测辐射热计的氧化钒薄膜成技术研究和微桥结构研制

介绍了研制中的测辐射热计的工作原理,器件结构的几何形状和研制状况,叙述了测辐射热计材料的特征及制备技术。     

测辐射热计的微桥研制和Vox膜成膜研究

介绍了测辐射热汁的工作原理、器件结构的几何形状和研制状况,叙述了测辐射热计材料的特性及制备技术.     

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。     

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。     

基于有限元法的微测辐射热计热电性能研究

采用有限元法针对微测辐射热计的热电耦合敏感机理进行研究.建立微测辐射热计精确三维有限元模型,采用动态热电有限元方法对器件的热电特性进行了分析,得到了其热电耦合场下的温度响应特性,并获取其热容、有效热时间常数和有效热导值等热学参数;采用该方法在微测辐射热计的设计阶段中,即可初步预判器件性能并为器件制备提供可靠的参考.所设计结构经流片验证,性能良好,且满足60 Hz帧频成像要求.     

微测辐射热计器件工艺开发和特性评估

依托半导体生产线开发了基于MEMS微桥结构的微测辐射热计(micro-bolometer)器件,其中,使用化学气相沉积(CVD)技术开发了非晶硅(α-Si)薄膜工艺,并将其用作微测辐射热计器件的敏感层材料,该材料在1 000?厚度下的膜厚均匀性可以控制在2%以内(1-sigma,within wafer),电阻均匀性可以控制在2%以内(1-sigma,within wafer),其室温下的电阻温度系数(TCR)可以达到-2.5%左右;采用先刻沟槽工艺技术开发了MEMS微桥结构的接触模块,以无支撑柱结构实现了其支撑和电连接结构;使用Ti/TiN薄金属薄膜作为电极层,并利用电极层图形实现该敏感层电阻器件的电连接和图形定义;开发了高性能敏感层电阻工艺技术,实现了对敏感层材料工艺损失和电极层侧面腐蚀的良好工艺控制。在完成微测辐射热计器件工艺开发后,对其进行了器件级测试和评估,结果表明：该器件室温电阻值在250 kΩ左右,且具有优异的欧姆接触特性;室温下器件级TCR在-2%左右,略低于非晶硅薄膜材料TCR的测试值;同时,对该器件进行的升温和降温测试结果表明,文中开发的敏感层材料没有滞回效应。最后...     

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。     

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。     

非致冷红外微测辐射热计的自热效应分析及重要参数测定

在考虑器件自热效应的情况下,对微测辐射热计的性能进行了深入地理论分析,应用了微测辐射热计的有效热导Ｇｅｆｆ概念,得出对于一定的热导的器件,存在着最佳工作偏置电流Ｉ０ｏｐｔ这一重要结论,并找到一种通过电学测量确定微测辐射热计有效热导Ｇｅｆｆ和有效时间常数τｅｆｆ的方法．试验结果与理论分析符合．     

基于标准CMOS工艺用于非制冷红外探测器的低成本红外吸收结构

This paper introduces a low-cost infrared absorbing structure for an uncooled infrared detector in a standard 0.5 m CMOS technology and post-CMOS process. The infrared absorbing structure can be created by etching the surface sacrificial layer after the CMOS fabrication, without any additional lithography and deposition procedures. An uncooled infrared microbolometer is fabricated with the proposed infrared absorbing structure.The microbolometer has a size of 6565 m2and a fill factor of 37.8%. The thermal conductance of the microbolometer is calculated as 1.3310 5W/K from the measured response to different heating currents. The fabricated microbolometer is irradiated by an infrared laser, which is modulated by a mechanical chopper in a frequency range of 10–800 Hz. Measurements show that the thermal time constant is 0.995 ms and the thermal mass is 1.3210 8J/K. The responsivity of the microbolometer is about 3.03104V/W at 10 Hz and the calculated detectivity is 1.4108cm Hz1=2/W.     

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。     

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.     

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。     

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.     

非致冷微测热辐射计阵列的设计

非致冷微型热辐射计焦平面阵列技术在国内已成为研究热点。介绍了微测热辐射计的原理并对其作了简化的计算分析,给出了微测热辐射计的结构、材料、封装和读出电路等重要部分的一些设计方案。     

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。