熱電堆紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

1、熱電堆紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試在紅外系統(tǒng)中 , 紅外探測(cè)器是最關(guān)鍵的元件之一, 是紅外裝置的心臟 , 利用紅外探測(cè)原理將紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。熱電堆紅外探測(cè)器是非制冷型探測(cè)器 , 具有以下特點(diǎn)： 1) 可以在室溫下工作 , 而且制造成本低； 2) 對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的紅外輻射均有響應(yīng)； 3) 接收到紅外輻射后 , 是通過(guò)聲子對(duì)晶格溫度的影響, 進(jìn)而影響該探測(cè)器的電學(xué)性能； 4) 檢測(cè)恒定的輻射量 , 在恒定的紅外輻射量下就會(huì)有響應(yīng)輸出。熱電堆紅外探測(cè)器在軍事和民用上應(yīng)用也極其廣泛。本論文以熱電堆紅外探測(cè)器為研究對(duì)象 , 從理論與工藝兩方面進(jìn)行了探索, 在此基礎(chǔ)上 , 對(duì)該探測(cè)器進(jìn)行了性能測(cè)試

2、。理論上 , 針對(duì)本文設(shè)計(jì)的熱電堆紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu), 建立了探測(cè)器一維熱穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型 , 從五個(gè)方面 ( 吸收區(qū)尺寸、熱偶條尺寸、 介質(zhì)支撐膜尺寸、 背腔腐蝕窗口尺寸、測(cè)試條件 ) 表述了對(duì)熱電堆紅外探測(cè)器性能的影響。此外 , 對(duì)探測(cè)器進(jìn)行了熱穩(wěn)態(tài)有限元仿真和瞬態(tài)有限元仿真, 得到了探測(cè)器的溫度分布云圖、熱量梯度分布云圖、熱通量分布云圖、溫度分布路徑分析圖和響應(yīng)時(shí)間仿真圖, 對(duì)于探測(cè)器接受紅外輻射之后的熱響應(yīng)有了直觀的表象。熱電堆紅外探測(cè)器的整個(gè)制備過(guò)程是在中國(guó)科學(xué)院微電子研究所加工完成的 , 為了能夠順利地完成整個(gè)流片過(guò)程 , 我們首先進(jìn)行了一系列的關(guān)鍵工藝的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：熱電堆紅外探測(cè)器介質(zhì)支

3、撐膜的制備單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)； 熱電堆紅外探測(cè)器多晶硅熱偶條方阻測(cè)試單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)； 熱電堆紅外探測(cè)器多晶硅、 氮化硅刻蝕條件單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；熱電堆紅外探測(cè)器鈍化層制備的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)； 熱電堆紅外探測(cè)器反射層制備的單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)；熱電堆紅外探測(cè)器背腔腐蝕硅方案驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上, 設(shè)計(jì)了完整的工藝流片過(guò)程 , 成功地制備出基于單層低應(yīng)力氮化硅薄膜的熱電堆紅外探測(cè)器。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方面 , 本文對(duì)熱電堆紅外探測(cè)器進(jìn)行了以下幾方面的測(cè)試：熱電堆紅外探測(cè)器吸收區(qū)紅外透射譜測(cè)試；熱電堆紅外探測(cè)器不同結(jié)構(gòu)尺寸性能測(cè)試對(duì)比實(shí)驗(yàn)；熱電堆紅外探測(cè)器頻率響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)；熱電堆紅外探測(cè)器黑體爐溫度響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)； 熱電堆紅外探測(cè)器吸收層紅外吸收特性對(duì)

4、比實(shí)驗(yàn)；熱電堆紅外探測(cè)器反射層覆蓋性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以上測(cè)試結(jié)果表明探測(cè)器受結(jié)構(gòu)尺寸變化( 吸收區(qū)尺寸、熱偶條長(zhǎng)度、背腔腐蝕窗口尺寸) 而表現(xiàn)出不同的響應(yīng)；在不同調(diào)制頻率作用下 , 探測(cè)器的響應(yīng)率和探測(cè)率會(huì)隨著頻率的增大而減小, 這與探測(cè)器本身的熱容變化密不可分；在不同黑體爐溫度下( 范圍在 403K-823K), 本文所設(shè)計(jì)的探測(cè)器會(huì)由于不同的等效紅外吸收率而在溫度較低區(qū)域顯示更好的性能；在性能改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中 , 添加碳黑和金屬反射層對(duì)探測(cè)器的性能有顯著提高。本文研究創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在：a) 突破了傳統(tǒng)的 SiO2-Si3N4 三明治式介質(zhì)支撐膜的制備方法 , 采用單層低應(yīng)力氮化硅薄膜作用為探測(cè)器的介質(zhì)支撐膜, 實(shí)現(xiàn)了厚度可調(diào)的探測(cè)器介質(zhì)支撐膜的簡(jiǎn)單工藝制備方法。b) 結(jié)合 APIE 封蠟和 CRY封蠟保護(hù)探測(cè)器正面圖形的方法, 方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn) , 大大提高了探測(cè)器的成品率。c) 本文研究了熱電堆紅外探測(cè)器吸收區(qū)紅外透射光譜 , 得到了不同厚度的紅外吸收薄膜的紅外透射譜和添加碳黑前后的吸收區(qū)薄膜的紅外透射譜 , 采用分段擬合的方法更為準(zhǔn)確地定量