微電容式室溫紅外探測(cè)器的性能分析.pdf

1、紅外探測(cè)在現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)中一項(xiàng)被廣泛的關(guān)鍵技術(shù)，各種紅外探測(cè)器廣泛應(yīng)用于成像、跟蹤、預(yù)警、遙感、輻射測(cè)量、自動(dòng)控制和激光探測(cè)等許多方面，在軍事和經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。紅外探測(cè)器是紅外探測(cè)系統(tǒng)中的核心元件，它將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的物理量。隨著半導(dǎo)體材料、工藝技術(shù)和器件的發(fā)展，根據(jù)紅外輻射與物質(zhì)相互作用時(shí)產(chǎn)生的各種效應(yīng)，目前已經(jīng)研制出結(jié)構(gòu)新穎、靈敏度高、響應(yīng)快、品種繁多的紅外探測(cè)器。特別是在以微小尺度為特征的微機(jī)械技術(shù)(MEMS

2、)更使得紅外探測(cè)器的研究日新月異，邁入高速發(fā)展的時(shí)代。 本實(shí)驗(yàn)室提出的新型微電容式室溫紅外探測(cè)器主要采用特殊氣體作為吸收介質(zhì)，特殊氣體吸收對(duì)應(yīng)波段的輻射能量，使得氣體分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能量和振動(dòng)能量增大，從而使得氣體的壓強(qiáng)增大，在腔內(nèi)壓強(qiáng)的推動(dòng)下，使得敏感薄膜向下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生電容變化，通過(guò)測(cè)量電容的大小就可以得出相應(yīng)紅外波段的輻射強(qiáng)度，起到探測(cè)的作用。 由于采用低熱容、對(duì)特定紅外波段具有強(qiáng)烈吸收能力的氣體介質(zhì)作為敏感源，使得其響應(yīng)

3、速度比一般的室溫紅外探測(cè)器速度要快得多。相比與光量子紅外探測(cè)器件，新型微電容式室溫紅外探測(cè)器無(wú)需制冷，并且可以針對(duì)不同探測(cè)需求，選擇具有不同吸收波段的氣體，實(shí)行指紋吸收；器件采用硅微機(jī)械工藝制備，體積小、可靠性高、成本低，且能單片集成或混合集成微型化，適用于批量制造。 本論文著重研究了基于微電容讀出的室溫紅外探測(cè)器。其主要內(nèi)容如下： 回顧了室溫紅外傳感器件的發(fā)展，介紹微電容式室溫紅外探測(cè)器的研究及發(fā)展。介紹了器件的工作原

4、理和工藝實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)器件制備過(guò)程中需要注意和改進(jìn)的地方做出說(shuō)明。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論分析，對(duì)器件的性能參數(shù)進(jìn)行了分析。根據(jù)微電容式室溫紅外探測(cè)器的工作原理和相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得到了器件的靈敏度；運(yùn)用經(jīng)典的熱傳導(dǎo)和電路等效理論，建立了器件的等效熱模型，推導(dǎo)得到器件模型的等效熱導(dǎo)和等效熱容；對(duì)器件的噪聲特性進(jìn)行了分析，推導(dǎo)得出器件的等效噪聲功率約為9.97×10-9W/HZ1/2。模擬得到作為器件關(guān)鍵部件的可動(dòng)彈性硅薄膜的振動(dòng)特性，并

5、對(duì)薄膜在沖擊振動(dòng)和諧振動(dòng)下的方程進(jìn)行了求解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析得出室溫紅外探測(cè)器的微通道深度在小于6μm的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)器件失效，并對(duì)此現(xiàn)象做出相應(yīng)的理論解釋。 研究了紅外增透窗口結(jié)構(gòu)在室溫紅外探測(cè)器中的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)紅外透射譜線和器件在增透窗口結(jié)構(gòu)和普通硅片結(jié)構(gòu)下的響應(yīng)曲線的分析，發(fā)現(xiàn)紅外增透窗口在低功率下對(duì)器件響應(yīng)有提高，高功率下氣體吸收接近飽和，增透窗口效果不明顯。分析了在采用不同的窗口結(jié)構(gòu)封裝的器件，氣體的紅外輻射吸收系數(shù)隨氣體

6、濃度和腔室深度的變化，在氣體濃度較低和和腔室深度較淺的情況下，增透窗口結(jié)構(gòu)對(duì)于輻射吸收改進(jìn)效果不大。通過(guò)在腔室底部鍍?cè)龇茨?lái)增加氣體的吸收，會(huì)使得紅外增透窗口結(jié)構(gòu)的效果更為明顯。 測(cè)試了紅外增透窗口和硅片封裝的室溫紅外探測(cè)器在激光激勵(lì)下的響應(yīng)，能測(cè)試得到響應(yīng)的最小激勵(lì)信號(hào)為1mW；測(cè)試了器件在黑體輻射下的響應(yīng)，在黑體500K，距離8cm時(shí)測(cè)得了明顯的響應(yīng)曲線。器件黑體探測(cè)率提高了近一個(gè)量級(jí)，達(dá)到5.88×104cmHz1/2/W