非制冷红外焦平面阵列读出电路设计研究

非致冷红外焦平面阵列技术正在迅速发展，应用领域日益扩展。本文简要介绍了非致冷焦平面阵列(UFPA)的发展历程和现状。对其核心部件之一，即读出电路(ROIC)，以热释电焦平面阵列和微测热辐射焦平面阵列所使用的ROIC为例，进行了原理分析和讨论。最后对未来非致冷红外焦平面阵列读出电路的发展方向进行了简单探讨。     

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.     

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。     

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.     

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。     

热释电薄膜单片式UFPA器件微桥单元结构研究

采用RF溅射制备出Ba_(0.65)Sr_(0.35)TiO_3薄膜,剥离法制备出UFPA器件单元所需的图形化金属电极,TMAH溶液进行体硅腐蚀,并且使用保护胶和独特的夹具保护硅片正面免受腐蚀液的腐蚀.总结了一套制作微桥的简便可行的工艺流程,并最终在厚度为300μm的硅基片上成功的制备了厚度小于3 μm的面积为100 μm×100 μm的微桥单元结构.该微桥单元可以满足制备热释电薄膜单片式UFPA器件的要求.     

复杂外热流条件下红外探测器组件热设计

为实现在复杂外热流条件下对CO2探测仪红外探测器组件温度的有效控制,对其进行了详细的热设计。对红外探测器周围外热流进行分析,确定了其散热面位置。基于红外探测器所处空间热环境以及自身高功耗、低热控指标的特点,提出热设计方案。对红外探测器组件有限元模型进行了热分析计算,得到各个转角姿态下的红外探测器组件的温度范围为-31.8~-26.9℃,计算结果满足设计要求。通过CO2探测仪热平衡试验对热设计进行了验证,试验中红外探测器组件的温度范围为-32.6~-30.1℃,试验结果与计算结果基本一致,满足热控指标要求,说明热设计方案在复杂外热流条件下合理可行,具有较好的适应性。     

基于MEMS工艺的集成红外气体传感器工艺研究

研究了一种采用MEMS技术实现的含有红外发射源和探测单元的片上集成红外气体传感器芯片。通过理论分析证明了探测器和红外发射源可以集成在同一衬底上的可行性,采用正面刻蚀和背面ICP深刻蚀硅工艺实现红外发射元和探测单元的悬空热隔离结构,可以使红外发射源和探测器同时工作在较好的性能状态下。通过对红外气体传感器的红外发射源和探测单元的测试,表明两种单元均可以正常工作,验证了这种集成工艺的可行性。     

热红外探测器的最新进展

对基于热敏电阻的微测辐射热计和基于热释电效应的热释电红外探测器在探测元材料、焦平面阵列(FPA)结构和读出电路(ROIC)3个方面进行了分析对比,讨论了这两种非制冷探测器热电材料的选取原则,FPA单元的热绝缘构造和读出电路的组成方式,并介绍了它们的最新进展和发展方向。     

基于导电聚合物的非制冷辐射热探测技术研究

非制冷辐射热探测技术的发展使在室温下进行红外探测成为可能,目前的热探测一般采用无机材料.探讨了导电聚合物聚乙烯二氧噻吩:聚对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)作为非制冷辐射热探测器敏感材料的可行性,研究了其热敏特性和红外吸收特性,制备了PEDOT:PSS自支撑悬空微桥单元,并进行了初步测试,在室温下,预计该热探测器响应时间约为12ms,探测度D*可达3×1010cm·Hz1/2·W-1,在响应时间与无机材料热探测器相当的情况下,探测度高一个量级以上.     

BST铁电薄膜的制备及介电性能研究

通过射频磁控溅射法,采用高温溅射、低温溅射高温退火两种不同的工艺制备了钛酸锶钡(BST)薄膜。分析两种不同的工艺对BST薄膜的结构、微观形貌及介电性能的影响。采用X线衍射(XRD)分析了样品的微观结构。采用扫描电镜(SEM)和台阶仪分别测试了样品的微观形貌和表面轮廓。通过能谱分析(EDS)得到了薄膜均一性的情况。最后通过电容-电压(C-V)曲线测试得到BST薄膜的介电常数偏压特性。结果表明,与低温溅射高温退火工艺制备的BST薄膜相比,高温溅射制备的BST薄膜结晶度好,致密性高,表面光滑,薄膜成分分布较均一。因此,采用高温溅射得到的BST薄膜性能较好。在频率300 kHz时,采用高温溅射制备的BST薄膜介电常数为127.5～82.0,可调谐率为23.86%～27.9%。     

热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的研究

采用改进的溶胶-凝胶(sol-gel)技术,在Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si基片上研制出具有优良热释电性能的BST,PLT和PZT铁电薄膜,它们是制备单片式非致冷红外焦平面阵列的优选探测材料。解决了制备热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的关键技术,成功研制出8元、9元、10元线列和8×8元阵列,器件电压响应率(RV)达8.6×103V/W。     

微波烧结制备钛酸锶钡红外探测器材料

以乙酸盐为原料,聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂,采用sol-gel法制备了Mn掺杂Ba0.6Sr0.4TiO3(BST)凝胶,分析了凝胶的热演化过程,分别用传统烧结和微波烧结技术制备BST纳米粉体。与传统烧结相比,900℃微波烧结0.5h即可合成纯钙钛矿相BST粉体,相同烧结温度下所需时间缩短3/4,有效控制晶粒长大,粉体粒径约60nm。采用该粉体制备的BST厚膜材料,εm>1000,tanδ<0.02,弥散指数降低,是制备大阵列非制冷红外焦平面阵列(UFPA)的优选材料。     

