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.     

非制冷微测辐射热计热成像

文中在指出现代制冷型红外成像技术的不足,论述非制冷红外成像技术的优点之后,介绍了微测辐射热计阵列的非制冷热成像系统.首先与非制冷热电热像仪进行了比较,指出测辐射热计热成像的优势.然后描写了微测辐射热计阵列的设计,分析了桥式结构热绝缘对响应率提高所起的作用,并讨论了探测器噪声等效温差(NETD)的性能.最后概括地描述了微测辐射热计成像仪的设计.     

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。     

横向多晶硅p+p-n+结非致冷红外焦平面

应用标准CMOS工艺,同时结合体硅微机械加工技术,研制成功横向多晶硅p p-n 微测辐射热计单元;基于研制成功的微测辐射热计,设计了规模为128×128面阵的非致冷红外焦平面.采用标准CMOS工艺制作横向多晶硅p p-n 结热敏响应元和读出电路;在CMOS工艺完成后,辅以与CMOS工艺兼容的体硅微机械加工工艺,制备微桥形式的热绝缘结构,从而方便地实现了CMOS读出电路与探测器阵列的单片集成.在3～5 μm红外波段,微测辐射热计的电压响应率为5.7×103 V/W,黑体探测率D·为1.2×108 cm·Hz1/2·W-1.焦平面采用行读出模式的结构,信号读出采用栅调制积分电路,输出级采用外接负载电阻的源极跟随电路,将探测器单元产生的信号按顺序串行单端输出.     

金属微反射镜对非制冷氧化钒微测辐射热计的红外辐射吸收率影响分析与一种改进的微测辐射热计模型

从光学角度出发,首先讨论了单层VOx微测辐射热计中探测单元衬底上的金属反射镜的厚度以及材料对微测辐射热计红外吸收率的影响,利用软件建立了微测辐射热计的红外辐射吸收率模型,得到了厚度不同的Al反射镜对微测辐射热计模型8~14?m红外波段吸收率的影响以及厚度为0.1?m的3种不同材质的金属反射镜对同一模型红外吸收率的影响。当厚度等其他参数相同时,使用Al、Copper和Gold用作金属反射镜的材料,单层VOx微测辐射热计模型在8~14?m波段的红外吸收率并没有明显区别。另外,我们改进了一种已有的VOx微测辐射热计结构并对比了改进前后模型8~14?m红外波段的吸收率,改进后的模型平均吸收率达到了94%大于改进前初始模型的90%左右。最后,我们讨论了真空谐振腔高度与微测辐射热计桥面材料厚度对工作波段吸收率峰值处波长的影响。     

微测辐射热计单元红外吸收分析

介绍了一种计算多层结构微测辐射热计探测单元的红外吸收模型,并计算了所设计25μm微测辐射热计探测单元的红外吸收。当探测单元表面金属吸收层的方阻从2~600Ω/□变化时,单元的吸收功率先逐渐增大,之后缓慢下降。对于300 K黑体辐射,当探测单元的吸收层方阻达到332Ω/□时,吸收率达到最大。此时在8~14μm波段单元的红外吸收率平均值为72%,吸收功率为16 nW。在此基础上对探测单元结构的悬空高度进行优化,得到最优的两层悬空间隙高度均为0.8μm,最优吸收率为82%。     

非制冷微测辐射热计阵列单元结构模型应力有限元分析

介绍了基于非制冷测辐射热计阵列红外成像系统的噪声等效温差(NETD)计算模型.由此设计了一种非制冷微测辐射热计阵列单元结构模型,并对此模型进行了有限元分析,继而对该模型进行了优化.     

非制冷红外微测辐射热计有限元模型的构建

根据微加工条件能够制造的单层和双层结构的非制冷红外微测辐射热计的尺寸,进行了有限元建模与分析,寻找出在可接受的性能与成本之间折衷的设计方案,指出气体热导是影响探测单元热导的一个主要因素,并对其进行了理论分析,给出减小气体热导的方法及这些方法在双层及单层结构中应用的可行性.     

用于10mm 微测辐射热计的红外光学天线设计

微测辐射热计利用热敏电阻对温度的敏感特性来实现红外探测,将光学天线场局域的能力应用于微测辐射热计,可以集中入射能量至热敏电阻,提高电阻的温度响应。基于这一思想设计了一种工作在红外波段的改进型蝶形光学天线,其中心场强最高可增强83 倍。采用了多物理分析方法,结合两种常用的热敏材料(铝和氧化钒)对耦合结构的电磁特性和热学特性进行了分析。结果显示,在1000 W/m² 的入射功率密度下,铝温升可达1.85 mK,氧化钒温升0.85 mK,与同类工作相比温度响应增强了数倍。该改进型蝶形光学天线可用于微测辐射热计提升红外探测效率,在高密度红外成像器件应用中发挥作用。     

微测辐射热计的建模与仿真

微测辐射热计是一种应用前景广阔的非制冷型红外焦平面器件,本文对微测辐射热计 进行了建模和仿真,并利用该模型分析、仿真了复位积分放大器CTIA (Capacitive Transimpedance Amp lifier)输出的微测辐射热计对不同黑体目标的输出电压和像元的响应率,为进一步设计、优化微测辐射热计读出电路打下了基础。     

