微機(jī)械隔膜構(gòu)件的力學(xué)特性分析及其紅外探測(cè)應(yīng)用.pdf

1、紅外探測(cè)是一種被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵性技術(shù)，它在偵察、夜視、目標(biāo)識(shí)別與跟蹤、遙感遙測(cè)、環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)檢測(cè)和先期性故障診斷、醫(yī)療衛(wèi)生以及安全系統(tǒng)等軍用和民用領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，作為紅外整機(jī)系統(tǒng)核心的一系列高性能、新型的紅外傳感/探測(cè)器件層出不窮，對(duì)它的研究制備已成為涉及物理、材料等基礎(chǔ)學(xué)科和光學(xué)、機(jī)械、微電子以及計(jì)算機(jī)等諸多領(lǐng)域的綜合性科學(xué)技術(shù)。特別是微電子學(xué)在基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)材料、工藝原理等方面的重大突破以及超大規(guī)

2、模集成電路的飛速發(fā)展，以形狀或操作尺度微小為特征的微機(jī)械技術(shù)MEMS更為紅外傳感/探測(cè)器件的研究開辟了嶄新的領(lǐng)域，帶來(lái)了新的發(fā)展契機(jī)。 基于紅外輻射與物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的各種效應(yīng)，紅外探測(cè)器可以分為光量子型與熱型兩大類。盡管光量子型紅外探測(cè)器件具有探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，然而由于其熱噪聲對(duì)環(huán)境溫度異常敏感，工作時(shí)必須配備體積龐大的制冷系統(tǒng)，因而自90年代以來(lái)，有關(guān)熱型紅外探測(cè)器件的研究逐步成為各界關(guān)注的焦點(diǎn)。 基

3、于物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化導(dǎo)致其紅外吸收能力的巨大差異這一物理特性，沈光地教授創(chuàng)新性地提出，采用熱容量低、對(duì)特定紅外波段具有強(qiáng)烈吸收能力的氣體介質(zhì)作為敏感源，利用微機(jī)械技術(shù)形成具有彈性薄膜的微型密閉腔體，通過(guò)腔體內(nèi)氣體分子的無(wú)輻射馳豫過(guò)程將所吸收的輻射能量部分地轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w介質(zhì)自身的熱能，引起其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生變化、導(dǎo)致彈性薄膜向外偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)具有無(wú)需制冷、快速響應(yīng)、高靈敏及波長(zhǎng)選擇性等特點(diǎn)的新型紅外探測(cè) 器件。本論文主要針對(duì)器件彈性

4、薄膜的力學(xué)特性做了詳細(xì)研究，并針對(duì)器件的工作原理和制備工藝都做了分析和探討。主要內(nèi)容如下： 1.回顧了紅外傳感/探測(cè)器件的發(fā)展歷程，系統(tǒng)地介紹各種基于微機(jī)械技術(shù)MEMS的熱型紅外傳感/探測(cè)器件的研究及發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，論述基于上述全新物理構(gòu)想的電容式Golaycell微機(jī)械紅外探測(cè)器的實(shí)際研究意義；2.針對(duì)器件的關(guān)鍵構(gòu)件——濃硼重?fù)诫s硅薄膜的力學(xué)特性進(jìn)行了較為詳盡的理論分析，結(jié)合前人在彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)上的成就，提出全新的

5、有關(guān)微米級(jí)厚度的濃硼重?fù)诫s硅薄膜的斷裂分析；3.從器件的各個(gè)部分構(gòu)成的分析入手，詳細(xì)地闡述電容式Golaycell微機(jī)械紅外探測(cè)器的工作原理；運(yùn)用經(jīng)典熱動(dòng)力學(xué)理論，從宏觀唯象的角度建立了描述器件動(dòng)態(tài)行為的熱傳輸模型；基于該物理模型，系統(tǒng)、翔實(shí)地討論器件靈敏度S、比探測(cè)率D*以及熱時(shí)間常數(shù)τth等性能參數(shù)；4.詳盡闡述了器件的制備工藝以及在制備過(guò)程中遇到的各類工藝問(wèn)題，根據(jù)設(shè)想的器件結(jié)構(gòu)提出一套比較完備且經(jīng)過(guò)實(shí)踐的器件制備流程；5.介紹器