微纳光电子系统_第二章微纳光电器件简介
微纳光电子器件设计及应用
微纳光电子器件设计及应用微纳光电子器件是一种尺寸在微米和纳米量级的光电子器件。
它们具有小尺寸、低功耗、高集成度和高效率等优势，在光通信、光传感、生物医学等领域具有重要的应用价值。
本文将着重介绍微纳光电子器件的设计原理和应用。
微纳光电子器件的设计涉及多学科的知识，包括材料科学、微纳加工技术、光学原理和电子学原理等。
在微纳加工技术方面，常用的方法包括光刻、薄膜沉积、离子注入和电子束光刻等。
这些技术可以制造出微米和纳米级的光电子器件。
在微纳光电子器件的设计中，材料的选择非常重要。
常用的材料包括硅、III-V 族化合物和有机材料等。
硅作为一种常规的半导体材料，具有优良的光电性质和可靠的工艺流程，因此被广泛应用于微纳光电子器件的制备。
而III-V族化合物如氮化镓等具有优异的光电子性能，可以用于高频率和高功率的光电子器件。
有机材料则具有较高的光感度和柔性，适用于可弯曲的光电子器件。
微纳光电子器件的应用非常广泛。
首先是在光通信领域，微纳光电子器件可以用于制造高速光调制器、光放大器和光检测器等。
这些器件可以实现光信号的调制、放大和检测，提高光通信系统的传输速率和传输距离。
其次是在光传感领域，微纳光电子器件可以用于制造高灵敏度的生物传感器、环境传感器和化学传感器等。
这些器件可以通过光信号的变化来检测物质的浓度、温度和压力等，具有高灵敏度和高选择性。
此外，微纳光电子器件还可以应用于光存储、光计算和量子信息等领域。
在光存储方面，微纳光电子器件可以用于制造高密度和高速度的光存储器件，可以实现大容量的数据存储。
在光计算方面，微纳光电子器件可以用于制造光逻辑门和光开关等，可以实现光计算的高速度和低功耗。
在量子信息方面，微纳光电子器件可以用于制造单光子源、光量子纠缠等，可以实现量子通信和量子计算。
综上所述，微纳光电子器件是一种具有重要应用价值的光电子器件。
随着微纳加工技术和材料科学的不断发展，微纳光电子器件的设计和应用将得到进一步的推动。
微纳光电子器件的设计和制备技术
微纳光电子器件的设计和制备技术微纳光电子器件是目前光电子领域中的前沿研究领域。
因其微小的体积，具有良好的性能和独特的功能，被广泛应用于信息处理、生物医药、新能源等领域。
本文概述微纳光电子器件设计制备技术。
一、微纳光电子器件概述微纳光电子器件是指体积尺寸在微米乃至纳米量级的光电子器件，与传统的光电子器件相比，具有更高的集成度、更低的功耗、更高的速度、更强的可靠性和稳定性，因此在应用领域有着广泛发展前景。
目前，微纳光电子器件主要包括微波光子晶体、微环谐振器、微腔光机械振子、微进易出激光等。
这些器件均是基于微纳米加工技术制备的，因此需要掌握相应的设计和制备技术。
二、微纳光电子器件设计技术1. 光学仿真技术在微纳光电子器件设计中，光学仿真技术是非常重要的一部分。
通过对无限远场问题的研究，可以建立器件的电磁模型，并利用计算机仿真技术进行分析和设计优化。
光学仿真技术最常用的软件是COMSOL Multiphysics和Lumerical等。
通过光学仿真技术，可以优化器件的结构形状、材料选择、呈现和低损耗等。
2. 异质结构设计技术在微纳光电子器件很多器件应用中都需要通过异质结设计实现。
异质结异质材料的导带能带区在交界处会产生能带弯曲现象，从而形成能带偏差，这样就能够改变器件的电子结构和光学性质。
异质结是一种典型的二维和三维的结构，可以通过量子阱、能带混合、带隙调制等技术实现。
在微波光子晶体、微腔光学器件等方面有重要应用。
三、微纳光电子器件制备技术1. 电子束光刻技术电子束光刻技术（EBL）是一种高分辨率的微纳米制造技术，其分辨率可以达到亚纳米级别。
EBL主要是利用电子束照射石英等电子敏感材料，石英中会产生可溶解的空穴，再通过腐蚀、蒸镀等方式制造出器件形状。
