（物理电子学专业论文）LiTaOlt3gt探测器的二维结构分析.pdf

摘要热释电探测器( 又称热电探测器) 是一种红外辐射的探测器件，它利用热电体的自发极化强度随温度变化的特性制成。热电探测器能在室温下工作，具有很宽的光谱范围和较高的探测率，因此得到广泛应用。本文就上海技术物理所提供的悬空型l i t a 0 3 热释电器件结构，作了二维分布参数模型的分析，建立了热平衡方程，求解出调制辐射下的热释电流，并作了一些模型改进的讨论。本文的特点是：( 1 ) 我们采用的物理模型比较切合实际，并把衔接条件与边界条件结合在一起，考虑到了边界对内部的影响，因而导出的响应度的理论值较好的与实验值符合，所导出的各个公式比较简单，便于使用。( 2 ) 本文就分析上海技术物理研究所的l i t a 0 3 器件。给出了一般的二维讨论方法。而且对于热释电晶体尺度的设计和工艺，提出了一些参考意见。关键词：红外热释电探测器二维结构a b s t r a c tp y r o c l c c t r i cd e t e c t o r ( t h e r m o e l e c t r i cd e t e c t o r ) i so n ea p p a r a t u st od e t e c ti n f r a r e dr a d i a t i o n ，i tm a k e su s i n gp y r o e l c c t r i co 研e c ts p o n t a n e o u sp o l a f i z a t i o -nt oi n t e n s i f yw i t ht h et e m p e r a t u r ec h a n g e t h et h e n u o e l e c t r i c i t yd e t e c t o rc a l lw o r ku n d e rt h er o o mt e m p e r a t u r e , i th a st h ev e r yw i d es p e c t r u ms c o p ea n dh i g hs u r v e yr a t e , t h e r e f o r et h et h e r m o e l e c t r i c i t yd e t e c t o ri sw i d e l ya p p l i e d t h i sp a p e rh a sm a d et h et w o - d i m e n s i o n a ld i s t r i b u t i o nm o d e la n a l y s i sf o rt h ei a t a 0 3p y r o e l e c t r i cd e t e c t o rw h i c hp m v i d e sb yt h es h a n g h a it e c h n o -l o g yp h y s i c s , h a se s t a b l i s h e dt h et h e r m a le q u a t i o n ，f i g u r e so u tt h et h e r m o e l e -c t d cc u r r e n tu n d e rt h em o d u l a t i o nr a d i a t i o n , a n dh a sm a d es o m ed i s c u s s i o 璐a b o u tt h em o d e li m p r o v e m e n t s t h i sp a p e rp o i n ti s ：( 1 ) t h ep h y s i c a lm o d e lw h i c hw eu s ei sq u i t ep r a c t i c a l ，a n dh a n g st o g e t h e rh ec o n d i t i o no ft h ej o i na n dt h eb o u n d a r y b e e a u s ec o n s i d e r e dt h ei n f l u e n c ew h i c ht h eb o u n d a r ya c to nt h ei n t e r i o r , t h u st h er e s p o n s i b i l i t yt h e o r yv a l u ew h i c hw ed e r i v e db e t t e rt a l l i e dw i t ht h ea c t u a lv a l u e d e r i v c de a c hf o r m u l aw a sq u i t es i m p l e , w h i c hi sa d v a n t a g e o u sf o rt h eu s e ( 2 ) t h i sp a p e ra n a l y z e st h el i t a 0 3i n s t r u m e n tw h i c hp r o v i d e sb yt h es h a n g h a it