微测辐射热计用氧化钒薄膜制备及特性

热敏薄膜电阻制备是非致冷微测辐射热计红外焦平面的一项关键技术。对目前在非致冷微测辐射热计研制中得到成功应用的氧化钒薄膜的特性、制备及表征技术进行综述。氧化钒存在多种物相和结构 (VOx:0 相似文献   

双层红外微测辐射热计的微桥结构仿真

非制冷红外探测器具有广阔的军事和民用前景。近年来,出现了一类性能优越的新型双层微测辐射热计型红外探测器。利用有限元分析方法和光学导纳矩阵法详细研究了两种类型的双层微测辐射热计的主要性能。结果表明,双层微测辐射热计的综合性能优于单层微测辐射热计。其中,双层S型结构的温升最优,但其力学稳定性较差,难以满足实践需要;双层U型结构的温升虽低于双层S型结构的温升,但明显优于单层微桥;重要的是,双层U型结构在光吸收性能、力学稳定性、器件制造等方面均优于双层S型结构。所以,双层U型结构的综合性能更优。还设计了一种综合性能更优的改进型双层U型结构。     

微测辐射热计的红外热响应模拟

利用有限元法对微桥结构的测辐射热计进行了二维热模拟.定量地分析了探测单元的大小尺寸、支撑层的厚度,支撑臂的长度和宽度、引线材料的选取等对微测辐射热计探测单元在红外辐射下温度的变化和热响应的快慢情况.评估了真空封装对微测辐射热计红外响应的影响.同时作为比较对平板空腔结构的红外探测器也进行了分析.     

基于CMOS工艺的横向多晶硅p^＋p^-n^＋结红外微测辐射热计

基于多晶硅p-n结正向压降的温度特性,应用标准CMOS工艺,结合体硅微机械加工技术,研制成功非制冷红外微测辐射热计.本文详细分析了横向多晶硅p+p-n+结的温度特性,给出了正向压降温度变化率的理论表达式和实验测量值;并描述了微测辐射热计的设计思路和制作工艺.实验结果表明在室温(284～253K)附近,横向多晶硅p+p-n+结正向压降的温度变化率为1.5mV/K;在3～5μm红外波段,微测辐射热计的电压响应率为5.7×103V/W,黑体探测率D*为1.2×108cm.Hz1/2.W-1.     

双层伞状开孔的微测辐射热计红外吸收分析

建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论,采用三维电磁仿真软件CST,对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明,双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后,在保持较高的红外吸收特性的基础上,减少了探测单元热容,从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%,满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。     

非制冷长波红外焦平面列阵现状

文章介绍了非制冷测辐射热计和铁电陶瓷焦平面列阵的现状，包含8万个非制冷氧化钒红外探测器的焦平面列阵已制成热像仪，系统的噪声等效温差（NETD）为0．04℃，不需要制冷和机械调制入射辐射。多晶硅热敏电阻和硅p－n结温差电堆焦平面列阵的研究工作取得了进展，用溅射和化学汽相淀积技术已制成128×128元硅薄膜测辐射热计焦平面列阵，单元探测器的探测率为1×109cmHzW－1；128×128元温差电堆焦平面列阵的NETD为0．5℃。利用热释电效应和介电常数温度变化的铁电陶瓷焦平面列阵制成的热像仪，NETD已达到0．047℃。     

基于非晶硅薄膜的微测辐射热计光学仿真和优化

基于非晶硅薄膜的非制冷微测辐射热计具有结构简单、易于大规模集成、工艺兼容以及良好探测性能等特点,在红外探测领域等受到关注。引入氮化钛薄膜作为新型红外吸收材料,通过光学导纳矩阵法,对基于非晶硅薄膜的微测辐射热计的红外吸收特性,进行了仿真和优化研究。结果表明,非晶硅微测辐射热计中,氮化钛/非晶硅复合薄膜具有良好的红外吸收性能。当非晶硅薄膜厚度为120 nm时,由氮化钛/非晶硅组成的膜系在8～14μm范围内具有96%左右的红外吸收率,其中氮化钛薄膜的最佳吸收厚度为32nm。     

基于氧化钒热敏特性的太赫兹探测器

采用氧化钒(VOX)薄膜作为热敏层的非制冷红外微测辐射热计在红外探测方面已取得很大成功,而当将其用于波长更长的远红外太赫兹(THz)波探测时其中存在的不足就会体现出来。介绍了基于微测辐射热计设计的 THz 探测器所需的 THz 波吸收材料、VOX热敏材料及信号读出电路应满足的基本要求,为研制 THz 波探测器提供了必要参考,并给出已研制成功的 VOX热敏薄膜材料的部分性能实验结果。     