EBL技术可以实现器件的多层加工和三维加工，但是其缺点是加工速度较慢，不能进行大面积加工和生产级量产。
2. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术（RIE）是一种高效的微纳米制造技术，其主要原理是通过气体放电等离子体刻蚀目标材料。
第二章 微纳光学理论基础
第二章微纳光电子理论基础参考：微光学与系统，杨国光编著，浙大出版社2.1 微纳结构光学理论概述理论涉及领域-微纳光学主要设计尺寸在微米或纳米量级的器件以及尺寸在亚微米量级或纳米量级的表面微纳结构。
-当器件或微结构的尺寸接近入射波长或小于入射波长时，光进入共振区（衍射区）。
常规光学的标量理论已无法设计这类微光学器件，必须采用光共振区的矢量理论进行设计。
-涉及三个理论领域：►标量理论领域——适用于设计结构周期尺寸d>=10λ的微光学器件；►矢量理论领域——适用于设计结构周期尺寸d～λ的微光学器件；►等效折射领域——适用于计算结构周期尺寸d<=λ/10的微光学器件；三个理论领域的光物性变化设计模型●标量模型：二维模型，是复振幅的强度模型。
当微结构尺寸d>>λ时有效，当d～λ时计算精度不够，且不能计算偏振状态。
●矢量模型：三维模型，是严格模型。
计算光栅微结构已较成熟，但计算任意曲面算法上还有困难。
●光线追踪模型：从光的偏折来描述微光学，且只做±1级计算，是实用模型。
●等效折射模型：适用于d<=λ/10，作微结构计算。
微光学分类●从原理上分： 衍射型和折射型●从功能上分：- 非成像微光学阵列——以聚能为主要目的，起提高光能利用率的作用。
- 成像微光学——以多重成像为目的，实现光学系统微型化。
- 光束变换器——利用衍射原理实现传统光学取法实现的功能如光束整形、光束变换、光互连等。
●从设计与加工原理上分：- 折射型微透镜： 可获得大的数值孔径和短焦距 - 二元型微透镜： 平面型- 混合型微透镜 ： 具有消色差高像质功能 2.2 标量衍射理论基础●标量衍射模型)()()(0P A P U P U i ∙=问题： 已知使用要求U0(P),如何确定微结构的P点的复振幅A(P)? 设微结构的轮廓高度为h(P), 基底S 的折射率为n(λ),则此微结构引入的光程差OPD 为：[])(1)()(P h n P OPD -=λλ故有： )(2)()(P O PD j P j e e P A λλπϕλ==光程差或相位分布一般可用多项式来拟合： ∑∑==-=n i ij jji j i n y x A y x 10,),(ϕ标量衍射系统空间模型●典型衍射系统：- I 为光波入射空间：平面或球面简谐波均匀波；- 衍射光学元件II 为光透射空间:入射光波振幅或相位受到微结构调制，波前改变；- III 为衍射空间： 透射光波传播形成光强起伏的衍射图样，非均匀波。
微纳电子学微型电子器件与系统的设计与制造
微纳电子学微型电子器件与系统的设计与制造微纳电子学是一门研究微米和纳米级尺寸电子器件与系统的学科，它与传统电子学相比，更加注重在微小尺寸下实现高性能和功能丰富的电子器件和系统。
微纳电子学的应用领域非常广泛，包括信息技术、生物医学、能源和环境等多个领域。
本文将介绍微纳电子学微型电子器件与系统的设计与制造的相关内容。
一、微纳电子学的基础原理微纳电子学的基础原理主要包括集成电路技术、材料科学、纳米加工技术和器件物理等方面。
其中，集成电路技术是微纳电子学的核心，它通过不断缩小元器件的尺寸，提高集成度和性能，实现了计算机、通信和消费电子产品的飞速发展。
材料科学则是支撑微纳电子学研究的基础，研究高性能、高稳定性和可制造性的材料对于微纳电子器件的设计制造至关重要。
纳米加工技术是微纳电子学中实现微米和纳米级尺寸器件的关键技术，包括光刻、薄膜沉积、电子束曝光和离子注入等多种制造工艺。