e c h n o l o g ya n dp h y s i c sr e s e a r c hi n s t i t u t e ,h a sp r o d u c e dt h eo d m m o nt w o - d i m e n s i o n a ld i s c u s s i o nm e t h o d m o r e o v e rf o rt h ed e s i g na n dt h ec r a f to ft h ep y r o e l e c t r i cc r y s t a l ，p r o p o u n ds o m er e f e r e n c e do p i n i o n s k e yw o r d s ：i n f r a r e dp y r o e l e e t r i ed e t e c t o rt w o - d i m e n s i o n a ls t r u c t l l r em长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，论文题目是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：查l 冱丛1 年王月塑日长春理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：垒! 撞垫丑年土月望日指导导师签名：丕堕塑! 年土月坐日1 1引言第一章绪论尽管早在约公元前3 0 0 年，人们就发现了热释电效应，但从1 9 世纪末开始，随着近代物理的发展，关于热释电效应定量和理论的研究才日益增多。近2 0 年来，随着激光和红外技术的迅速发展，无论在温度记录、气体分析、激光功率控制、遥感及红外成像等许多领域都迫切需要性能优良的红外热释电敏感器件。热释电型红外传感器与其它热电传感器相比，具有不需要低温工作条件、响应速度快( 响应时间可达微秒) 以及在很宽广的红外光范围，其响应几乎与波长无关等优良性能。目前，国内外对各种红外热释电材料及热释电红外传感器的研究十分活跃。许多具有强热释电效应的材料，如单晶、铁电陶瓷和热释电薄膜等相继问世。热释电探测器是利用热释电效应探测红外辐射的光接收器件。它具有许多优点，能在任何温度下工作、具有广谱响应、可用以探测引起热释电体温度变化的任何辐射，结构紧凑、操作简便、机械强度好、无需外部偏置场；仅对温度变化率有响应，不必像热偶或其它测辐射热计那样需要达到热平衡，因而响应快，能探测瞬变信号，材料来源很广等等。目前，采用t g s 、i j t a 0 3 及铁电陶瓷制作的探测器，最高探测率已分别达5 x 1 0 9 、3 x 1 0 9 及2 1 0 9 c m i i z 坭、矿l ，达到和超过高莱探测器的最高探测率( 3 x 1 0 9 c m h z 城、矿1 ) 。由于性能上的突破，热释电探测器已在红外技术中扮演了重要角色。如测量地球大气温度和湿度、收集有关地球辐射平衡的数据、以及用于光谱仪、多元热像仪、激光功率计、工业自动控制仪器和远红外开拓之中热释电红外探测器也能够用于火险警报、医疗诊断、红外成像等军事和日常生活的各个方面。不过，热释电探测器的探测率随调制频率升高而下降，当频率达1 m h z 时，已下降几个量级，只有1 0 6 c m h z 螗w 1 左右，这与高性能的量子探测器相比，显然是望尘莫及现在，热释电探测器的研究重点是提高探测率和工作频率。若在1 0 0 k h z 下探测率达1 0 1 0 c e r t - h z l a v r l ( 理论值约为2 1 0 ”) ，则热释电探测器将在大部分红外应用中占领先地位。热释电探测器在红外器件领域中占有十分重要的位置。它除了具备经典热探测器( 例如高莱管、热敏电阻、热电偶或热电堆) 的共同优点：室温工作、宽光谱响应之外，还具有灵敏度较高、响应速度快的优点。尤其是响应速度快在许多应用场合是必不可少的要求热释电探测器之所以比经典热探测器响应速度快是由于它的响应正比于晶体温度的变化速率，而经典热探测器的响应正比于升高的温度值。从理论上讲，热释电探测器的响应速度可以做到小于毫微秒量级，但往往要以牺牲灵敏度做代价。近来随着热释电前放电路研究工作的不断进展，通过电路的改进，做到不损失灵敏度或尽可能少损失灵敏度就能获得较高的响应速度。因此，凡是可以使用经典热探测器的场合都可以应用热释电探测器，而许多要求响应速度快，经典热探测器不能胜任的场合。例如激光探测方面又必须使用热释电探测器。可以说热释电探测器是热探测器中的佼佼者，它有可能逐渐以致最后完全取代经典热探测器。热释电探测器与量子探测器相比，量子探测器具有灵敏度高、响应速度快的优点，这是热释电探测器望尘莫及的。但是量子探测器响应的光谱波段窄、需要致冷、价格昂贵、且不易制作大面积器件。它的这些缺点正好与前面谈及的热释电探测器的许多优点相对应，而且热释电探测器容易制作成大面积( 例如f l o m m ) 器件。热释电探测器是具有中等灵敏度和中等响应速度的探测器。因此在许多不要求很高灵敏度及快响应速度的场合，使用热释电探测器最为适宜。根据工作温度可将热释电探测器使用的材料大体分为两类：一类工作于居里温度( 1 d 以下，如单晶t g s ( 硫酸三甘氨酸) 、陶瓷p b t i 0 3 ( p 3 3等。