超表面在微测辐射热计中的应用

超表面突破了传统自然材料的电磁特性限制,同时也解决了三维超材料难以加工实现等瓶颈问题,使器件朝着集成化,小型化,低成本,可调谐的方向不断发展。目前超表面已在许多领域得到了较为广泛的应用,在探测器领域也越来越受到人们的重视,通过独特的材料、结构设计,超表面可有效完成电磁波各项特性的精确调控,通过超表面的集成,微测辐射热计在光吸收增强,器件波段选择改善等方面有了更多的可能性。本文针对超表面及其在微测辐射热计上的应用研究进行了阐述,展现了超表面在这一领域的发展趋势和广阔前景。

基于超表面微辐射热计的双色偏振探测器

介绍了利用超表面吸收体即具有亚波长尺寸和间距的光学谐振器阵列来取代分立的滤光片和偏振片实现了氧化钒(VO x)微测辐射热计对光谱和偏振的同时选择。超表面吸收体选择性地吸收特定波段的TM偏振光而反射TE偏振光,其中特定波段的中心波长和带宽可人为调动。针对5.3~6.6μm和6~7.4μm两个红外波段分别设计制备了超表面吸收体,制备出的超表面吸收体对TM偏振光的吸收率分别为0.8322和0.7720,偏振消光比分别为42.24和42.65。并将超表面吸收体与氧化钒微测辐射热计进行了集成,测试得到的探测器响应谱与超表面吸收体的吸收谱能够较好地吻合。制备出的两种探测器的峰值响应度分别为1.0V/W和1.46V/W,分别位于6.0μm和6.8μm处。同时两个探测器的峰值探测率分别为6.94×10^(5)cm·Hz^(1/2) W^(-1)和9.95×10^(5)cm·Hz^(1/2) W^(-1),工作频率分别为11Hz和36Hz。我们的工作为实现大面阵室温多光谱偏振成像探测器提供了一种新的方法。

非制冷红外微测辐射热计的研制

采用多晶硅薄膜材料作为热敏电阻材料，以普通的ＩＣ工艺及微机械加工技术研制成功了在室温下工作的红外微测辐射热计，其多晶硅电阻温度系数为－２％℃－１，探测率Ｄ＊达２×１０８ｃｍ·Ｈｚ１／２·Ｗ－１．

基于3ω法的微测辐射热计像元薄膜热导率测试

热导是微测辐射热计像元的重要参数之一,其大小直接影响像元的响应高低。热导与组成像元的薄膜材料的热导率相关,薄膜的特征尺寸、温度和淀积工艺皆会影响热导率。监控工艺线上薄膜的热导率,对像元的设计具有重要意义。根据3ω谐波探测技术,搭建了薄膜热导率的测试系统,测试了厚度为20~100 nm的氮化硅(SiN x)及二氧化硅(SiO 2)薄膜的热导率,包括温度特性和尺寸特性。根据尺寸特性计算得到SiN x的本征热导率为0.747 W/(m·K),SiO 2的本征热导率为1.085 W/(m·K)。测得厚度为100 nm的钛(Ti)金属薄膜的热导率为6.708 W/(m·K)。与基于光热法的测试系统相比,基于3ω法的测试台架搭建更简单。该方法利用微机电系统(Micro-Electromechanical Systems,MEMS)制造工艺制备测试样品,是MEMS产品设计与制造中表征微纳尺度薄膜热导率的理想方案。

微辐射热计的光学与热学设计

针对四臂微桥结构的微辐射热计的光学和热学设计 ,分析了SiO2 红外吸收层 /poly Si热敏感薄膜电阻层 /SiO2 支撑薄膜层的多层薄膜的光学特性 ,研究了SiO2 红外吸收层的厚度对多层膜系平均红外吸收率的影响 .与常规设计思想不同的是 ,没有假设微辐射热计的平均红外吸收率一定 ,而将不同厚度的SiO2 红外吸收层所对应的膜系平均红外吸收率用于微桥的热学设计中 ,通过有限元分析软件ANSYS5 .7,得到SiO2 红外吸收层的最佳厚度 。

