i z a t i o nv o l t a g el8 v ) ；w h i l et h ec o e r c i v ef i e l da n da v e r a g er e m n a n tp o l a r i z a t i o n o f3 2 0 n m t h i c kp z tt h i nf i l m sd e p o s i t e do np t ( 11 1 ) - t i s i 0 2 - s is u b s t r a t e ，a r e 12 0 k v c ma n d5 0l jc c m 2 ( f o rp o l a r i z a t i o nv o l t a g e18 v ) ( 4 ) s e r i a lo fs a m p l e so fo p t i c a lr e s o n a n tc a v i t ys t r u c t u r ew i t bd i f f e r e n tt h i c k n e s s o fl n ot h i nf i l m sa n dp z tt h i nf i l m sa r ef a b r i c a t e d ，t h ea n a l y s es h o w st h a td l n o = 3 8 n m 、d p z t = 4 4 5 n ma n dp 0 2 = 2 5 5 ( s p u t t e r i n go x y g e np a r t i a lp r e s s u r e ) a r eo p t i m a l t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ， ( 5 ) w i t h t h e o p t i m a lt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ，t h e 8 - 14 l ，t mi ra b s o r p t i o n p e r f o r m a n c ea r eg r e a t l yi m p r o v e d ：t h ew a v e n u m b e ro fp e a ka b s o r p t i o na n dt h ep e a k a b s o r p t a n c eo ft h el n om e t a l o x i d e st h i nf i l m p z tf e r r o e l e c t r i ct h i n f i l m l n o m e t a lo x i d e st h i nf i l ms t y l eo p t i c a lr e s o n a n tc a v i t ys t r u c t u r ea r e10 5 0 c m la n da b o v e 8 0 r e s p e c t i v e l y w h i l et h o s eo fl n om e t a lo x i d e st h i nf i l m p z tf e r r o e l e c t r i ct h i n f i l m m e t a lp tt h i nf i l ms t y l eo p t i c a ir e s o n a n tc a v i t ys t r u c t u r ea r e9 8 7c m 。1a n dn e a r l y i i 8 0 r e s p e c t i v e l y p r e p a r e db y ：l i x i n x i d i r e c t e db y ：p r o f e s s o r ：l a iz h e n q u a n p r o f e s s o r ：h u a n gz h i m i n g k e y w o r d s ：o p t i c a lr e s o n a n tc a v i t y , w a v e n u m b e ro fa b s o r p t i o np e a k ， p e a ka b s o r b t a n c e ，p