单晶材料的热释电系数介于( 0 4 7 0 ) x 1 0 4 c m 2 k ，探测优值介于( 4 9 1 6 8 ) x 1 0 。5 p a 坭之间；p b z r 0 3 ( p z ) 、p t 系列热释电系数随成分的不同有所不同，大致介于( 4 8 3 1 ) x 1 0 4 c m 2 k ，探测优值大约为( 3 3 4 7 ) x l o 。5 p a - 崛；另一类工作于t c 附近，如( b a 、s r m 0 3 ( s s t ) 、p s t 、p z n ( 锌铌酸铅) 等。这类热释电材料利用相变时产生的热释电性能随温度变化而产生剧烈变化的特性，要求在工作温度下加偏置电压，才能在居里温度附近产生稳定的热释电响应，这种工作方式称为介电测辐射方式，简称介电工作模式。此时，热释电系数将改写为：p 。( 等) 。砉c b + 卵。耽。( 鲁) 。e ( 等) 。热释电探测器是一种利用材料的热释电效应，把入射的红外辐射转变成电信号的器件。热释电薄膜红外探测器的性能是由各膜层的材料参数和绝热结构综合决定的，因此材料的选择和结构分析成为设计热释电红外探测器的一个关键部分。21 2 热释电探测器发展现状及应用集成电路制造技术的发展，为探测器的发展提供了条件。热探测器种类繁多，按照目前发展的状况，其中最受研究者关注之一的热释电探测器前景最为明朗。热探测器的研究历史可以上溯到2 0 0 0 年前1 1 2 】，那时就有了关于热释电效应的记录，但是真正将这一效应应用于热探测器，特别是用于热成像探测，则是在2 0 世纪6 0 年代i j 叫。2 0 世纪初将测辐射热计用于热目标探测的成功尝试后，在经历了材料，理论等一系列发展之后，热探测器达到日益完善的阶段。具有使用价值的热释电材料的种类非常广泛，研究对象主要集中在两类材料上：一是正常热释电体；另一类是介电测辐射热计型热释电材料。前者通常利用的是材料在远离铁电相变温度区域内极化温度的变化；后者则利用材料在相变温区附近极化随温度及外场的强烈变化。虽然在相变温区，自发极化随温度的变化会产生很大的热释电响应，但环境温度的微小起伏也会带来很大的温度起伏噪声，抵消了由此获得的益处。而在偏压下，诱导热释电效应可以在保持同样的温度起伏噪声的条件下，产生更大的热释电效应，因而介电测辐射热计型热释电材料成为性能热释电探测器的首选。在正常热释电效应和偏压热释电效应的研究过程中，有几项值得特别提出的成果。1 9 5 6 年，c h y n o w e t h 利用辐射调制方法研制钛酸钡的动态热释电响应嘲，这一方法为研究材料极化的温度特性提供了重要实验手段，为利用热释电效应实现热成像探测提供了基础。同年，m a t h a i s利用t g s 制成了实用的热释电探测器，使得此类材料在随后的一段很长时间里成为研究重点，并于1 9 6 9 年用于热成像探测1 9 6 1 年，h a n e l 首次揭示了介电测辐射热计效应，这在当时并不是一个引起很大重视的工作，但随后在对钽钪酸铅( p s t ) ，钛酸锶钡( b s t ) 类相交型热释电材料的深入研究之后，一种新的探测机制建立起来了1 7 j 。对典型热释电材料研究的深入，伴随着铁电理论和热释电探测理论的发展和完善。虽然在热释电现象的理论研究方面还有许多未知的领域，但是热释电探测原理已经在热力学分析的基础上很好的建立起来了。1 9 7 0 年p u t l e y 全面总结和阐述了热释电探测器的工作原理及热探测器的理论探测极限n 在此基础上，他还演示了具有接近探测极限性能的单元探测器，为设计和制造有极限探测性能的探测器建立了基本原则。1 9 7 8 年l i u 等全面总结了热释电材料及期间的发展，指明了具有正常热释电效应的材料的局限【纠。1 9 8 6 年，再次全面总结了热释电探测器的原理，器件设计及应用，较系统地提出了介电测辐射热计效应的应用，对器件设计和制造中的一些关键因素作了简要地总结。随后，k u l w i c k t o l 、3m a r a l t 1 1 阍等又对随后的研究进展作了总结。这些理论和总结，基本上完整地勾画出了热释电探测在理论，材料及器件诸方面的发展状况。热释电成像探测的真正障碍，在于高性能材料的制备及器件的集成制造技术两个方面。早期的材料制备方法，只适于块状陶瓷或单晶材料，薄膜制备手段的局限，使成像探测器件的研究停滞不前，许多性能优异的材料如p s t 等无法得到应用，没有解决的关键问题是：薄膜材料无法表现出与块体材料相当的性能；薄膜制备方法不适于集成器件的制造。最早对集成制造的尝试围绕t g s 外延晶体、p v d f 及减薄单晶等，无法适应高性能器件的要求，只有p v d f 在一些低性能阵列中得到应用i d 1 4 j 。1 9 6 9 年，t o m p s e t t 在提出热释电摄像管概念的同时，首次提出具有绝热结构及永昌效应管寻址的热成像集成器件的概念。但是由于材料制备和器件制造技术的限制，真正具有集成制造思想的阵列器件的尝试，是o k u y a m a 等于1 9 8 1 年进行的【i 习，虽然当时利用溅射外延方法制备的钛酸铅在性能上并不理想，但薄膜沉积结合微加工技术的思想被广泛采用。