基于弛豫鐵電單晶的紅外熱釋電探測器研究

項(xiàng)目基金：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60708028；60837003）基于弛豫鐵電單晶的紅外熱釋電探測器研究項(xiàng)目基金：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60708028；60837003）馬學(xué)亮123,邵秀梅12,于月華12,李言謹(jǐn)12(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海2000832.中國科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海2000833.中國科學(xué)院研究生院,北京100039)摘要：熱釋電非制冷紅外探測器在工業(yè)、民用探測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。弛豫鐵電單晶（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3（PMNT）是一種新型熱釋電材料，具有優(yōu)異的熱釋電綜合性能。本文重點(diǎn)研究了新型熱釋電材料PMNT的低損傷減薄工藝、電極成型、耦合封裝等關(guān)鍵技術(shù)，研制了基于PMNT的單元熱釋電探測器。對減薄后約30μm晶片材料性能的測試分析表明，部分熱釋電系數(shù)約為9.0×10-4C/m2K，無明顯衰減。采用低噪聲電路提取單元探測器的微弱熱釋電電流，對所研制的單元探測器性能進(jìn)行了測試、分析并指出了下一步研究的重點(diǎn)。關(guān)鍵詞：紅外、熱釋電探測器、弛豫鐵電單晶、非制冷PyroelectricInfraredDetectorBasedonRelax-basedFerroelectricSingleCrystalsMaXueliang123,ShaoXiumei12,YuYuehua12,LiYanjin12（1.StateKeyLaboratoriesofTransducerTechnology,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience,Shanghai2000832.KeyLaboratoryofInfraredImagingMaterialsandDetectors,ShanghaiInstituteofTechnicalPhysics,ChineseAcademyofScience,Shanghai2000833.GraduateSchooloftheChineseAcademyofScience,Beijing100039）Abstract:Pyroelectricinfrareddetectorshavetheadvantageofworkingatroomtemperature.Theyarewidelyusedinindustrialandcivilianfield.PMNTsinglecrystalisanovelpyroelectricmaterialwithsuperiorpyroelectricperformances.ThekeyprocessofthefabricationofpyroelectircinfrareddetectorsbasedonPMNTsinglecrystal,includinglappingandpolishingofthecrystal,metallizationandassembly,werecarriedout.ThepyroelectriccoefficientofPMNTchipwiththicknessof30μmwasmeasuredandtheresultsindicatethatthepyroelectriccoefficientsofsomechipsaresimilarwiththePMNTsinglecrystalwiththicknessof500μm.Weakpyroelectriccurrentwasmeasuredbyatestsystem.Intheend,theresearchemphasesinthefuturearepointedout．Keywords:infrared;pyroelectricdetector;relax-basedferroelectricsinglecrystals;uncooled1.