z tt h i nf i l m s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：李瓤嘎 签字日期：吨年7 月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 壹墨圭堂 有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 李羁巍 导师签名 搬殇 签字同期：椰年6 月i 闩 签字日期：础年易月 同 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 第一章引茜 第一章引言 1 1 红外探测器概述 红外辐射是介于可见光与微波之间的电磁波，是一种不可见的辐射。天文学家赫谢耳( w h e r s c h e l ) 丁1 8 0 0 年在研究太阳光谱的热效应时，用水银温度计测量各种颜色光的加热效 廊，发现热效应最显著的部位不在彩色光带内，而在红色光的外面，从而第一次发现了“红 外辐射”的存在。通常将电磁波波谱中0 7 6 1 0 0 0u m 的波段称为红外光谱区。般把红外 光谱分为四个区域，即近红外( o 7 “3 0 9 m ) 、中红外( 3 0 6 0l a m ) 、中远红外( 6 0 2 0u m ) 和远红外( 2 0 - 1 0 0 0g m ) 区。要探测红外辐射的存在，测量它的强度，首先必须把它转换 成某种可以测量的量。红外探测器就是把红外辐射量转化为可以测量的其它物理量。赫谢耳 当年所使用的水银温度计就是最简单的一种“红外探测器” 1 - 4 1 。 1 8 2 2 年塞贝克发现了温差电效应，1 8 3 0 年l n o b i l i 利用这一效应制成了“温差电型辐 射探测器”。即利用红外辐射加热温差电偶的一个接头，使电偶的两个接头间产生温度差， 崩温差电动势的大小来度量红外辐射的强度。1 8 3 3 年到1 8 3 5 年之间，有从单个温差电偶发 展到多个温差电偶串联的“温差电堆”，所使用的材料一般是金属锑和铋。这种温差电探测 器比水银温度计要灵敏得多，使用这种红外探测器证实了红外辐射也能产生干涉现象，原则 上能测量红外辐射的波长，从而确定了红外辐射与可见光具有类似性。 1 8 8 0 年s p l a n g l e y 发明了一种新的红外探测器。这种红外探测器不仅能显示微弱辐射 的存在，而且能精确度量辐射的强弱。s pl a n g l e y 将他发明的这种探测器称为“测辐射热 计”( b o l o m e t e r ) 。其原理也是利用红外辐射加热细金属丝，因温度升高而改变电阻，用惠 斯顿电桥可精确测量微小的电阻改变。因而用它测量红外辐射，而灵敏度比当时的温差电探 测器的灵敏度高得多。当然随后几年，温差电型探测器的灵敏度也得到了很大提高，以至于 后来两种红外探测器的工作性能不相上下，难分优劣。 从上面介绍的三种红外探测器尤其是温差电型辐射探测器和测辐射热计可以看出，它们 都利州了红外辐射的热效应，因此常被称为“热探测器”或“热敏类红外探测器”。到了二 十世纪，热探测器有了新的发展，在四十年代测辐射热计中的金属丝被电阻一温度系数很大 的、r 导体薄片取代，被称之为热敏电阻型红外探测器。同时高策( g o l a y ) 发明了气动式红 外探洲器，五十年代，用温差电动势率更大的半导体取代了原来自q 金属，制得灵敏度更高的 温差电型红外探测器。六十年代出现了利用铁电体的自发极化随温度变化的“热释电型红外 探测器”。 _ 二十世纪红外探测器的发展主要是在光电探测器方面。当某些固体受到红外辐照后r 其 中的电子赢接吸收红外辐射而发生运动状态的改变，从而导致该固体的某种电学量的改变， 测量这种电学量的改变就能推知入射辐射的强度。固体受辐照而发生电学性质的改变的现象 称为“唰体的光电效应”。光电效应有多种：电子发射、光电导、光生伏特、光磁电及光子 】 第一章引言 牵引等，都有可能用来制造红外探测器，这类探测器称之为“光电探测器”或“光子探测器”。 它们依赖内部电子直接吸收红外辐射，不需要加热物体这个中间过程，因而这类探测器的反 府速度很快。 早在第一次世界大战时，就做出了t 1 2 s 光导型红外探测器，响应波长达到11 h r n ，近 代红外探测器的最重要发展是德国从三十年代开始的，并且制成了p b s 薄膜型光导探测器， 还用到了二战中。