随后，对集成器件性能影响很大的薄膜沉积技术经历了迅速的发展。溅射、m o c v d 、p l d 等方法得到应用，但是均没有像溶胶凝胶技术那样被广泛采用，这一技术本身特点，大大降低了薄膜制备的难度，是铁电薄膜研究进入了一个迅猛发展的阶段，多种材料的薄膜化及新材料的研究成为可能。更多的薄膜沉积技术在开发当中，其中m o c v d 方法是可以预见有效方法。成像探测器件的制造也经历了一些有代表性的发展阶段。最早的成功实例是热释电摄像管，仅在t g s 类材料中取得成功，其性能指标并不突出，性能改进空间很小，应用受到限制，研究也陷于停顿。随后，1 r i和p l e a s s e y 独立发展出混合集成热释电探测阵列，在经历一系列发展完善后，器件性能迅速达到相当高的水平，尤其是1 r i 研制的阵列，采用了工作于介电测辐射热计模式的b s t 陶瓷，性能优于p l e a s s e y 采用正常热释电材料p z t 陶瓷的阵列，这两种器件均不能采用标准硅集成工艺制造，因而成本高，性能提高空间小热释电材料的薄膜化及器件制造的集成为发展的必然。到2 0 世纪9 0 年代初，测辐射热计集成器件取得的出乎意料的进展，为热释电探测阵列的集成制造提供了新思路。p o l l a 等曾就热释电成像器件的单片集成制造进行过尝试l l ”8 1 ，但器件性能离使用还有很大一段距离测辐射热计集成器件所积累的设计和制造经验，为完善和提高热释电探测器性能提供了有益的经验。热释电探测器集成制造的另外一个契机是微机电系统和硅微加工技术的迅速发展和成熟，设计和制造出多种具有优良热学特性的器件结构。热释电探测阵列的集成制造问题，变成如何有效发挥薄膜热释屯材料的性能，及如何实现其与各类为结构的有机结合，仍然归结为薄膜制备和器件制造技术问题，但是已经被赋予新的意义。41 8 0 0 年，英国科学家海谢尔做了一个实验，他把阳光分成彩色光带以后，用温度计来测量各种光的温度，发现了一个奇怪的现象：靠近太阳光深红色光外的不可见部分，温度竞比红光还高。这是一个意外的发现。因为以前只知道太阳光有七色，至于在七色之外的黑暗中还存在着什么物质，是不清楚的于是，海谢尔设想在太阳的辐射中，除了可见光以外，一定还包含着一种人的肉眼看不见的辐射后来经过实验证明：这种辐射还存在于其他物体发出的辐射中。当时，人们就称它为“不可见辐射”由于这种“不可见辐射”是在红光的外边发现的，所以，后来就称它为红外辐射，又叫它红外线。此后，尤其是二次世界大战以来，随着对基本物理理论的不断深入研究以及新材料、新的微加工工艺的迅速发展，高性能新型探测器层出不穷。按照工作原理划分，红外探测器可以分为光予探测器和热探测器两大类。1 8 8 7 年，人们在实验室中成功地产生了红外线，使人们认识到：可见光，红外线和无线电波在本质上都是一样的。到了2 0 世纪，由于生产实践的需要，推动了各项新技术的发展，红外科学也从实验室走出来，开始应用到生产上，并形成了一门崭新的技术一红外技术红外线亦称“红外光”在电磁波谱中，波长介于红光和微波间的电磁辐射。在可见光的范围以外，波长比红光要长，有显著的热效应，可以用温差电偶、光敏电阻等仪器来测量，波长在0 7 7 3 微米为近红外区；3 3 0 微米为中红外区；3 0 1 0 0 0 微米为远红外区。红外线容易被物体吸收，转化为物体的内能：在通过云雾等充满悬浮粒子的物质时，不易发生散射、具有较强的穿透能力，红外线应用很广，可用以焙制食品、烘干油漆以及进行医疗等。物质对红外线的吸收光谱对研究物质的分子结构、化学分析及化学工业上的控制有重要意义军事上常用红外探测器来探测目标，以及红外通信等。七十年代以来，热释电探测器的理论研究有了一定的进展。在国外，美国t e x a s 仪器公司、i n f r a r e d 、s o l u t i o n 公司、英国g e c公司等在热释电红外探测器方面独树一帜。国内的上海技术物理研究所和昆明物理研究所在这方面研究也是很有成果的下面我们先介绍一下国外的发展状况：室温热释电红外探测器利用了铁电材料的热电性质，铁电元件吸收红外辐射w 后，因温度变化a r 使自发极化强度b 发生改变，引起材料表面电荷的变化q ，利用读出电路将该电荷的变化转换为电压或电流的变化，即可得到与之对应的红外辐射功率热释电红外探铡器没有直流响应，必须使用斩波器( c h o p p c r ) 以适当的频率周期性地改变入射辐射，才能得到与红外辐射相应的信号。热释电红外探测器可以分为混合式和单片式两大类。常用材料为钛酸锶钡( b s l ) 、锫钛酸铅( p 硼铁电陶瓷以及p v d f t r f e 聚合物等。5t e x a s 仪器公司首先利用钛酸锶钡( b s d 的热释电特性制成了混合式热释电红外探测别1 9 1 ，结构如图1 1 所示。探测器主要由热释电探测单元( b s t 像元) 和r o i c 两部分组成，先分别加工b a o “s r o 3 4 、t i 0 3 陶瓷薄膜和读出电路r o i c ，再利用热导率很低的铟( i n ) 柱进行倒装焊接。测得探测率d - - - - 2 5 x l o v c m h z 啦、矿1 。相应的3 2 8 x 2 4 5 元热像仪的噪声等效温差n e t d 1 0 0 m k 。