引言熱釋電探測器是利用熱釋電體中自發(fā)極化隨溫度變化的特性而設(shè)計(jì)的，廣泛應(yīng)用于報警、紅外成像、非接觸測溫、氣體分析等領(lǐng)域，在光譜儀，激光器、紅外地平儀中均有應(yīng)用[1]。熱釋電探測器屬于非制冷紅外探測器，具有室溫工作、結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。在0.8--25μm波段，熱釋電探測器具有平坦的光譜響應(yīng)[2]。國際上很早就開展了關(guān)于熱釋電探測器的研究并持續(xù)至今[3-7]，目前國外研究機(jī)構(gòu)和公司在非制冷紅外焦平面陣列上取得了一系列的成果[8-13]。近年來，中科院上海硅酸鹽研究所羅豪甦課題組率先發(fā)現(xiàn)弛豫鐵電單晶（1-x）Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3（PMNT）是一種新型熱釋電材料，具有綜合優(yōu)異的熱釋電性能[14]，如：室溫下熱釋電系數(shù)優(yōu)于鉭酸鋰（LiTaO3）和硫酸三甘肽（TGS）等常規(guī)熱釋電材料，介電常數(shù)適中、可調(diào)，介電損耗較低。這有利于發(fā)展高性能的熱釋電探測器。本文采用中科院上海硅酸鹽研究所羅豪甦課題組研制的新型熱釋電材料PMNT，重點(diǎn)研究了PMNT這種新型熱釋電材料的低損傷減薄工藝、電極成型、耦合封裝等關(guān)鍵技術(shù)，研制了基于PMNT的單元熱釋電探測器，并進(jìn)行了測試分析。2.PMNT熱釋電探測器2.1熱釋電探測器工作原理熱釋電探測器是依據(jù)熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的。其工作原理如圖1所示，熱釋電探測器接收紅外輻射后，溫度由T升高到T+?T，由于熱釋電效應(yīng)，熱釋電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度變小，極化電荷減少，由于表面自由電荷中和面束縛電荷的時間遠(yuǎn)大于晶體自發(fā)極化的弛豫時間，所以在與自發(fā)極化方向垂直的晶體表面上凈電荷增加，熱釋電晶體會有電輸出。若熱釋電晶體維持在T+?T，晶體自身的微弱的導(dǎo)電性以及環(huán)境中的自由離子會逐漸中和表面的剩余凈電荷,芯片的電輸出會逐漸減小至零。當(dāng)熱釋電晶體溫度由T+?T減小到T時會發(fā)生類似相反的過程。升溫和降溫過程中熱釋電晶體輸出的電流方向相反。此電流的大小可由下式來描述：其中為熱釋電電流，為熱釋電晶體與自發(fā)極化方向垂直的上下表面電極重疊面積的大小，為熱釋電系數(shù)，為熱釋電晶體的溫度變化量。圖1熱釋電效應(yīng)原理圖2.2PMNT芯片減薄工藝研究對熱釋電探測器的熱學(xué)分析表明[3,15]，在實(shí)際熱釋電探測器中，為了獲得高的探測率，一方面應(yīng)當(dāng)減小熱釋電探測芯片的熱容，提高溫度的變化量而提高電壓或電流響應(yīng)率；另一方面應(yīng)當(dāng)減小熱釋電探測芯片的熱噪聲，主要是來源于熱釋電探測芯片的橫向熱擴(kuò)散漲落。熱釋電探測器采用懸空的隔熱結(jié)構(gòu)可以減小橫向熱擴(kuò)散，而減小厚度可以同時減小熱釋電芯片的熱容和橫向熱擴(kuò)散，從而提高探測率。為了獲得低損傷的薄熱釋電芯片，可以采用的芯片減薄技術(shù)途徑包括：機(jī)械研磨減薄、濕法腐蝕、離子束刻蝕減薄等方法。本文選用機(jī)械減薄拋光的方法來獲得薄的熱釋電芯片。所選用的熱釋電材料PMN-0.28PT已經(jīng)過預(yù)先極化，厚度d~500μm。以12#PMNT晶片為例,其性能如下：相對介電常數(shù)εr=626.5(@1kHz)，相對介電損耗tanδ=52.5×10-4(@1kHz)，熱釋電系數(shù)p=9.72×10-4C/m2K，電流響應(yīng)優(yōu)值Fi=3.89×10-10m/V，電壓響應(yīng)優(yōu)值Fv=0.070m2/C，見表1。其余晶片性能和12#相近。此次實(shí)驗(yàn)將PMNT晶片用粘結(jié)蠟粘貼在玻璃基板上，貼片溫度控制在55℃。然后將貼于玻璃基板上的PMNT晶片經(jīng)機(jī)械減薄拋光后得到減薄的熱釋電芯片。經(jīng)減薄雙面拋光后PMNT晶片大小為4mm×4mm厚度約為30μm，兩個表面光潔平整。