从而大大激发了美英苏等国对红外技术的兴趣，使得! z # f - 探测器从p b s 迅速发展到p b t e 和p b s e 薄膜型探测器。最大响应波长在液氮温度下达到7 u m 。 由于二五十年代半导体物理学的迅速发展，红外探测器的发展得到了新的推动。到六十年 代初t1 3 , u m 、3 5 p m 、8 1 4 “m 的三个重要的大气窗口，都有了性能良好并且可靠的探 测器。 十年代中后期，红外探测器有了两方面的新发展。一是远红外探测器的研制。由于 远红外探测器的出现以及远红外激光和高能电子束管的发展，远红外波段已成为当前科技研 究的前沿，技术应用指日可待。另一方面是中近红外探测器出现了新的发展。三元半导体 h g i - x c d 。t e 红外探测器的研制成功，使8 1 4g m 的探测器的工作温度提高到液氨温度，3 5 p m 的探测器在室温下也有相当好的性能，1 3 “m 的探测器的性能也超过以前用于这一波 段的探测器。热释电型探测器的水平也提高了，超过以前任何一种热敏型红外探测器，并且 它是唯一一种能在室温下工作的长波红外探测器，热释电探测器在工农业生产和日常生活中 都有厂泛应用。 目前重要的王作是把近、中红外波段的探测器发展成为列阵探测器，即线列或方阵。后 者又称为“焦平面红外探测器”。这是一项技术上极困难的工作目前尚在发展中，如果能 制造出实用的多元列阵探测器，某些重要用途的红外系统的结构将大为简化，分辨率、响应 速度和可靠性都会有显著提高。 1 2 红外探测器的特性参数 通常红外探测器用于红外辐射的直接探测，其响应率、探测率、噪声和时间常数是最重 要的特性参数。为了对不同红外系统中的各种红外探测器的特性进行比较，需要将电子学带 宽和探测器面积因素排除在外，因此引入了噪声等效功率和探测率这两个重要特性参数。严 格地说，探测器的t 作波段、响应面积和阻抗只能作为工作条件参数，它们与红外探测器在 红外系统中表现出来的性能直接有关，因而也必须加以测量。 响应率 在入射凋制辐射垂直投射到探测器响应平面的情况f ，探测器的开路输出的基频电压的 均方根值v s 与入射辐射功率的基频功率均方根值巾s 之比称为电压响应率： r 。= v ；中。( v w ) 也可以采用电流响应率 2 第一章引言 r ，= j 中。( a w ) 其中为等效短路输出的基频电流均方根值。单个探测器的响应率与入射辐射波| 王= 和调制 频率有关。以调制的黑体为辐射源所测得的响应率称为黑体响应率，表示为r b b ( t ，d ，其 中t 为黑体温度，f 为调制器的调制频率。以单色光为辐射源测得的响应率称为单色响应率， 表示为r ( f ) ，其中 为单色光的波长。在响应峰值波长处测得的响应率称为峰值波长 响应率r 、。( f ) ；在长波一端单色响应率下降为峰值一半时的波长称为截【t 波长( 或称长波 限) ，表示为xo 。 探测率 噪声等效功率( n e p ，见卜面) 是用来表征探铡器优劣的一种优值园子，其值越小探 测器越优。而红外探测器的n e p 与光敏面积的平方根成正比，为了比较不同探测器的性能， 俐n e p 的倒数并用平方根面积关系折算到探测器的单位面积的值来表示探测器的优劣即 探测率： d + ：选 n e p d + 与调制频率f 、辐射源及工作条件有关，单位为c m h z ”w ，峰值波长探测率d ：。( f ) 探测器噪声 在探测器的电输出中与入射信号统计无关的那部分输出称为噪声，它的频谱是连续的。 噪声的大小也与电子学带宽有关，还可能受外界电磁干扰。机械振动和声浪也可能引起附加 的振动噪声。电噪声的均方根电压和电流分别为： 嗣r 卜 阿丽r 式中v 。( t ) 和i ( t ) 分别为电压噪声和电流噪声的瞬时值。i r g ( v ) 为电子测量仪器的 增益它是频率y 的函数。则测量仪器的噪声带宽的定义为： y r 产d v 2 g 。为通带范围内增益的最大值。通常y 大于电子仪器的3 d b 通频带，因为3 d b 通频带以外的低频区和高频区中，只要增益不为零，就会有贡献噪声。 平常给出的探测器噪声都是用噪声平方根功率谱表示的： 第一章引言 n v _ 去，( v h z 2 ) n 。