尽管探测性能尚可，但整个加工过程复杂，不能完全采用集成电路工艺，其成品率不高、价格稍贵；由于倒装焊接焊料的热导一般要占探测器全部热导的4 0 以上，且不易找到合适的材料保证可靠的电学连接和较好的绝热性能。从而在很大程度上限制了混合式热释电红外探测器的性能。因此，人们提出了多种单片集成式的热释电红外探测器。图1 1 混合式室温b s t 热释电红外探测啜收版图1 2 单片式热释电红外探测器1 9 9 3 年，w v o n m u n c h 等人研究了用未极化的p v d f t r f e 聚合物作为主要热绝缘材料的单片式热释电红外探测器。结构如图1 2 所示。通过调节组份可降低p v d f t r f e 聚合物的热导率，仅为o 1 2 8 t w m k ，约为s i 0 2 的1 1 0 、s i 3 n 4 的1 8 0 通过旋转涂胶法( s p i n - c 0 砒i n g ) 在r o i c硅片上方制备两层1 0 z m p v d f o 爿t r f e o z s 聚合物薄膜，上层作为探测灵6敏元材料，下层薄膜作为隔热层。探测灵敏元的下电极分布在两层聚合物之间，并穿过下层聚合物薄膜与读出电路的m o s 管连接。探测器的探测率为d = 1 x 1 0 7c l n h z v 2 、矿1 。该探测器可以实现单片集成，但工艺步骤较为繁琐。特别是连接下电极与读出m o s 管时，首先要刻蚀a 1 形成掩模，再湿法刻蚀聚合物，很容易导致聚合物性质变坏。1 9 9 8 年，n o r i of u j i t s u k a 等人利用硅微机械加工技术制作了一种单片式热释电红外探测器。结构如图1 3 所示该探测器在硅衬底上通过各向异性腐蚀形成空腔，由四条支撑臂将热释电薄膜支撑在空腔上方，只有细长的支撑臂作为热流通道，从而大大降低了热导。热释电材料采用p v d f 聚合物，薄膜厚度为0 7 z m 。金属电极采用热导率比a f 小一个量级的钛( m ) 电极。撵铡冗谖出嘴图1 3p v d f 单片式热释电红外探测器真空中测得探测率d 。= 2 4 x 1 0 v c m h z 坭w 。1 ，响应率r v = l x l 0 4 v w 。整套工艺相对简单，探测率也有了一定的提高，但空腔、支撑结构与读出电路分布在同一水平面上，占据了很大硅片面积。l p h a m 等人研究了一种基于微桥结构的垂直式热释电红外探测器i 驯。结构如图1 4 所示。微桥架于r o i c 的上方，探测灵敏单元和r o i c 呈垂直分布状。微桥支撵膜材料选用多晶硅，在除去磷硅玻璃( p s g ) 牺牲层后，形成高0 跏m 的空腔，微桥仅有两个支撑接触面和r o i c 接触。探测灵敏材料为溶胶凝胶( s 0 1 g e t ) 法制得的o 3 6 u m 厚的锆钛酸铅( p 厕薄膜。上电极采用铬( c r ) 材料并兼作吸收层，下电极为t v p t ，s i 3 n 4 作为集成电路的钝化保护层。在制作的6 4 3 6 4 元列阵中，像元尺寸5 0 m m x 5 嘞m ，测得最大响应率r v = 1 2 1 0 4 v w ，探测率d = 2 x1 0 s c m h z 堀、矿1 可见，微桥结构的热释电红外探测器具有较高的灵敏度，敏感单元和r o i c 不在同一平面上，因而占用面积小，填充因子较大但这种微桥结构的支撑腿是“卧式”的，和下层读出电路的接触面积过大，即热流通道过宽，且支撑薄膜材料为多晶硅，其热导率比s i 0 2 或s i 3 n 4 都要大得多，热导仍然较高所以，进一步降低热导仍是提高探测器性能需要解决的问题。对热释电探测器的应用已有快速发展人们投入很大力量来研制可以大量生产的简单探测器和性能接近理论极限的先进结构比如它们用7i j t a 0 3 等高熔点氧化物材料制造，既使制造工艺大为简化，同时又使应用过程中可靠性大为提高。这一工艺进展使热释电探测器阵列再度受到重视。在需要中规模阵列( 1 矿元) 的场合下，热释电探测器阵列与电荷耦合器件或其他类型的多路传输读出装置相结合，可取得良好性能，而且最终可制成大型二唯阵列( 1 0 5 一1 0 6 元) ，其性能将超过热电摄像管。由于热电摄像管本身已证明适用于各种热成像应用，故大型二位阵列将显著扩大优质成像经济可行的应用范围。图1 4 垂直式分布热释电红外探测器在热释电探测器方面的论文中，斯托科夫斯基等人的论文很引入注目，他们用离子束加工等新型制造工艺来制造高灵敏的h t a 0 3 探测器，这项工作在1 9 7 8 年度1 0 0 项最佳新产品的工业研究试制竞赛中获奖。哈德尼等人也提出了主要用于亚毫米波段的优质探测器的新制造技术。最近介绍热释电探测器应用的论文有埃伯斯、巴顿和麦科尔等以及哈通和朱尔盖特。又一个日益重要的领域可能很适合使用热释电器件，这就是研制2 6 - - 3 3 微米谱带的辐射计【2 1 1 ，用于晴空大气涡流探测，减少高空飞机的危险。国内方面以上海物理技术研究所为代表在热释电方面取得突破性进步。2 0 0 5 年9 月，昆明物理研究所采用锆钛酸铅( p z t ) 体材料、研制成功1 6 0 1 2 0 元、探测元中心尺寸5 蛳m 5 叽m 的非制冷焦平面探测器。目前大量生产的热释电探测器使用l i t a 0 3 或为提高热释电性能而改变的钛锆酸铅陶瓷。