利用單元器件掩模，采用離子束濺射的方法，在4mm×4mm的PMNT芯片上表面中心區(qū)制備了直徑φ2.0mmCr/Ni圓形半透電極，下表面中心區(qū)域制備了直徑φ2.5mmCr/Au圓形電極。表1PMNT晶片減薄拋光前后的性能（a-減薄拋光前，b-減薄拋光后）芯片編號dεrtanδpFiFvμm@1kHz@1kHz×10-4C/m2K×10-10m/Vm2/C12#a500626.552.5×10-49.723.890.07012#b301980.00.039.603.840.02217#b252190.60.041.900.760.00469#b201900.00.042.300.920.005PT1#b361545.10.019.103.640.0272.3PMNT芯片性能測試分析對制備電極的12#、17#、69#、PT1#PMNT芯片分別測試了相對介電常數(shù)εr（@1kHz）、介電損耗tanδ（@1kHz）和熱釋電系數(shù)p，并計(jì)算出電流響應(yīng)優(yōu)值Fi和電壓響應(yīng)優(yōu)值Fv。減薄拋光前后，PMNT材料性能如表1所示。測試的結(jié)果表明：減薄拋光后部分樣品熱釋電系數(shù)沒有明顯的衰退，其中12#和PT1#晶片的熱釋電系數(shù)接近減薄拋光前的熱釋電系數(shù)，17#和69#熱釋電系數(shù)雖減小了，其大小仍接近傳統(tǒng)熱釋電材料LiTaO3的熱釋電系數(shù)。介電常數(shù)變化較大，四個芯片的介電常數(shù)約為減薄拋光前的3-4倍，電壓響應(yīng)優(yōu)值減小。介電損耗有所增大，這會使熱釋電探測器的介電損耗噪聲增大，會降低熱釋電探測器的探測率。我們認(rèn)為在此次實(shí)驗(yàn)中PMNT相對介電常數(shù)和介電損耗變化的原因是：機(jī)械減薄拋光過程使晶片表面晶格破壞畸變，熱釋電芯片表面疇的方向發(fā)生了反轉(zhuǎn)，由此在晶片表面產(chǎn)生了極薄的退極化層，這在較薄的晶片中對材料性能影響突顯出來，導(dǎo)致了薄晶片性能的變化。這一原因有待于進(jìn)一步測試分析來驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)上可通過優(yōu)選拋光磨料，控制拋光過程中的壓力、速度以及采用低損傷的離子束刻蝕、濕法腐蝕等方法來降低熱釋電芯片表面的損傷，以得到性能優(yōu)良的PMNT薄熱釋電芯片。2.4PMNT熱釋電探測器測試將已蒸鍍電極后的PMNT熱釋電芯片固定在基座上并置于TO-5管殼內(nèi)，用導(dǎo)電銀膠將熱釋電芯片和相應(yīng)管腳引線連接制成懸空結(jié)構(gòu)的熱釋電探測器。由于熱釋電探測器是一個電容性低噪聲器件，前置放大器輸入級會改變電時間常數(shù)，而且會引進(jìn)附加噪聲。實(shí)用的熱釋電探測器的性能和前置放大器的噪聲與輸入阻抗等參數(shù)有關(guān)。前置放大器有兩種模式，一種是電壓模式，另一種是電流模式，如圖2所示。本文測試采用電壓模式。用圖3所示原理的測試系統(tǒng)對探測器進(jìn)行了測試，前置放大器采用電壓模式。利用測試系統(tǒng)在與黑體相距165.0mm，黑體溫度900K，黑體孔徑φ10mm，調(diào)制頻率14Hz，環(huán)境溫度293K條件下測試單元PMNT熱釋電探測器的電壓信號，電壓響應(yīng)率約為幾十伏/瓦。圖4為用69#芯片制作的PMNT單元熱釋電探測器在上述測試條件下測得的電壓響應(yīng)曲線。圖2前置放大器原理圖圖3單元熱釋電探測器測試原理圖圖4單元PMNT熱釋電探測器電壓響應(yīng)3.結(jié)論本文以新型弛豫鐵電單晶PMNT基礎(chǔ)，研究了PMNT的低損傷減薄工藝、電極成型、耦合封裝等關(guān)鍵技術(shù)，研制了基于PMNT的單元熱釋電探測器。測試并分析了減薄晶片性能變化的原因，指出通過優(yōu)選拋光磨料，控制拋光過程中的壓力，速度以及采用低損傷的離子束刻蝕，濕法腐蝕等方法可以降低晶片表面的損傷，以期獲得性能優(yōu)良的PMNT薄熱釋電芯片。本文的研究工作為基于PMNT材料的高性能單元、線列焦平面探測器研究奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：[1] 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