硅基非致冷混合式焦平面探测器阵列研究

本文报道一种32×48元高灵敏非致冷混合式焦平面探测器厚膜阵列.提出了一种采用掺杂钛酸锶钡厚膜作为敏感材料的硅基微机械加工电容式红外探测器像元结构,对其工作原理、器件性能优化设计与制作工艺流程进行了分析,得出了优化的结构参数.分析了影响器件性能的关键因素,给出了器件所用铁电材料的基本物理和电学特性参数以及器件的热隔离技术和相应参数.本结构的像元电容值增量接近相同敏感面的体材料红外探测器,减小了像元与衬底电极引线的寄生电容.采用这种结构的红外探测器阵列对电路的精度要求低,便于研制集成电路.该红外探测器阵列结构的设计思路,符合大阵列红外焦平面像元结构设计的发展趋势,为开展非致冷红外焦平面阵列探测器研究奠定了基础.     

Thermal-sensitive BST thin film capacitors for dielectric bolometer prepared by RF magnetron sputtering

We have been developing a monolithic microbolometer technology for uncooled infrared focal plane arrays (Uncooled IRFPAs) along the route from fabricating pixels of thin-film dielectric bolometers on micromachined silicon substrates. In the paper, the thermal-sensitive barium strontium titanate (BST) thin film capacitors for that objective prepared by Radio-Frequency Magnetron sputtering have been investigated focusing on the condition of fabrication of BST thin films. Capacitor-Temperature properties of the thermal-sensitive BST thin film capacitors have been measured with impedance analyzer. According to the Capacitor-temperature curves, these indicated that the temperature coefficient of dielectric constant (TCD) within the ambient temperature region highly depended on the Radio-Frequency Magnetron sputtering condition of fabrication of BST thin films. BST thin film capacitors with TCD-value more than 21%/K have been prepared on the optimized condition. That is a good base for preparation of dielectric bolometer mode of uncooled IRFPAs.     

有源电阻RTIA红外焦平面读出电路

提出了一种基于有源电阻的电阻反馈跨导放大器(RTIA)红外焦平面读出电路,该电路采用工作在亚阈区的MOS管实现1011 以上的有源大电阻,不仅能与热释电红外探测器的高阻抗良好匹配,而且配合两管共源放大器可针对热释电微弱信号进行高增益电流放大。同时,简单的三管单元结构能够方便地置于像元之下,相比于采用特殊高阻材料实现的RTIA,不附加材料和工艺。经上华0.5 ?滋m CMOS工艺流片验证,在5 V电源电压下,该电路增益40 dB,输出摆幅3 V,在高低温测试下表现出了良好的增益带宽稳定性,适用于PZT和BST等热释电大阵列探测器。     

热释电非制冷红外焦平面现状及发展趋势

一维和二维阵列的热释电非制冷红外焦平面非常适合应用于热成像.混合式的BST铁电探测器降低了成本,市场潜力巨大.分析了热释电非制冷红外焦平面阵列探测技术的优势,介绍了热释电非制冷红外探测器工作原理及热释电非制冷红外焦平面阵列对探测材料的要求,指出了混合式及单片式热释电非制冷红外焦平面阵列发展趋势.制备高一致性和高性能的大阵列的探测元是发展非制冷红外焦平面的关键,针对我国在热释电非制冷红外焦平面阵列研究方面存在的问题,提出了下一步研究的方向及重点.     

水基前驱体法制备BST铁电薄膜的研究

Ba1-SrxTiO3(BST)薄膜具有非线性强、漏电流小、不易疲劳等特点,在高密度动态随机存储器的应用,受到x了极大关注。以水基溶液为前驱体,调整Ti(OC4H9)4与H2O的配比以改变溶胶的黏度,并采用旋涂法制备了BST铁电薄膜。对水基BST前驱体溶液进行了DSC/TG和XRD分析。实验表明,采用较高浓度的水基前驱体,有利于薄膜的形成和均匀性。薄膜的相结构研究表明,随着退火温度的上升,BST薄膜的结晶度上升,而晶粒尺寸随之略有下降。     

Recent progress of (Ba,Sr)TiO<Subscript>3</Subscript> thin films for tunable microwave devices

The (Ba_1−xSr_x)TiO₃ (BST) ferroelectric thin films exhibit outstanding dielectric properties, even at high frequencies (>1 GHz), and large, electric-field dielectric tunability. This feature makes them suitable for developing a new class of tunable microwave devices. The dielectric properties and dielectric tuning property of BST thin films are closely related to the film compositions, substrate types, and post-deposition process. The successful implementation of BST films as high-frequency dielectrics in electrically tunable microwave devices requires a detailed understanding of both their processing and material properties. This paper will review the recent progress of BST thin films as active dielectrics for tunable microwave devices. The technical aspects of BST thin films, such as processing methods, post-annealing process, film compositions, film stress, oxygen defects, and interfacial structures between film and substrate, are briefly reviewed and discussed with specific samples from the recent literature. The major issues requiring additional investigations to improve the dielectric properties of BST thin films for tunable microwave applications are also discussed.