还使用铌酸锶钡( s b n ) 弄i i 聚偏二氟乙烯薄膜。聚合物薄膜将随着对其认识的提高而扩大使用。热释电材料的发现较早，可追溯到2 3 0 0 年前，但最近2 0 年来它们才被广泛应用，一些与热释电探测器应用相关的重要特性如下：1 1 热释电材料对其温度变化响应，而不是对温度本身响应；2 1 它们几乎可探测任何波长的辐射，从软性x 射线到远红外，甚至粒子：3 ) 用光学滤波器可设计不同工作波长的探测器；4 1 材料呈电容性，热损耗极小、不需致冷；5 1 介质本身的热噪声占主导地位，因此有些热释电材料的信噪比较8低；国用c z o c h a r l s k i 方法可制出廉价的热释电晶体。下面就热释电探测器几个典型应用方面讨论一下：1 被动红外报警目前热释电探测器最大的市场是用于被动红外报警，在工业上每周都要消耗掉数千只这类探测器。人体辐射峰值波长在9 - 1 0 m m 。作为对人入侵报警用的探测器，室温工作，长波响应的热释电探测器是最适宜的。在这种应用中。可省去调制器，人的运动就可以实现辐射目标的自调制。对应人行走的速度。电路带宽取0 1 h z 到1 0 h z 之间。为了消除杂散光，例如太阳光干扰，一般采用7 9 m 前截止滤光片。使其只透过大于和m 的红外辐射。如果是室外使用，环境温度变化大，有风等情况，最好使用双元补偿型器件，它可使来自环境变化的噪声相互抵消，避免了误报警。来自人体的红外辐射只照射到一只光敏元上，因而有信号输出。2 红外测温用热释电探测器作为灵敏元件的红外测温仪，需要一个透镜来限制视场，还用一个斩光器来调制入射辐射。探测器测量来自斩光器和目标之间的辐射能量差。为了使测量准确，必须知道在所监测波长范围内目标的发射系数。对一给定的温度差，不论目标的温度比斩光器的温度高还是低，探测器的输出信号幅度都是相同的，因此需要一个相位敏感的探测系统用来消除这种模糊因素红外测温仪的市场是很大的i 捌，例如1 9 8 4 年国内测温仪的年销额为6 3 0 万元，而引进的数额为1 0 0 万元，这些测温仪中使用的探测器有相当一部份是热释电探测器，尤其是在。一_ 5 0 0 的低温检测范围内，正可充分发挥热释电探测器的特长，使它在测温仪中获得最佳应用。在这种应用中大多数是使用i a t a 0 3 探测器有人统计在国内热释电探测器的各种应用中，测温方面的应用即占6 5 左右。特别是在2 0 0 3 年的非典期问，这种需求达到了高峰。非接触式红外测温仪不需要接触物体即可测得物体的温度，它的这个特点使得在一些比较危险的行业进行测温成为最好的选择。2 0 0 3 年的非典也使对非接触式红外测温仪的研制开发达到了顶峰。由于需求量的增大，使得人们希望能有测温性能稳定，测温距离较远而价格又很便宜的非接触式红外测温仪投入市场以满足社会的需求3 气体分析和光谱学应用有人称这两种应用是高水平应用，因为在这两种应用中，探测目标都是单色光，目标发射能量小，要求器件灵敏度高这类仪器价格昂贵，使用范围不可能很广，因此，市场范围较小。4 激光应用9热释电探测器对于红外激光( 例如c 0 2 ，h c n 和其他的长波长激光)是最有效的敏感元件，这些长波长激光是硅二极管不能探测到的。热释电探测器已广泛应用于激光通信，激光辐射测量和激光的调整校准和监控。在这种应用中，虽然对探测器的灵敏度要求不苛刻，但是对其坚固性及响应速度都有相当的要求。已经研制出专门用于探测激光脉冲的热释电探测器，其上升时间小于l n s 5 热成像热释电摄像管，热释电线阵及面阵探测器是室温工作的热成像器件。热释电摄像管产生的热像分辨率大约为0 2 。据报道团】，英国皇家讯号雷达研究实验室研制的1 6 4 元列阵，器件d 约为l 1 0 c m h z l 2 、矿1 。工作频率为l o _ 一1 0 0 h z 时，等效噪声温差( n e t d ) 可达o 2 ，所摄热像已接近电视图像水平。该实验室和p l e s s c y 公司合作研制的1 6 x1 6 熟释电( c c l ) 焦平面列阵，其n e t d 接近0 5 c 。摄出了较清晰的人脸热像。另据报道，已经制成3 2 1 0 元i a t a 0 3 列阵。它所得到的热像相当于热释电摄像管或低性能的前视仪的图像。目前对非致冷的成像器件的需要正与日俱增。热释电器件的性能已可以充分满足许多要求不高的成像应用。用热释电材料和硅集成的全固体热像传感器将是进一步研究的方向。热释电探测器运用于尖端技术领域和用作简单的热辐射探测器均取得成功，保证了它在红外器件中继续有一定地位。1 3 本文研究内容及意义热释电探测器是根据热释电效应工作的一类新型红外探测器。在2 0世纪6 0 年代有人提出将热释电效应用于红外探测，但由于受当时可用材料的限制而没能实现。大约十年后，到了2 0 世纪7 0 年代初才得以迅速发展，做出了实用的热释电探测器。第二次世界大战前不久就首先提出了使用热电效应探测红外线。由于发现了性能更吸引人的新材料，加之日益需要的不需制冷的热探测器，并要求它比热敏电阻测辐射计或比较牢固的各类温差电堆或高莱元件更坚固，更适用于工业和军事环境中；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这些条件的结果以使热电探测器受到很大的重视，成为目前研究最广泛的红外探测器。