紅外成像陣列與系統(tǒng)(11)課件

第九章

石英微諧振器在非致冷紅外成像陣列的應(yīng)用目錄1：引言2：用作紅外傳感器的石英微諧振器3：石英溫度計及它們的溫度系數(shù)4：振蕩器的噪聲5：頻率測量6：熱隔離7：微諧振器的紅外吸收8：微諧振器陣列的預(yù)期性能9：可產(chǎn)性和其他一些要求10：總結(jié)和討論一：引言石英晶體可以作為穩(wěn)定的機(jī)械諧振器通過熱電體性質(zhì)和高Q值來決定振蕩電路產(chǎn)生的頻率。一個石英晶體在厚度模式下的振動頻率

等式中的每一項都與溫度有關(guān)。但是，在一定截面角下，Cij消除了等式中其它項的溫度系數(shù)。在一定角度下，有可能獲得陡峭且單調(diào)的溫度—頻率特性，從而用作熱輻射計和紅外（IR）探測器。石英常用且具有良好特性的截面有這些：AT截面，BT截面，SC截面，AC截面等等

二：用作紅外傳感器的石英微諧振器任何熱探測器的性能主要由以下決定：1：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)：

是從熱量源中吸收的能量，是由增加的溫度，是敏感元件到一個熱量散熱器之間的熱傳遞系數(shù)。

2:探測器的噪聲相對于T產(chǎn)生的信號，它會限制T的最小探測能力。3:探測元的時間常數(shù)

C是探測元件的熱容

三：石英溫度計及其溫度系數(shù)微型諧振體可由不同的鐵電體材料制備:

例如：1：石英

2：氧化鋅3：砷化鎵很久以前人們就了解了石英諧振器的溫度敏感性（Heising,1946）

石英溫度計的優(yōu)點：可以在很寬的溫度范圍內(nèi)具有百萬量級的絕對精度和10-6度的分辨能力。

石英諧振器的頻率的倒數(shù)是隨溫度單調(diào)變化的，其斜率為10-4/K。由于晶體振蕩器具有低噪聲性能：1/f噪聲會限制對溫度變化的分辨率，如在10MHz下的低噪聲為10-12或更小。因此這種諧振器的噪聲相對于溫度起伏10納度或更小

四：振蕩器的噪聲用AT或SC截面諧振器制作的具有目前水平的振蕩器，它的噪聲最低值：稱作阿倫偏移最低值。

是以Hz為單位的諧振頻率。

1：在400到900MHz的表面聲波（SAW）諧振器中：噪聲最低值是到之間（Montress和Parker,1994）2：而100MHz下的第三個諧波和160MHz下的第五個諧波BAW(SC截面)的諧振器中：對應(yīng)噪聲最低值為到（Driscoll和Hanson,1993）。微型諧振器傳感器的噪聲會受到的影響：1：尺寸效應(yīng)2：污染物的吸附和反吸附

厚度小于2um的微型諧振器中的噪聲：主要噪聲是溫度變化引起的噪聲；它是由熱量傳遞時量子本身的特性引起的；也就是說在熱量交換時伴隨著光子和聲子的發(fā)射和吸收。由該噪聲引起的平均溫度起伏：這種溫度變化噪聲本身也是一種頻率噪聲，通過微諧振器的溫度系數(shù)，該噪聲附加到其它振蕩器的噪聲源上。五：頻率測量在一個普通的晶體振蕩器中，可以以多快速度測量頻率是由諧振器的噪聲特性函數(shù)確定的。最短測量時間是在無損分辨率的情況下用于頻率測量。

它是曲線上的彎曲點對應(yīng)的值；也就是說，它是噪聲最低值較低的的極限值。在這個極限值下，其它的噪聲源，如白噪聲或Johnson噪聲就開始超出頻率噪聲的閃爍點，致使隨著降低而上升。