器件物理则是理解和研究微纳电子器件行为的基础，研究电子在微纳结构中的输运和量子效应，为器件设计提供理论指导。
二、微纳电子器件设计微纳电子器件的设计是微纳电子学的核心任务之一。
在微纳尺度下，器件的结构和材料的选择对其性能有着重要影响。
常见的微纳电子器件包括晶体管、电容器、电感器和传感器等。
在设计过程中，需要考虑电路的功能需求、电路结构的优化以及材料的选择。
在晶体管的设计中，常用的结构包括MOSFET、BJT和HEMT等，不同结构的优缺点可根据具体应用需求来选择。
电容器和电感器的设计则需要考虑电容或电感的大小和频率响应等性能指标。
传感器的设计需要考虑传感器的灵敏度、选择性和稳定性等因素。
此外，还需要考虑功耗和可靠性等问题，以满足实际应用需求。
三、微纳电子器件的制造技术微纳电子器件的制造技术是实现微纳电子学的关键。
常用的微纳制造技术包括光刻、薄膜沉积、离子注入和电子束曝光等。
光刻是一种常用的制造技术，通过光刻胶的曝光和显影，将所需的器件图形转移到硅片表面。
光电子技术在微纳电子器件中的应用
光电子技术在微纳电子器件中的应用微纳电子器件是当前世界上最有前景的科技领域之一，而光电子技术则是该领域中备受关注的一种技术。
光电子技术的发展一直在受到越来越多的关注，并且被广泛地用于微纳电子器件的研究和应用中。
在这篇文章中，我们将讨论光电子技术在微纳电子器件中的应用。
1. 微纳电子器件的定义与应用在开始讨论光电子技术在微纳电子器件中的应用之前，我们先来了解一下微纳电子器件的定义和应用。
微纳电子器件是指在微观或纳米尺度下制造的电子器件，由于特小的尺寸和独特的物理特性，这种器件具有广泛的应用前景。
无论是在电子通信、能源、医疗、生物医药、环境保护等领域，微纳电子器件都有着不可或缺的作用。
举例来说，微纳电子器件被广泛地应用于磁盘驱动器、光纤通信、太阳能电池、生物芯片、飞行器、智能手机等领域。
2. 光电子技术的定义与应用光电子技术是指把光学和电学相结合的一种技术，它主要涉及到电子与光子间相互转化的过程。
这种技术的发展具有很多的应用前景，尤其是在信息通信、医疗保健、物理学、环境监测等领域。
光电子技术的应用范围非常广泛，比如在通信领域中，它被广泛地应用于光纤通信、卫星通信、高速数字通信、光纤传感器等方面。
在物理学领域，光电子技术可用于测量超快过程、测量高能粒子等。
在医疗保健领域，它被用于放射治疗、光疗等方面。
在环境监测领域，光电子技术可用于水质检测、空气质量检测等。
3. 光电子技术在微纳电子器件中的应用光电子技术在微纳电子器件中的应用是一种比较新的技术，但是它的应用前景还是非常广泛的。
下面我们将详细地探讨光电子技术在微纳电子器件中的应用。
3.1 无线通信无线通信是一种通过无线电波进行信息传递的技术。
如今，它是当今世界上最主要的通信方式之一，并且被广泛地应用于移动通信、互联网、广播、卫星通信等领域。
光电子技术可以非常容易地与无线通信技术相结合，用于实现光无线通信系统。
3.2 光纤通信光纤通信是一种利用光纤传输数据的技术。
微纳电子材料与器件知识讲解
纳米材料发展简介
❖ 1965年诺贝尔物理奖获得者R.P Feynman说过：“如果有一 天能按人的意志安排一个个原子分子将会产生什么样的奇 迹”，纳米科学技术的诞生将使这个美好的设想成为现实 。
❖ 1982年，IBM公司苏黎世研究所Binnig和Rohrer发明了扫描 隧道显微镜(STM),这项发明为纳米科技的发展起到巨大的 促进作用。
(a) Schematic representation of the transfer process to invert the VA-MWNT array onto a polystyrene thin film,
(b, c) SEM images of the invert VA-MWNT array.