与光子探测器相比，热释电探测器虽然灵敏度较低，但具有光谱响应宽( 可见至亚毫米区) 和室温工作等优点：与热敏电阻、热电偶和热电堆等其它热探测器相比。又具有可从十几赫的低频到上千赫的高频的很宽频率响应特性，甚至也可以制成响应时间小于微秒级的特快速热释电探测器，所以这种探测器颇受重视，发展迅速。1 0由于热释电探测器具有较宽的线性动态特征，使它在激光测量中获得广泛应用，在空间技术中，主要用来测量温度分布和湿度分布，或用于搜集地球辐射的有关数据。正是由于热释电探测器的广泛应用，如何提高其性能成为值得研究的一大课题【2 4 1 。我们可以通过理论计算得到很多方法来实现热释电探测器性能。比如在材料方面、以及元件大小、尺寸面积的选择上尽量作到与理想值相接近这样可以在有限条件下使热释电探测器性能最大限度的提高研制多元探测器时，不能选择太小的元件面积和使用较低频率，否则电流响应率将降低。或铁电薄膜材料比较适宜研究和生产的实际情况，将会为红外热释电材料的优选材料等等。本文的主要内容和特点如下：1 ) 我们将采用的物理模型比较切合实际，把衔接条件与边界条件结合在一起，并考虑到了边界对内部的影响，因而导出的响应度的理论值较好的将与实验值符合，导出比较简单的公式，以便于使用。2 ) 本文就分析实验以后将采用一般的二维讨论方法。而且对于热释电晶体尺度的设计和工艺，会提出了一些参考意见根据热释电红外探测器的结构和实际的测试条件，对热释电红外探测器的响应率、响应时间、平衡度会进行了理论公式推导、以推导方程得出如何改变材料、尺寸、大小以提高热释电探测器的灵敏度和信噪比及其他性能。1 1第二章热释电探测器2 1 红外探测器概述和分类2 1 1 红外探测器概述和分类红外探测器是红外探测系统中的核心元件，它是把入射的红外辐射能转变成其他形式能量，在多数情况下是转变电能，或是变成另一种可测量的物理量，如电压、电流或探测材料其他物理性质的变化。随着半导体材料，工艺技术和器件的发展，根据红外辐射与物质相互作用时产生的各种次级效应，到目前研制出结构新颖、灵敏度高、响应快、品种繁多的红外探测器。根据探测机理的不同，将它们分为热探测器和光子探测器两大类p j 。热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化、自发极化强度变化、或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。利用其中的任一性能，就可以制成一种热探测器，下面分述如下1 测辐射热电偶和热电堆测辐射热电偶是利用温差电效应制成的红外探测器。把两种不同的金属或者半导体细丝连接成一个封闭电路，当一个接头吸引红外辐射，因而它的温度高于另一个接头时，环内就产生电动势，从电动势的大小可以测定接头处所吸收红外辐射功率若干个热电偶串接在一起成为热电堆。2 金属或半导体热敏电阻测辐射热器当吸收红外辐射温度升高时、金属的电阻率增加、而半导体的电阻率却减小，从它们电阻率的变化可以测定被吸收的红外辐射的功率。另外，某些金属和化合物具有超导的特性，利用这些材料在转变温度( 其电阻突然变为零的临界温度) 临近时电阻率随温度变化非常陡峭的特性，可以制成超导测辐射热器。耳前，在高临界温度氧化物超导材料的制各方面，以复旦大学经验为例，以1 ：2 ：3 的高纯氧化钇，碳酸钡和氧化铜经研磨，压制和煅烧后可得到零电阻温度在8 5 9 1 k 的黑色超导材料。3 气动探测器当吸收红外辐射温度升高时，在体积一定的条件下，气体压强增加。从压强增加可以测定被吸收的红外辐射功率。这样的红外探测器叫做气动探测器，常见的一种为高莱管。4 热释电探测器有些晶体，如硫酸三甘酞、铌酸锶钡等，当受到红外辐射照射温度升高时，引起自发极化强度变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间产生为微小电压，由此能测量红外辐射的功率。光子探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起几种电学现象，统称为光子效应，从光子效应的大小可以测定被吸收的光子数。依据所产生的不同电学现象，制成各种光子探测器i 撕l 。包括光电子发射探测器、光电导探测器、光伏探测器、光磁电探测器。1 光子发射探测器当光照射在某些金属，金属氧化物或半导体材料表面，如果光子的能量知足够大，就能使其表面发射电子，这种现象叫做光电子发射。利用这种效应制成的可见光探测器和红外光探测器，统称为光电子发射器件。其中有真空光电二极管和光电倍增管，这种探测器有响应快的优点( 仅几个毫微秒) ，但大部分的光电子发射器件只对可见光起作用，用于红外区的光电阴极有s 一1 ( a g o c s 阴极) 和s 一2 0 ( n a k - c s s b 阴极)及i i i - - v 族负电子亲和势光电阴极。s 一1 峰值在0 8 铋m 处，峰值处的量子效率为0 4 ，长波限在0 8 7 m m 处，所以它基本上还是可见光的光电阴极。2 光电导探测器光电导探测器的机理是探测器吸收了入射的红外光子，产生自由载流子，进而改变了敏感元件的电导率。可以对光导探测器加一个恒定的偏流，检测电导率的变化。敏感元件的电阻可表示为：即寺式中f 为长度，a d 为敏感元面积，a 为电导率。