而1 n ，( a h z l 2 ) 热敏型辐射探测器是利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射的。入射到探测器光 敏面上的辐射被吸收后，引起响应元的温度的升高，这时响应元的某一物理量随之发生变化。 多数情况下，这一物理量为电学量，即使是非电学量，也可以通过适当的变换转变为电学量。 噪声等效功率 当红外辐射信号入射到探测器响应平面上时，若这一辐射功率所产生的电输出信号的均 方根值等丁探测器本身在单位带宽内的噪声均方根，称该辐射功率均方根值为噪声等效功 率。表示为n e p ，单位为( w h z 。“) ： n e p 2 可了簧了巧2 n ，d ) r 。 或者 n e p 。可了烹1 习。n p ) r ， 时间常数 时间常数是指探测器将入射辐射转变成电输出的弛豫时间，是反映探测器工作速度的一 个定量参数。有两种表示方法： 频率响应法：当探测器的响应率与调制频率符合r 式 r ( f ) = 则时间常数规定为响应率下降到最大值的o 7 0 7 角频率( 2 r f f t ) 的倒数值。 脉冲响应法：脉冲时间常数是探测器接受脉冲辐射时，信号电压由其峰值电压的0 9 下 降到0 ，1 时的时间间隔。 外差噪声等效功率 外筹探测方式中的差频信号光电流与本机振荡激光功率和入射信号功率乘积的平方根 成正比。使信号光电流均方值正好等于探测器电噪声电流均方值的入射信号功率，称为外差 噼声等效功率，单位为( w h z ) 。 探测器的响应面积探测器性能计算中采_ ；| 的面积，称为探测器响应面积，它是探测器 4 第一章引言 的有敬响麻面积： a 。= r ( x ，y ) j x d y r 。 r 是响廊平面上某一点( x ，y ) 的响应率，r 。、是响应率的极大值。 探测器阻抗 入射辐射达到稳定时，探测器的工作阻抗z d 规定为 7 一d v ( t ) “一百丽 v ( ) 和j ( t ) 分别为探测嚣两端的瞬时电压和瞬时电流，用实部虚部写出阻抗为 z d = r d + j x d x d 为容抗， d 。一面1 ，c d 为探测器电容，r d 为探测器电阻。阻抗和容抗的单位 均7 , j 欧姆。 1 3 热敏型和热释电型红外探测器 任何测温器件都是利用某种物理参数随温度变化的热敏效应而工作的。热敏效应的种类 很多，但被应用于制造热敏探测器的热敏效应只是其中很小一部分。目前获得广泛应用的是 半导体电阻温度效应，温差电效应和热释电效应。这三种热敏效应都是电学量随温度的变化 而变化的，因而统称热电效应。半导体电阻温度效应是指半导体的电阻率随温度变化的现象， 利用这一效应做成的探测器称为热敏电阻探测器，或测辐射热计。温差电效应是指金属或半 导体中的塞贝克效应，珀尔帖效应和汤姆逊效应。利用这些效应的热敏探测器称为温差电偶 和温差电堆探测器。热释电效应是指热释电材料中由于自发极化随温度变化而产生的热释电 流现象。利用这一效应制成的热敏探测器称为热释电探测器。 l 3 1 热敏型辐射探测器 工作原理。热敏探测器的核心部分是一片很薄的响应元。它的作用是：吸收入射辐射和 实现热电转换。热敏探测器的基本工作原理可以分为三个过程来描述，辐射一热的变换，即 吸收过程：热一温度的变换，是加热过程；温度一电的变换，是测温过程。这三个过程的效 率分别刖吸收率”，温度响应函数f t 和电学传递函数f e 来表示。 吸收率n 是指单位入射辐射功率产生的热流。吸收率是指响应元所吸收的入射辐射功率 r i 入射剑光敏面上总功率的比率。对于不同的波长，吸收率往往是不同的。吸收率大小不仅 直接影响到响应率的大小，而且还决定了探测器的光谱响应。热释电探测器的吸收方式由其 第一章引言 电极结构确定，边电极结构依靠体吸收，而面电极结构依靠表面吸收或者表面吸收和体吸收 兼而有之。 温度响应函数f t 热流产生的温升。温度响应函数f 。仅仅取决于探测器响应元的热学状 态。要提高f t ( ) ，尽可能减小h 是必要的，响应原材料选定以后，h 取决与响应元体积， 而光敏面取决于应用上的需要，这样唯一可变动的参数是响应元的厚度，因而热敏探测器的 响赢元均制成薄片状。 电学传递幽数f e 是指温升产生的电压或电流。 1 3 2 热释电探测器 热释电探测器是一种新型热敏探测器，它是依据热释电体中自发极化随温度变化的特性 而设计的。