320×240长波非致冷微测辐射热计红外热象仪的研制

介绍了基于微测辐射热计 3 2 0× 2 40长波非致冷红外热象仪的研制 ,详细说明了其电气系统的设计方法及技术关键 ,并对其光学系统进行了简要说明 .采用高象质的双反射光学系统以减少象差 ;红外探测器采用 3 2 0× 2 40长波非致冷集成微测辐射热计红外焦平面阵列( FPA) ;电气系统采用复杂可编程逻辑器件 ( CPLD)完成红外焦平面阵列的驱动 ,应用数字信号处理 ( DSP)技术实现红外焦平面阵列的非均匀性校正、图象增强及红外图象实时显示等 .

非制冷微测辐射热计探测器工作温度特性研究

根据非制冷红外热成像技术的基本原理,通过对α-Si微测辐射热计探测器响应性能及功耗特性的分析,得到了探测器噪声等效温差NETD、探测率及功耗与工作温度之间的关系.提出了在环境温度变化范围较大的情况下改善探测器低温环境工作性能的方法——采用多个工作温度点.并对探测器采用0℃和30℃双工作温度点工作进行了实验,实验结果表明,该方法切实有效,可以显著扩展非制冷微侧辐射热计探测器的环境温度适用范围.

用于微测辐射热计的氧化矾热敏材料的温度特性

氧化矾作为非制冷微测辐射热计的热敏材料,电阻率ρ和电阻温度系数TCR(Temperature Co-efficient of Resistance)是表征其性能的重要参数。通过对用离子束溅射得到的氧化矾薄膜在相同时间不同温度下的N2+H2退火实验,我们发现氧化矾薄膜的电阻率ρ和电阻温度系数TCR之间存在着密切的正相关关系,AES结果表明它们的变化对应着氧化矾热敏材料的O/V比例(或氧空位浓度)的变化。这三个参量随着退火温度的改变而变化,在350～500 ℃的退火温度范围内,我们发现电阻率ρ,电阻温度系数TCR以及O/V比例随着温度的变化均出现一个峰值。通过对氧化矾的电阻温度特性的分析,我们讨论了氧化矾薄膜的导电机制。我们认为,用本方法制备的氧化矾薄膜在室温下导电的载流子主要来自于相对较深能级杂质的电离。

微测辐射热计微桥结构性能分析

微测辐射热计的设计难点是起支撑作用的微桥结构的设计.重点研究了现在流行的几种微桥结构,对其性能参数进行分析比较,提出了多层结构的优点.并使用有限元分析软件对不同微桥进行结构分析,以比较其稳固性.

非晶硅微测辐射热计热学和力学仿真研究

通过理论计算及有限元方法仿真研究微测辐射热计的热学和力学性能,得出了微桥桥腿尺寸与微桥的热导、热时间常数、桥面温升以及由微桥自身重力引起的位移形变的关系;提出了为了兼顾较好的热学和力学性能,需要选取合适的微桥桥腿尺寸的观点。以像元尺寸50μm×50μm的微桥结构为例,选取了非晶硅微测辐射热计理论上的最佳桥腿尺寸,得到桥腿的热导值5.05×10-7W/K,热时间常数1.18ms,桥面温升34.71mK,最大位移形变量3.62×10-4μm。

非致冷红外微测辐射热计的自热效应分析及重要参数测定

在考虑器件自热效应的情况下，对微测辐射热计的性能进行了深入地理论分析，应用了微测辐射热计的有效热导Ｇｅｆｆ概念，得出对于一定的热导的器件，存在着最佳工作偏置电流Ｉ０ｏｐｔ这一重要结论，并找到一种通过电学测量确定微测辐射热计有效热导Ｇｅｆｆ和有效时间常数τｅｆｆ的方法．试验结果与理论分析符合．

微测辐射热计的红外热响应模拟

利用有限元法对微桥结构的测辐射热计进行了二维热模拟.定量地分析了探测单元的大小尺寸、支撑层的厚度,支撑臂的长度和宽度、引线材料的选取等对微测辐射热计探测单元在红外辐射下温度的变化和热响应的快慢情况.评估了真空封装对微测辐射热计红外响应的影响.同时作为比较对平板空腔结构的红外探测器也进行了分析.