非制冷红外微测辐射热计的研制

采用多晶硅薄膜材料作为热敏电阻材料，以普通的ＩＣ工艺及微机械加工技术研制成功了在室温下工作的红外微测辐射热计，其多晶硅电阻温度系数为－２％℃－１，探测率Ｄ＊达２×１０８ｃｍ·Ｈｚ１／２·Ｗ－１．     

微测辐射热计的等效模型

微测辐射热计是一种应用前景广阔的非致冷型红外焦平面器件.这里用热平衡理论和噪声理论详细分析了微测辐射热计探测单元的热学、电学和噪声特性.建立了较为全面的微测辐射热计探测单元Spice模型,并对该模型进行了热学行为和噪声特性的仿真,由仿真结果对探测单元的工作方式和特性建立了具体、直观的认识,为下一步的设计工作打下了坚实的基础.     

模拟分析具有表面等离子体效应的纳米光学天线及其阵列

基于时域有限差分方法,模拟分析了位于介质材料上的杆形和蝴蝶结形两种金纳米天线及杆形天线阵列.结果表明天线近场光斑直径约可以达到波长的1/11,蝴蝶结形天线的光斑强度可以比入射光场增强91倍.杆形天线阵列仍可以实现这种增强效应.蝴蝶结形天线中光场增强最高可以达到28000倍,而且局域化的光场町以耦合到天线臂上的纳米颗粒.     

蝶形天线增强的InP基室温HEMT太赫兹探测器研究

采用分子束外延技术制备了InP基HEMT样片,室温下样片迁移率达10 289 cm2/（Vs）。通过光刻、腐蚀、磁控溅射、点焊等工艺技术制备出了蝶形天线耦合的太赫兹探测器件。器件采用的蝶形天线经HFSS软件仿真优化后,天线S11参数为-40 dB,电压驻波比（VSWR）为1.15,增益可达6 dB,并与二维电子气沟道实现阻抗匹配。在VDI公司0.3 THz肖特基二极管太赫兹源辐照下进行器件测试,测试结果表明,室温下器件噪声等效功率（NEP）为40 nW/Hz1/2,探测响应度46 V/W,器件响应时间优于330 s。     

非制冷红外热像仪人体表面温度场测量及误差修正

利用非制冷红外热像仪测量人体表面温度场,除具有快速、非接触和量程短等特点外,还对测温精度有较高要求。针对非制冷微测辐射热计热像仪测量精度受环境、机芯温度影响较大的问题,提出一种对热像仪使用温度与标定温度之差引起的测量误差进行修正的方法。即对分别测得的环境温度、机芯温度和灰度两组数据,由支持向量机拟合得到环境温度和机芯温度误差修正模型;实际测量时,分别由热电偶和置于热像仪中的传感器测得环境温度和机芯温度后,根据误差修正模型对环境和机芯温度变化引起的热像仪测量误差进行修正,获得较为准确的人体表面温度场数据。实验结果表明:该修正方法,与经标定的高精度热电偶测温相比,可使测量距离2 m时的测温误差减小50%。     

640 × 512 Pixels Long-Wavelength Infrared (LWIR) Quantum-Dot Infrared Photodetector (QDIP) Imaging Focal Plane Array

Epitaxially grown self-assembled InAs-InGaAs-GaAs quantum dots (QDs) are exploited for the development of large-format long-wavelength infrared focal plane arrays (FPAs). The dot-in-a-well (DWELL) structures were experimentally shown to absorb both 45deg and normal incident light, therefore, a reflection grating structure was used to enhance the quantum efficiency. The devices exhibit peak responsivity out to 8.1 mum, with peak detectivity reaching ~1times10¹⁰ Jones at 77 K. The devices were fabricated into the first long-wavelength 640times512 pixel QD infrared photodetector imaging FPA, which has produced excellent infrared imagery with noise equivalent temperature difference of 40 mK at 60-K operating temperature     

新型无TEC的非制冷IRFPA读出电路研究

为了降低非制冷红外焦平面阵列的功耗，研究了去除热电制冷器（TEC）等温度稳定装置的读出电路。通过对微测辐射热计的电阻温度特性的分析，设计了一种新型无需温度稳定装置的读出电路，该电路的Flash存储器存储不同温度下的校正系数，温度传感器实时检测探测器的环境温度，从Flash中取出相应的温度校正系数送入数模转换器(DAC)，通过DAC的电压输出来控制探测器偏流以进行环境温度补偿。HSPICE模拟结果表明，电路输出与探测器工作的环境温度无关，系统的总功耗下降了80%，同时电路噪声保持在一个较低的水平。     

