微電容式室溫紅外探測器的性能分析.pdf

1、紅外探測在現在科學技術中一項被廣泛的關鍵技術，各種紅外探測器廣泛應用于成像、跟蹤、預警、遙感、輻射測量、自動控制和激光探測等許多方面，在軍事和經濟等領域發(fā)揮著至關重要的作用。紅外探測器是紅外探測系統(tǒng)中的核心元件，它將紅外輻射能轉換為可測量的物理量。隨著半導體材料、工藝技術和器件的發(fā)展，根據紅外輻射與物質相互作用時產生的各種效應，目前已經研制出結構新穎、靈敏度高、響應快、品種繁多的紅外探測器。特別是在以微小尺度為特征的微機械技術(MEMS

2、)更使得紅外探測器的研究日新月異，邁入高速發(fā)展的時代。 本實驗室提出的新型微電容式室溫紅外探測器主要采用特殊氣體作為吸收介質，特殊氣體吸收對應波段的輻射能量，使得氣體分子的轉動能量和振動能量增大，從而使得氣體的壓強增大，在腔內壓強的推動下，使得敏感薄膜向下運動，產生電容變化，通過測量電容的大小就可以得出相應紅外波段的輻射強度，起到探測的作用。 由于采用低熱容、對特定紅外波段具有強烈吸收能力的氣體介質作為敏感源，使得其響應

3、速度比一般的室溫紅外探測器速度要快得多。相比與光量子紅外探測器件，新型微電容式室溫紅外探測器無需制冷，并且可以針對不同探測需求，選擇具有不同吸收波段的氣體，實行指紋吸收；器件采用硅微機械工藝制備，體積小、可靠性高、成本低，且能單片集成或混合集成微型化，適用于批量制造。 本論文著重研究了基于微電容讀出的室溫紅外探測器。其主要內容如下： 回顧了室溫紅外傳感器件的發(fā)展，介紹微電容式室溫紅外探測器的研究及發(fā)展。介紹了器件的工作原

4、理和工藝實現方法，并對器件制備過程中需要注意和改進的地方做出說明。 通過實驗測量和理論分析，對器件的性能參數進行了分析。根據微電容式室溫紅外探測器的工作原理和相關參數，計算得到了器件的靈敏度；運用經典的熱傳導和電路等效理論，建立了器件的等效熱模型，推導得到器件模型的等效熱導和等效熱容；對器件的噪聲特性進行了分析，推導得出器件的等效噪聲功率約為9.97×10-9W/HZ1/2。模擬得到作為器件關鍵部件的可動彈性硅薄膜的振動特性，并

5、對薄膜在沖擊振動和諧振動下的方程進行了求解。通過實驗結論分析得出室溫紅外探測器的微通道深度在小于6μm的時候會出現器件失效，并對此現象做出相應的理論解釋。 研究了紅外增透窗口結構在室溫紅外探測器中的應用。通過對紅外透射譜線和器件在增透窗口結構和普通硅片結構下的響應曲線的分析，發(fā)現紅外增透窗口在低功率下對器件響應有提高，高功率下氣體吸收接近飽和，增透窗口效果不明顯。分析了在采用不同的窗口結構封裝的器件，氣體的紅外輻射吸收系數隨氣體

6、濃度和腔室深度的變化，在氣體濃度較低和和腔室深度較淺的情況下，增透窗口結構對于輻射吸收改進效果不大。通過在腔室底部鍍增反膜來增加氣體的吸收，會使得紅外增透窗口結構的效果更為明顯。 測試了紅外增透窗口和硅片封裝的室溫紅外探測器在激光激勵下的響應，能測試得到響應的最小激勵信號為1mW；測試了器件在黑體輻射下的響應，在黑體500K，距離8cm時測得了明顯的響應曲線。器件黑體探測率提高了近一個量級，達到5.88×104cmHz1/2/W