微辐射热计的光学与热学设计

针对四臂微桥结构的微辐射热计的光学和热学设计，分析了Si02红外吸收层／poly-Si热敏感薄膜电阻层／Si02支撑薄膜层的多层薄膜的光学特性，研究了Si02红外吸收层的厚度对多层膜系平均红外吸收率的影响。与常规设计思想不同的是，没有假设微辐射热计的平均红外吸收率一定，而将不同厚度的Si02红外吸收层所对应的膜系平均红外吸收率用于微桥的热学设计中，通过有限元分析软件ANSYS5。7，得到Si02红外吸收层的最佳厚度，并对微桥支撑臂进行了优化设计。     

Microbolometer Terahertz Focal Plane Array and Camera with Improved Sensitivity in the Sub-Terahertz Region

Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves - A pixel in an uncooled microbolometer terahertz (THz) focal plane array (FPA) has a suspended structure above read-out integrated circuit...     

室温微测辐射热计太赫兹探测阵列技术研究进展(特邀)

在室温太赫兹探测技术领域中,热敏微桥结构的太赫兹探测器具有探测波段宽、阵列规模大、集成度高、实时成像等显著特点。文中对室温太赫兹探测技术、基于热敏材料的太赫兹探测技术国内外发展现状进行了综述,分析了基于氧化钒薄膜微桥结构的非制冷长波红外焦平面探测技术,存在着太赫兹波低吸收探测性能弱的不足,针对太赫兹波探测进行优化设计,同时介绍了电子科技大学在太赫兹探测阵列吸收结构方面的部分研究工作。     

Determination of Thermal Parameters of Vanadium Oxide Uncooled Microbolometer Infrared Detector

Vanadium oxide thin films are the potential candidates for uncooled microbolometers due to their high temperature coefficient of resistance (TCR) at room temperature. A 2D array of 10-element test microbolometer without air-gap thermal isolation structure was fabricated with pulsed laser deposited vanadium oxide as IR sensing layer for the first time. Infrared responsivity of the uncooled microbolometer was evaluated in the spectral region 8-15 μm. The device exhibits responsivity of about 12 V/W at 30 Hz chopper frequency for 20 μA bias current. Thermal time constant (τ), Thermal conductance (G) and thermal capacitance (C) are the thermal parameters characterize the performance of the uncooled microbolometer infrared detectors are determined as 15 ms, ～10^-3 W/K and ～3.5 × 10^-5 J/K respectively. The influence of the thermal parameters on the performance of the microbolometer is discussed.     

微测辐射热计阵列结构的制备

为了研究和优化二氧化钒（VO2）微测辐射热计的制备工艺,采用微电子机械系统（MEMS）体硅工艺制备了VO2微测辐射热计,经过研究和改进制备工艺,制得的微测辐射热计结构稳定,成品率高;经测试及计算,其响应率可达34.3kV/W,探测率为1.2×10^8cm.Hz1/2/W,响应时间约为65.3ms。此器件性能达到国内外同类器件水平。     

非制冷微测辐射热计的热平衡分析

非制冷微测辐射热计焦平面阵列技术在国外已取得了令人瞩目的成就,与其它红外探测器相比,微测辐射热计更适于开拓民用市场,目前国内在这方面的研究也已成为热点。文章介绍了微测辐射热计的物理模型及其理论计算方法,利用黑体辐射和传热理论,建立了微测辐射热计的热平衡方程,并利用MATLAB软件获得了数值运算结果。分析表明,热传导、热容、偏置方式等时微测辐射热计性能的影响是设计考虑的关键。     

微测辐射热计的热隔离结构设计

推导了微测辐射热计热隔离结构的热量模型，对系统热响应时间和响应率之间的关系进行了分析，在满足系统响应要求下对热隔离结构的热量参数的确定进行了理论分析和探讨，热量参数曲线图提供了直观的参考，并结合实际提出了优化热量参数的方案。     

非晶硅室温微测辐射热计的研制

将聚酰亚胺作为绝热材料，对传统室温微测辐射热计结构进行了改进，成功制备了非晶硅室温微测辐射热计并进行了测试。以聚合物材料作为绝热材料，避免了表面牺牲层工艺和体加工技术，降低了成本、提高了成品率。在传统探测器结构基础上，在底部制备一层金属用作红外反射层，利用吸收层可以对红外辐射进行二次吸收。金属层和有源层间的隔离层对红外也有很好的吸收效果，由隔离层、有源层和钝化层构成三明治结构，可以显著改善对红外辐射的吸收。对器件的制备工艺进行了说明并对器件特性进行了测试，结果表明，在773 K黑体源8～14 μm红外辐射下，探测器的响应度最大为26.4 kV/W，表明器件具有较高的性能。     

探测器温度对非致冷型微测辐射热计热像仪测温的影响与修正

根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理,得到了红外热像仪测温的计算公式及测温程序,分析了非致冷微测辐射热计的温度对测温的影响,并得出了相应的修正公式和修正方法.得到的两种修正方法简单易行,为非致冷微测辐射热计阵列热像仪的设计制造及实际使用提供了一定的方法和依据.