SiGe/Si quantum structures as a thermistor material for low cost IR microbolometer focal plane arrays

Uncooled microbolometer thermal infrared detector technology is presently revolutionizing the infrared technology field. Essential improvement of the cost/performance ratio would be achieved by microbolometer arrays with higher sensitivity, since this allows the use of simpler and less costly camera optics, which implies a lower cost of the complete IR camera. The sensitivity of the microbolometers depends critically on the signal-to-noise ratio of the integrated thermistor material, which is set by its temperature coefficient of resistance (TCR) and noise characteristics.In this work we have investigated the use of epitaxial silicon-germanium/silicon (SiGe/Si) quantum well (QW) structures as a thermistor material. Si_0.68Ge_0.32/Si QW structures typically give a TCR of 3.0%/K and low noise values. A calculation of the noise equivalent temperature NETD of a bolometer gives 25 mK using the following assumptions: f-number = 1, 30 Hz video frame rate for a 640 × 480 array, with a pixel size 25 × 25 μm.Higher TCR values are foreseen for SiGe/Si quantum dot structures, and the noise is expected to be similar to the QW based structures.     

High Precision Characterisation of Semiconductor Bolometers

We describe techniques for testing and characterising semiconductor bolometers, using the bolometer model presented in Sudiwala et. al. [1]. The procedures are illustrated with results from a prototype bolometer for the high frequency instrument (HFI) in the Planck Surveyor cosmic microwave background mission. This is a bolometer using spider-web geometry and a neutron transmutation doped (NTD) germanium thermistor, designed for operation at 100 mK. Details are given of the laboratory facility used to take data at temperatures from 70 mK to 350 mK. This employs an adiabatic demagnetisation refrigerator to cool the detector and optics. The spatial and spectral properties of the optical system are controlled using feedhorns and edge filters. To characterise the bolometer, blanked and optically loaded load curves were measured over a range of temperatures, and the response to modulated radiation was measured as a function of modulation frequency, temperature and bias current. Results for the prototype bolometer show that its behaviour is well represented by an ideal thermal detector down to a temperature of approximately 100 mK. Below this, non-thermal effects such as electron-phonon decoupling or electric field dependent resistance appear to lead to departure from ideal behaviour. The performance was in good agreement with the design goals for the bolometer.     

地面点源中波红外探测建模与验证研究

红外系统在大范围内对异常热源点目标的探测需要平衡像元分辨率与温度灵敏度之间的关系。在探测器规模一定时，现有星载红外载荷存在幅宽大时灵敏度不够、空间分辨率高时幅宽小的问题。针对上述问题，本文提出利用时间延时积分（time delay intergration,TDI）算法处理图像的大视场异常点热源探测初步方案，在一定条件下，达到探测所需的温度灵敏度要求时，能做到217 km×122 km的理论幅宽。同时搭建了一套高灵敏度红外成像实验系统，开展了测试与模拟探测实验，结果表明本方案在实现202 km×114 km幅宽情况下，灵敏度性能约37 m K，满足大范围异常点热源探测的要求。考虑到目标和背景的太阳光反射率等问题，实际应用时取200 m像元分辨率，对应幅宽128 km×102 km。     

海底沉积物地温梯度测量系统设计

随着石油和天然气水合物调查工作的深入开展,为了对海底勘探区地温场的结构、状态需要有更细致的了解,设计一种高分辨、高精度的海底沉积物地温梯度测量系统.以高精度NTC型热敏电阻为传感器,选用16位高性能、多通道、低能耗的MSP430F123芯片作为主处理器,通过直流不平衡电桥的测量方式间接测量热敏电阻的阻值,在硬件方面和软件方面都采用滤波技术,克服电压源的干扰、仪器温漂和时漂带来的偏差,采用STEINHART＆ HART方程来进行R-T转换,经过零点漂移和温度漂移的修正,进而得到更精确的海底沉积物地温梯度曲线.系统测试结果表明,测量系统的分辨率可达1 mK,精度可达±3 mK（0～25℃）,该系统具有可靠性高、功耗小、体积小、操作方便等特点,具有很高的实用价值.     

石墨烯基碲镉汞复合材料技术研究

随着红外技术的发展,未来红外探测器向着mK或亚mK灵敏度红外探测系统方面发展,传统探测器已经很难满足需求,光电探测器的响应度亟待提高。主要基于石墨烯材料的独特能带结构、超高载流子迁移率、超宽光谱吸收的特性,结合碲镉汞光电探测材料的极高量子效率性能,研究了具有极高红外辐射响应度、超宽光谱响应范围的新一代石墨烯基复合红外探测材料。