纳米结构与低维性的概念
❖ 纳米材料：指材料在三维空间中至少有一维处于纳米尺度
范围内的，或由纳米基本单元构成的材料。
❖ 纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑
或营造一种新的体系,它包括一维的、二维的、三维的体系 。
❖ 纳 米 结 构 通 常 是 指 0.1 ～ 100nm 的 超 微 结 构 , 在 这 种 尺 度
介观体系的材料。
❖ 低维性：指的是维数小于三，具体来说就是二维、 一维和零维
d=3，完全不受 量子约束
三维（3D）
定义d为维度
d=2，一个方向上 受到量子约束
二维（2D）
d=1，两个方向上 受到量子约束
d=0，三个方向上 受到量子约束
一维（1D） 零维（0D）
纳米材料根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度定义
用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不 通，恰恰是相反。
从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行， 因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的 光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗 糙程度。
微纳光学元件
微纳光学元件微纳光学元件是指在微纳米尺度下制备的光学元件，其物理尺寸与波长相当或小于波长。
由于微纳米尺度下的光学元件具有精细的结构和独特的光学性能，因此它们在纳米光学、纳米电子学、生物医学、光子学和量子信息等领域都有着广泛的应用。
本文将介绍微纳光学元件的种类、制备方法和应用领域。
1.微型透镜微型透镜是一种具有微观尺度的透镜。
在微型透镜中，光线沿着一个由两个球形凸面镜构成的小光学系统进行聚焦。
微型透镜可以用于大规模的太阳能电池板、荧光探针和微小的成像器件中。
2.表面等离子体共振元件表面等离子体共振元件（SPR）是由金属和介电质组成的结构，在金属表面激发出介电质与金属相互作用而形成的等离子体振荡。
SPR可以用于生物传感和化学传感器，便携式光谱仪和科学研究中。
3.纳米图案化二维材料纳米图案化二维材料是通过纳米图案化技术在二维材料表面形成的纳米图案阵列。
这些阵列可以用于各种应用，如有机太阳能电池、晶体管和量子点发光二极管等。
4.纳米光阀门纳米光阀门可以在纳米尺度下控制光的传输。
这种阀门利用有机材料在受激电荷转移时的光响应和半导体的光学和电学特性制成。
纳米光阀门可以用于光开关和光电子学器件中。
5.量子点量子点是一种极小的材料，其长度为纳米级别。
由于量子点的尺寸非常小，因此它们的行为在经典物理学和量子力学之间。
量子点已被证明在计算机处理、太阳能电池板、生物传感和医学成像等领域中具有应用潜力。
1.电子束光刻电子束光刻是一种制备微纳米结构的先进技术，利用电子束在光刻胶层和光学材料表面刻蚀微纳米结构。
该技术相对于其他光刻技术具有更高的分辨率和更好的控制能力。
2.激光直写3.纳米压印纳米压印技术是一种将微纳米尺度的结构转移至各种材料表面的方法。
该技术利用硅基底上制作的微纳米结构进行压印，从而制造出具有高分辨率和复杂形状的微纳米结构。
4.分子束外延分子束外延是一种利用分子束在晶体表面上生长高质量微纳米结构的方法。
通过控制分子束的数量和速度，可以精确地控制微纳米结构的形成和生长过程。
第二章 微纳光学理论基础(1)
明确了倾斜因子，任意闭合面都可以作为衍射积分面， 计算远场衍射场实用。
平面角谱分析