尽管利用这一效应探测红外辐射的设想早在1 9 3 8 年就已经提出，然而在很长时 间内一直没有受到人们重视，直到1 9 5 6 年t g s 晶体问世以后，热释电探测器才得到发展。 特别是l a t g s ，l i t a 0 3 和p l z t 等热释电材料出现以后，热释电探测器不仅在探测灵敏度 和响应速度上有了较大幅度的提高，以致在不少高级红外仪器，包括在气象卫星中获得应用， 这种器件成本低，特别适用于工业和家电红外电子仪器，至今己成为红外波段应用最广泛的 探测器。热释电探测器是至今最有希望达到室温背景极限的室温热敏探测器。在热释电材料 和探测器性能方面重点研究目标是如何提高低频下的探测率。缩小与背景限的差距，突破高 探测率与长响应时间之间的联系，以便在提高探测率的同时减小时间常数。 热释电探测器可以分为三大类，一类是单元探测器，或称点探测器，只有一个响应元： 第二类是热释电摄象管；第三类是热释电列阵器件。 热释电效应。实验发现，有一部分晶体沿某一特定方向切割成薄片，两表面涂上电极制 成一个平板电容器以后，当晶体温度发生变化时，电容器就有电流输出。这一个物理现象就 是热释电效应。如果将该电容器接上负载电阻，则输出电流满足以下经验公式： 。a e p 筹 a 。其中为电极面积，t 为晶体温度，p 为一个与材料性质有关的常数，与样品几何尺寸 无关，被称为热释电系数。 热释电效应可以利用晶体中存在自发极化进行解释。在一切极性分子构成的晶体中，极 性分子正负电荷中心偏离形成分子电矩，分子电矩的有序排列形成宏观电极化，即自发极化。 当晶体温度变化时，宏观电极化强度发生变化，即自发极化随温度而变化。 白发极化引起的束缚电荷很难直接测量，是因为晶体中存在自由电荷，晶体表面义存在 吸附电荷，这两种电荷对束缚电荷有屏蔽作用，从而使晶体各处保持电中性。然而束缚电荷 的弛豫时间远比这两种电荷的弛豫时间要短，因而只要利用一个交变的外电场或迫使晶体温 度迅速变化，就可以观察到束缚电荷的变化。若不考虑二级效应，热释电系数为： 6 第一章引言 p = ( 甜。= 鲁 d 为电位移，x 为应变，e 为电场，p s 为白发极化。 电学传递函数和响应率。热释电探测器的响应元是一片热释电晶体，在垂直于自发极化 的两表面上涂上金属电极制成。当响应元接受到辐射后温度发生变化，根据热释电效应，响 应元输出热释电电流为： i ! 【) _ 幻掣 a 。为两个电极在垂直与自发极化平面内投影的重叠面积。电极有两种基本结构：一种 是电极位丁薄片平面与光敏面平行，自发极化与光敏面垂直，即面电极结构。另一种是电极 位丁光敏面两侧自发极化与光敏面平行，这种电极结构称为边电极结构。将响应元输出热释 电电流的表达式进行傅立叶变换可得： i 。( 。) = j a 。c o p a t ( c o ) f c ( 国) = a 。印 嘶) = a 删= a e 丽r z = ( r 。+ j u c ) 1 为响应元阻抗。f 。和f 。分别是电流传递函数和压电传递函数。 热释电探测器的电流响应率和电压响应率分别是： 耻m z 南 耻r i | z | = it ) ，c o 一7 t 丽焘 其中。t = h g ，k = r c 为电时间常数，m = p c v 为电流响应优值因子，m 。= p c ve 为电 压响应优值网子，t 。t = t t + y c o g ，g 和y 分别是热导纳的实部和虚部，热导纳a = g + j y ， 可以由热扩散方程计算，也可由实验确定。 响应时间。热释电探测器的响应时间可以由表达式 耻叫= m v 引南丽o ) z e 得出。与其它探测器不一样，热释电探测器在低频时电压响应率与频率成正比，对直流没有 响应，高频时与频率成反比，只有当频率在( t t ) 1 和( k ) 。1 两者之间时，响应率才与频 率无关。响应率半高功率点取决于( t t ) 。1 和( t 。) 1 中较大的一个。通常把( t t ) “和( t 。) “中较小的一个定义为热释电探测器的响应时间。一般t 一。很大，而k 可以通过负载加以调 第一章引 苦 整，可以在几s 和几p s 之间选用。随着t 。的减小，响应率也相应减小。 噪声。热释电探测器测温过程中引进的附加噪声为介质损耗噪声。它是由热释电材料中 畴肇运动，极化弛豫和空间电荷迁移运动造成的，这种噪声属于热噪声。