熱電堆紅外探測器的設(shè)計與性能測試

1、熱電堆紅外探測器的設(shè)計與性能測試在紅外系統(tǒng)中 , 紅外探測器是最關(guān)鍵的元件之一, 是紅外裝置的心臟 , 利用紅外探測原理將紅外輻射信號轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱電堆紅外探測器是非制冷型探測器 , 具有以下特點： 1) 可以在室溫下工作 , 而且制造成本低； 2) 對各個波長的紅外輻射均有響應(yīng)； 3) 接收到紅外輻射后 , 是通過聲子對晶格溫度的影響, 進(jìn)而影響該探測器的電學(xué)性能； 4) 檢測恒定的輻射量 , 在恒定的紅外輻射量下就會有響應(yīng)輸出。熱電堆紅外探測器在軍事和民用上應(yīng)用也極其廣泛。本論文以熱電堆紅外探測器為研究對象 , 從理論與工藝兩方面進(jìn)行了探索, 在此基礎(chǔ)上 , 對該探測器進(jìn)行了性能測試

2、。理論上 , 針對本文設(shè)計的熱電堆紅外探測器結(jié)構(gòu), 建立了探測器一維熱穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型 , 從五個方面 ( 吸收區(qū)尺寸、熱偶條尺寸、 介質(zhì)支撐膜尺寸、 背腔腐蝕窗口尺寸、測試條件 ) 表述了對熱電堆紅外探測器性能的影響。此外 , 對探測器進(jìn)行了熱穩(wěn)態(tài)有限元仿真和瞬態(tài)有限元仿真, 得到了探測器的溫度分布云圖、熱量梯度分布云圖、熱通量分布云圖、溫度分布路徑分析圖和響應(yīng)時間仿真圖, 對于探測器接受紅外輻射之后的熱響應(yīng)有了直觀的表象。熱電堆紅外探測器的整個制備過程是在中國科學(xué)院微電子研究所加工完成的 , 為了能夠順利地完成整個流片過程 , 我們首先進(jìn)行了一系列的關(guān)鍵工藝的單項實驗：熱電堆紅外探測器介質(zhì)支

3、撐膜的制備單項實驗； 熱電堆紅外探測器多晶硅熱偶條方阻測試單項實驗； 熱電堆紅外探測器多晶硅、 氮化硅刻蝕條件單項實驗；熱電堆紅外探測器鈍化層制備的單項實驗； 熱電堆紅外探測器反射層制備的單項實驗；熱電堆紅外探測器背腔腐蝕硅方案驗證實驗。在此基礎(chǔ)上, 設(shè)計了完整的工藝流片過程 , 成功地制備出基于單層低應(yīng)力氮化硅薄膜的熱電堆紅外探測器。在實驗設(shè)計方面 , 本文對熱電堆紅外探測器進(jìn)行了以下幾方面的測試：熱電堆紅外探測器吸收區(qū)紅外透射譜測試；熱電堆紅外探測器不同結(jié)構(gòu)尺寸性能測試對比實驗；熱電堆紅外探測器頻率響應(yīng)特性實驗；熱電堆紅外探測器黑體爐溫度響應(yīng)測試實驗； 熱電堆紅外探測器吸收層紅外吸收特性對

4、比實驗；熱電堆紅外探測器反射層覆蓋性能對比實驗。以上測試結(jié)果表明探測器受結(jié)構(gòu)尺寸變化( 吸收區(qū)尺寸、熱偶條長度、背腔腐蝕窗口尺寸) 而表現(xiàn)出不同的響應(yīng)；在不同調(diào)制頻率作用下 , 探測器的響應(yīng)率和探測率會隨著頻率的增大而減小, 這與探測器本身的熱容變化密不可分；在不同黑體爐溫度下( 范圍在 403K-823K), 本文所設(shè)計的探測器會由于不同的等效紅外吸收率而在溫度較低區(qū)域顯示更好的性能；在性能改進(jìn)實驗中 , 添加碳黑和金屬反射層對探測器的性能有顯著提高。本文研究創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在：a) 突破了傳統(tǒng)的 SiO2-Si3N4 三明治式介質(zhì)支撐膜的制備方法 , 采用單層低應(yīng)力氮化硅薄膜作用為探測器的介質(zhì)支撐膜, 實現(xiàn)了厚度可調(diào)的探測器介質(zhì)支撐膜的簡單工藝制備方法。b) 結(jié)合 APIE 封蠟和 CRY封蠟保護(hù)探測器正面圖形的方法, 方法簡單易于實現(xiàn) , 大大提高了探測器的成品率。c) 本文研究了熱電堆紅外探測器吸收區(qū)紅外透射光譜 , 得到了不同厚度的紅外吸收薄膜的紅外透射譜和添加碳黑前后的吸收區(qū)薄膜的紅外透射譜 , 采用分段擬合的方法更為準(zhǔn)確地定量