微测辐射热计的优化设计

针对典型的50μm×50μm双层微桥结构的微测辐射热计单元的设计,分析了其红外吸收性能、热性能、力学支撑性能及相互间的折衷关系,指出微桥桥面的夹层结构的各层膜厚选取和桥腿宽度的选取是兼顾红外吸收和热、力性能的关键因素.以Si3N4/VOx/Si3N4膜系为例对微桥进行了优化设计,获得了理论上最佳的夹层结构膜厚和桥腿宽度,得到时间常数20ms和8-14μm波段有80%以上红外吸收率.

非致冷测辐射热计的研制方案

介绍一种基于氧化钒 (VOx)测辐射热计探测器的红外焦平面阵列 (IRFPA) ,叙述它的材料、制作方法、探测器阵列、真空封装和器件性能等有关问题 ,并与其它与非致冷热电焦平面阵列进行了比较。氧化钒 (VOx)测辐射热计IRFPA可构成高质量的红外热像仪 ,非常适合于军事和民品的广泛应用 ,在下一个十年这项技术有望发展成为一种新的产业。

微测辐射热计响应率的数值分析

介绍了微测辐射热计在外加偏置下的响应情况,建立了直流偏置下微测辐射热计的响应率模型,及脉冲偏置下微测辐射热计的完整理论模型,进行了数值分析,给出了在实际工作条件下微测辐射热计响应率的仿真结果。

非晶硅微测辐射热计热学和光学分析

通过理论计算得到了桥腿长度和宽度与热导和桥面温升之间的线性关系，辐射功率和桥面温升之间的线性关系，并利用ANSYS软件对线性关系进行模拟验证．根据光学导纳矩阵法，利用Mat Lab软件模拟微测辐射热计对红外线的吸收率，结果表明微测辐射热计对8～13μm波段红外有很好的吸收率．分析结果为微测辐射热计的研制提供了可靠依据．

非制冷微测辐射热计的特性参数

描述了非制冷微测辐射热计的电热效应 ,推导了响应率、噪声、噪声等效功率、噪声等效温差、探测率等特性参数的计算公式 ,结果表明 。

室温微测辐射热计线性阵列的设计与制作

对微测辐射热计的微桥结构进行了优化设计。采用多晶锗硅Poly—Si0.7Ge0.3薄膜电阻作为微测辐射热计的探测敏感元件,结合微机械加工技术制作了8×1微测辐射热计线性阵列,制作工艺温度小于650℃,微桥桥面面积为10Oμm×100μm,由两臂支撑,支撑臂的长L和宽W分别为220μm和8μm。

非制冷微测辐射热计的热平衡分析

非制冷微测辐射热计焦平面阵列技术在国外已取得了令人瞩目的成就 ,与其它红外探测器相比 ,微测辐射热计更适于开拓民用市场 ,目前国内在这方面的研究也已成为热点。文章介绍了微测辐射热计的物理模型及其理论计算方法 ,利用黑体辐射和传热理论 ,建立了微测辐射热计的热平衡方程 ,并利用MATLAB软件获得了数值运算结果。分析表明 ,热传导、热容、偏置方式等对微测辐射热计性能的影响是设计考虑的关键。

非晶硅室温微测辐射热计的研制

将聚酰亚胺作为绝热材料,对传统室温微测辐射热计结构进行了改进,成功制备了非晶硅室温微测辐射热计并进行了测试。以聚合物材料作为绝热材料,避免了表面牺牲层工艺和体加工技术,降低了成本、提高了成品率。在传统探测器结构基础上,在底部制备一层金属用作红外反射层,利用吸收层可以对红外辐射进行二次吸收。金属层和有源层间的隔离层对红外也有很好的吸收效果,由隔离层、有源层和钝化层构成三明治结构,可以显著改善对红外辐射的吸收。对器件的制备工艺进行了说明并对器件特性进行了测试,结果表明,在773K黑体源8～14μm红外辐射下,探测器的响应度最大为26.4kV/W,表明器件具有较高的性能。