介质耗损噪声为 = 压( 4 k t - 警 72 m r c 1 + = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 1 + ( o d r c ) 2 瓜面r 。 1 面面彳丽 e 。为真空电容率，e 为介质常数。热释电的噪声为： v 。：幢霄+ v 。 此式括号中第一项为温度噪声项，通过热电偶合对介质损耗有贡献，因而可崩介质损耗 来表示温度噪声。t a n6 = t a n60 十t a n6t 。其中t a n6o 为材料的固有损耗，t a n6t 为热电偶合 损耗。t a n 磊2 研p z + t 甜国a ：司b , 声。 噪声等效功率。噪声等效功率定义为使输出信噪比等于1 时所需的入射辐射功率，用来 表示探测器灵敏度。它与噪声宽度有关，通常归一到单位宽度。由响应率和噪声可得出： n e p ：x ： r 。 牺丽1 + 2 q 2 q m d7 t 其中m 。= 击为材料优值因子。 探测率。探测率为： d = 、，8 k t e o 击南4 1 砒 础 + 脚2 ( f t ) 2 。 由于d + 与m d 成正比，称m d 为探测率优值因子。 1 3 3 几种实用的热释电探测器 热释电材料的选择以及器件的设计往往需要由被探测的目标和工作环境来决定。实用的 热释电探测器的种类很多，从材料上区分为： 器s b n 等。从响应元结构上分又有：面电极 t g s 探测器，探测器p t 探测器p v 和探测 边电极，并联互补，串联互补，面吸收，体 吸收，悬空，带衬底，单元。多元线列和列阵等。从封装及光学设计上又分为充气t 真空， 积分球，锥体腔，谐振腔和浸没等。从信号读出方式可分为简单单元，带阻抗变换，带前放 平| lc c d 混成等。 入侵报警热释电探测器：这类探测器咀运动的人体为目标，当人体进入探测器的视 场时，由丁人体辐射与背景辐射的差异，进入探测器的辐射功率突然发生改变，从而产生报 警信号，人体辐射和室温背景辐射的功率大部分落在大于6 5 1 t m 的光谱区内r 为了排除比 第一章引言 较短的辐射干扰源如太刚光，白炽灯等的干扰，探测器大多采用短波截i e 长波通过的的干扰 滤光片作为窗口，这种探测器不要求具有很高的探测率，但它对器件性能参数的稳定性、一 致性、双元对称性和成本却要求苛刻。 光谱基准热释电探测器：热释电材料可以制成任何形状和不同尺寸的探测器，其性 能高度稳定，适用于各种精密仪器进行辐射参数的测量。至今最受重视的是光谱、能量和时 间特性的测量。通常的热释电探测器可以在很宽的光谱范围内作为接受器使用，然而它的光 谱不平坦度通常很火。至今还没有一种准确测定探测器光谱响应的通用方法。但都是采用类 似于黑体的空腔型热敏探测器为基准。如积分球空腔、角锥型空腔、圆球型和半球型等。半 球积分空腔是利削半球反射面和热释电平板制成，半球腔体则是利用平面反射板和热释电半 球制成的。近年来利用金属一透明介质金属的多层膜吸收已经制成光谱响应十分平坦的热释 电探测器。由于这种探测器的响应光谱可以通过测量响应元的反射和透射光谱精确计算得 出，因而可以作为绝对基准光谱使用。另外由于响应元可以尽可能减薄，从而获得高d + 。 冈而可以用于微弱功率的光谱分析，适用于各种类型的光谱仪器。 快速热释电探测器快速热释电探测器用于测量激光脉冲峰值功率和观察波形。由 于工作频率很高，这种器件一般设计成同轴电缆结构。即将响应元安置在阻抗为5 0 欧姆的 同轴传输线一端，采用面电极响应元时，时间常数为i n s 左右。采用边电极响应元时，时间 常数可低达几个p s 。快速探测器一般用于测量大功率脉冲激光，因而应能承受大功率照射 而不被损伤，所以应选用损伤阀值高的热释电材料和高热导衬底。 总能探测器总能探测器是用于测量连续激光总功率和脉冲激光总能量的热释电探 测器。这种探测器的光敏面积很大，功率高。响应元的形状除了通常的金属- 热释电材料- 金 属平板结构以外，还有角锥体或积分球形状。 电学标定热释电探测器电学标定热释电探测器是把辐射功率和能量转变为电功率 以后，通过电功率的测量来精确测定辐射功率的。 热释电探测器列阵分为线阵、坐标和面阵三种。它们主要用于激光模式、跟踪和 制导、位置探测、红外和毫米波成象等应用。 