例子1：對于一個500MHz的SAW諧振振蕩器，當(dāng)用一個40MHz的高頻截止頻率fc來測量時，曲線拐點為10-3秒

2：在同樣下，一個500MHz的微型諧振器的拐點處的與前面相同，如果使用40KHz的fc，將會使降至300微秒

在不增加噪聲的情況下，是否能降低到30毫秒取決于諧振頻率、驅(qū)動水平和測量的空載時間。

在設(shè)計一個掃描式陣列時，需要綜合平衡考慮每個子陣列在驅(qū)動信號下的諧振器數(shù)目以及噪聲等效溫差(NETD)。在子陣列中諧振器的數(shù)目越多，在給定的驅(qū)動水平下的NETD值越高。六：熱隔離在設(shè)計一個微諧振器陣列時，在G和C之間的取值上的考慮：

1：要使紅外探測器對給定的紅外源有最大響應(yīng)，應(yīng)該使敏感元件到散熱器之間的熱傳導(dǎo)G最低。（）2：但是在給定的電容C下將G降至最低會使最大。（）3：減小C會使減小，但會增加溫度起伏噪聲

微諧振器熱隔離的方式：

1：將微諧振器懸浮在真空中，并與電極的激勵源結(jié)合。

2：在微諧振器的腐蝕期間獲得所需的熱隔離效果。3：用自由排列的薄膜條狀的機(jī)械支撐。

我們可以制作一個又薄又窄的橋或又薄又窄的環(huán)形圍住諧振器，環(huán)行由橋與諧振器相連（并且對多重環(huán)是互相連接）。

也可以做成圓形的諧振器如下圖

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七：微諧振器的紅外吸收在諧振器上沉積紅外吸收層可以提高整體的紅外吸收能力

怎樣獲得高的吸收率：1：利用寬吸收范圍的紅外吸收膜讓膜層的面阻值（188Ω）占自由空間阻抗（377Ω）的一半，能吸收50%的紅外輻射（Hadley和Dennison，1947）。25%被反射，25%被透射。

2：建立多個紅外吸收通道。

例如：在諧振器的背面加上一層紅外反射膜層。3：將密封層作成一個諧振的光學(xué)腔。一個三層的吸收材料的組成：第一層：金屬膜（377Ω）第二層：介質(zhì)層第三層：紅外反射層為了獲得良好的諧振器性能，需要獲得更多的能量。1：沉積紅外吸收膜2：在諧振區(qū)外鍍上附加的吸收層。要同時獲得足夠的紅外能量俘獲，并得到高的紅外吸收系數(shù)，對設(shè)計和制備就會有更高的要求。八:微諧振器陣列的預(yù)期性能

掃描型陣列和凝視型陣列工作的微諧振器的性能的不同：1：掃描型陣列，微諧振器受到周期性激勵，也就是說在兩次測量之間存在延遲時間。

2：凝視型陣列，所有的微諧振器受到激勵，并進(jìn)行連續(xù)測量。下圖給出了在兩個條件下的NETD與微諧振器頻率的函數(shù)關(guān)系。

(a):掃描性陣列(b):凝視型陣列NETD與微諧振器頻率的函數(shù)關(guān)系：在r=1下，對600MHz的微諧振器陣列的噪聲等效溫差（NETD）與G（和）的函數(shù)關(guān)系

240×336象素的陣列分別在100MHz、200MHz、600MHz、1.0GHz、1.4GHz及1.8GHz的典型參數(shù)值比較：—————————————————————————————————頻率 NETD（K）（MHz） ————————— 圓片尺寸橋長 r=1000r=1 （cm×cm）（um）—————————————————————————————————100

0.0110.0047——1.3200 0.0120.0050—— 2.76000.0130.00596.4*9.08.110000.0140.00683.9*3.013.614000.0150.00762.8*3.919.418000.0160.00832.2*3.025.3—————————————————————————————————各種非致冷紅外成像陣列的比較：1：硅微輻射計陣列

（NETD=0.04K）2：鐵電體輻射計陣列（NETD=0.05K）3：低溫冷卻紅外成像陣列碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑和砷化鎵/砷化鎵鋁(NETD=0.01K)

九：可生產(chǎn)性和其它一些要求用現(xiàn)存的技術(shù)是可以生產(chǎn)小