光导探测器响应率正比于光照后电导率的相对变化，而后者又可表示为：a 仃r r r e口d 盯式中：1 1 为量子效率，- 为自由载流子寿命；i i 为迁移率，c 是电子电荷量，d 为探测器厚度。从式中可看出，高响应率要求探测器有较高的量子效率、自由载流子寿命长、迁移率高、厚度应最小。自由载流子寿命取决于复合过程，在一定程度上可由材料配方和杂质含量来控制。自由载流子寿命是一个极其重要的参数，除影响响应率外，还影响探测器的时间常数。高响应率还要求探测器在无光子辐照时有较低的电导率，即将非光子效应产生的载流子数降低到最小。对长波响应的探测器材料，必须有小的禁带宽度，但禁带宽度小，在室温下，无光照就会产生大量热激发载流子，只能通过致冷探测器来解决。一般来讲，如不致冷的话，大多数光电导探测器的响应波段不会超过3 微米。响应波段在3 到8 微米的，要求中等致冷( 7 7 k ) 。响应超过8 微米的，要求致冷到绝对温度。当光导探测器面积一定时，高响应率需要高的量子效率，以便进可能利用所有入射光子，可在敏感元后面设反射器或敏感元表面镀增透膜。光导探测器的输出阻抗较低，要求毫安级的恒流偏置，实际做法是用恒压源经一个串联的负载电阻产生所需的偏流。负载电阻阻值应远大于探测器内阻，电压源要求低纹波，避免引入噪声。探测器输出通过电容耦合到前置放大器，由于前放输入通常为毫伏级的弱信号，前放放大倍数高达数千倍，前放应有较低的噪音系数，设计中一般要求前放的等效输入电压噪声为探测器的1 1 0 ，即认为此时可忽略放大器本身噪声的影响。前放输入阻抗与探测器输出是否匹配对放大器的噪音系数影响很大，是设计中必须考虑的因素。3 光伏探测器光伏探测器利用光生一伏特效应。在光伏过程中，半导体内部或半导体表面存在一个p n 结。入射光子产生电子空穴对，然后被结上的电场分开，在探测器输出开路情况下可形成光电压。如将探测器输出短路，可产生短路电流。光伏探测器受到辐照后，其伏安特性曲线特性将会下移。设信号的辐射通量为巾。，则光电流为：- r e 屯式中：r l 为量子效率，c 为电子电荷量。使用时可选择合适的工作点。一般说来，光伏探测器工作于短路状态时，即零偏压状态，能产生最佳信噪比。有时也对光伏探测器加适当的反向偏置。加反向配置能增加耗尽层的厚度，从而减小时间常数，探测器有较好的高频特性。探测器开路状态工作时，后接放大器应有较高的输入阻抗，可对光伏器件输出开路电压v 0 进行电压放大。如光伏探测器工作于短路状态，输出短路电流i s c ，后接放大器的输入阻抗应很低。光伏探测器在理论上能达到的最大探测率比光电导探测器大4 0 。另外，光伏探测器能零偏置工作，由于是高阻抗器件，即使加反向偏置，偏置功耗很低。与同样为高阻抗的c m o s 读出电路也容易匹配l z - o 。因此，红外焦平面探测器至今均是光伏型的。光伏器件即可用于辐射探测，也可用作能量转换如太阳电池或光1 4电池就是在不加偏置电压条件下工作的，其工作点在伏安曲线的第四象限，工作机理也是光生一伏特效应，只是器件结构更注重能量的转换效率而已。4 光电磁探测器光电磁探测器由本征半导体材料薄片和稀土永久磁铁组成，入射光子产生的电子空穴对被外加磁场所分开，它不需要电偏置。这类探测器不需致冷，可响应到7 微米。主要特点是时间常数i l i d , ，可小于l n s 。由于光电磁探测器的探测率比光导和光伏型的低得多，一般很少使用2 1 2 热释电效应和热释电探测器的新器件热释电探测器是利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的效应制成的种热敏型红外探器。熟释电材料是一种具有自发极化的电介质，它的自发极化强度随温度变化，可用热释电系数p 来描述，p = d p d t( p 为极化强度，t 为温度) 。在恒定温度下，材料的自发极化被体内的电荷和表面吸附电荷所中和。如果把热释电材料做成表面垂直于极化方向的平行薄片，当红外辐射入射到薄片表面时，薄片因吸收辐射而发生温度变化，引起极化强度的变化。而中和电荷由于材料的电阻率高跟不上这一变化，其结果是薄片的两表面之间出现瞬态电压若有外电阻跨接在两表面之间，电荷就通过外电路释放出来。电流的大小除与热释电系数成正比外，还与薄片的温度变化率成正比，可用来测量入射辐射的强弱。1 9 3 8 年就有人建议利用热释电效应制造红外探测器，直到1 9 6 2 年，j 库珀才对此效应作了详细分析，并制成红外探测器。热释电型红外探测器都是用硫酸三甘酞( t g s ) 和钽酸锂( l i t a 0 3 ) 等优质热释电材料d 的数量级为1 0 s c k c m 2 ) 的小薄片作为响应元，加上支架、管壳和窗1 2 1 等构成。它在室温工作时，对波长没有选择性。但它与其他热敏型红外探测器的根本区别在于，后者利用响应元的温度升高值来测量红外辐射，响应时间取决于新的平衡温度的建立过程，时间比较长，不能测量快速变化的辐射信号。而热释电型探测器所利用的是温度变化率，因而能探测快速变化的辐射信号。这种探测器在室温工作时的探测率可达舻1 2 x 1 0 9 c m h z v 2 、矿l 。7 0 年代中期以来，这种探测器在实验室的光谱测量中逐步取代温差电型探测器和气动型探测器1 2 s j 热释电探测器是利