1 4 铁电薄膜红外焦平面列阵技术 1 4 1 红外焦平面列阵 红外热成像仪的核心结构是红外焦平面列阵( i n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a y s ，) 。红外焦平 面列阵义分为两大类：制冷型和非制冷型。 制冷型i r f p a 以锑镉汞( m c t ) 半导体光子探测器件为代表，非常高的灵敏度，但是 制冷科l r f p a 成本太高，结构复杂且笨重尤其是需要在很低的温度下一 作。大大限制了 它的应用范围。丁是非制冷i r f p a 便成为人们努力探求的目标，现在已有产品进入应用阶 段，省去了笨重的低温制冷系统，可靠性也大大提高，容易维护，尽管非制冷i r f p a 探测 9 第一章引言 率比锑镉汞( m c t ) 的小了一个数量级，但是，可以通过使用更人的焦平面列阵来弥补这 方面的不足。 非制冷f p a 已经是i r _ f p a 发展的一个重要方向，已经取得的比较突出成果的有：得克 萨斯仪器公司和g e c 一马克尼材料技术公司早期推出的红外热探测器，它们就属于热释电 1 f 制冷i r f p a ，它的探测元和读出电路分别置于两个片子上。美国的r a y t h e o n 商业电子公 司首先推出集成i r f p a ，属于微测辐射计型所用材料是v o 。和a s i ，并且产品已经进入实 际应用。最近，美国s a n d i a 国家实验室的和r a y t h e o n 公司 6 1 分别研制出了1 0 0 x1 0 0 和3 2 0 2 4 0 单元的单片式非制冷铁电薄膜i r f p a 。r a y t h e o n 公司负责非制冷i r f p a 的设计师 c m h a n s o n 等人对这两种非制冷i r f p a 进行了比较：微测辐射计具有较高的响应动态范围 、较好的线性响应和较低的串音和图糊，然而单元对所加的偏置脉冲电压精度要求较高，功 耗也较大，随着阵列元数目的增大，这一问题变得更加严重。同时，微测辐射计阵列有较大 的噪声带宽，会抵消部分响应增益。然而对于热释电i r f p a 来说，偏置几乎无功率耗散， 只有几百赫兹的噪声带宽。热释电i r f p a 有更高的调制转换函数( m t f ) 和更低的最小分 辨温度( m r t ) 。 以前，制造i r f p a 多是采用混成技术来实现红外探测芯片与读出电路的连接，包括现 在市场上的3 2 0 x 2 4 0 规模的b s t 铁电陶瓷非制冷i r f p a ，就是采用的这种技术。然而新 近出现的采用微桥结构的非制冷型单片式传感器性能介于第一代和第二代制冷型传感器之 间了，而且，非制冷型传感器可以扩展成高性能模块i _ 1 。 菲制冷型传感器采用f 1 光学系统。相应的机械装置极大的限制了成像光阑尺寸，显然 只有让传感器在大f 数( f 2 一f 3 ) 下工作，这种情况下，要保证成像质量，只有提高传感 器的灵敏度。提高传感器的灵敏度、减小象元尺寸、扩大列阵规模可以扩大传感器的成像视 场范围。所以小尺寸、高灵敏度的i r f p a 是发展方向。 单片式i r f p a 是在制作了读出电路的硅片上集成红外探测敏感元列阵，在硅片与红外 探测敏感元列阵之间需要进行热隔离，通常采用隔热层或微桥的方法来达到热隔离的目的。 相比混成技术，单片式i r f p a 邻近像元之间完全隔离，从而几乎没有串音，消除了图像托 影和模糊现象，因此，单片式非制冷i r f p a 灵敏度会大大提高。 1 4 2 铁电薄膜红外焦平面列阵技术 近几年来，铁电薄膜红外探测器由于其潜在性能得到极大关注，成为当今非致冷1 1 l f p a 发展的重点之一。该领域研究处于领先地位的有美国德州仪器公司( 其红外分部己被 r a y t h e o n 公司购买) 、英国通用电气马可尼公司( 现与英国宇航系统公司合并) 。 与氧化钡和非晶硅测辐射热计( b o l o m e t e r ) 相比，铁电薄膜器件工作在交流耦合模式 r ，其主要优势在于成像质量非常高，除了民用之外，并可适用于军事等高要求场合。例如： 日前等效噪声温差( n e t d ) 仅为2 1 0 m k 的铁电薄膜焦平面的成像效果能与性能优越近一 0 第一章引言 个数颦级的氧化钡b o l o m e t e r 敏感元件相比。这是冈为铁电薄膜器件的n e t d 可以比 b o l