波场的角谱表示法就是对光传播空间中任一 平面上的光场分布 通过傅里叶变换进行平面波分解，各个傅里叶分量看做 沿不同 方向传播的平面波，在任一 其他点上的复振幅是经过相移后的 平面波之和。
U ( x, y, z)
故有：
A ( P ) e
j ( P )
e
j
2
OPD
(P)
光程差或相位分布一般可用多项 式来拟合：
n ( x, y )
n
i
Ai , j x
i j
y
j
i 1 j 0
标量衍射系统空间模型
典型衍射系统： - I为光波入射空间：平面或球 面简谐波均匀波； - 衍射光学元件II为光透射空间: 入射光波振幅或相位受到微结 构调制，波前改变； - III为衍射空间： 透射光波传 播形成光强起伏的衍射图样， 非均匀波。
R R
是标量领域的一个精确方法，但是在z=0时，存在一个 奇点。
基于标量理论的衍射光学设计
• 衍射光学设计的基本问题是在在孔径A内找到适当的衍射光 学元件结构，使得目标平面上的输出光场满足所需要求。 • 实质是一个优化问题。优化设计方法有： 模拟退火算法、遗 传算法、GS算法、Y-G算法等。
矢量衍射理论基础
第二章 微纳光电子理论基础
参考：微光学与系统， 杨国光编著，浙大出版社
2.1 微纳结构光学理论概述
理论涉及领域
- 微纳光学主要设计尺寸在微米或纳米量级的器件以及尺寸在亚微米量 级或纳米量级的表面微纳结构。
- 当器件或微结构的尺寸接近入射波长或小于入射波长时，光进入共振 区（衍射区）。常规光学的标量理论已无法设计这类微光学器件，必须 采用光共振区的矢量理论进行设计。 - 涉及三个理论领域：
微纳电子器件的设计及应用
微纳电子器件的设计及应用随着科技的发展，纳米级电子器件的应用越来越广泛。
微纳电子器件指的是在微米或纳米尺度下设计制造的电子器件，具有高性能、低功耗、低成本等优点。
其应用范围涵盖信息通信、医疗健康、能源环保、智能物联网等领域。
本文将介绍微纳电子器件的设计及应用。
一、微纳电子器件的设计微纳电子器件的设计是在微米或纳米级别下进行的，需要采用一些高级技术，并且要考虑到这些器件的特殊性质。
以下是一些常用的微纳电子器件设计技术。
1. 工艺制造工艺制造是微纳电子器件设计的重要一环。
在此过程中，需要采用先进的技术，比如光刻、氧化、金属蒸镀等，制造出所需的器件。
这些技术需要在非常高的精度下操作，以确保器件的性能和稳定性。
2. 模拟和数字信号处理模拟和数字信号处理是微纳电子器件设计的另一个重要环节。
模拟信号处理会涉及到耦合、噪声、伪信号等问题，而数字信号处理则会处理器件的复杂性和性能问题。
这两种信号处理技术需要采用相应的算法和模型，以优化器件的响应和性能。
3. 有限元分析有限元分析是微纳电子器件设计中常用的计算机辅助工具。
该技术利用有限元法来模拟器件的行为和特性。
在此过程中，需要采用一些先进的计算机软件和工具，以分析器件在不同状况下的表现，从而优化微纳器件的性能。
二、微纳电子器件的应用微纳电子器件已经被应用于多个领域中。
1. 信息通信微纳电子器件在信息通信领域中被广泛使用。
举个例子，微纳光纤滤波器可以用于分析和处理光通信中的信号。
这些器件可以被制造成非常小的尺寸，并可以处理高速、大量的数据。
再比如，微纳电子器件可以使用在制造晶体管和LED等器件中。
2. 医疗健康微纳电子器件在医疗和健康领域中也有广泛的应用。
例如，微型无创血糖仪可以通过皮肤获得血液样本而无需刺破皮肤；微型药物传递系统可以将药物递送到需要治疗的地方，从而减少不必要的损伤和疼痛。
3. 能源环保微纳电子器件可以被用于能源生产和环保中。
例如，太阳能电池板可以通过微纳器件设计，以最高效率获取和存储能源。
微纳电子技术与器件
微纳电子技术与器件电子与电气工程是一门涵盖广泛的学科，与我们日常生活息息相关。
随着科技的不断发展，微纳电子技术逐渐成为该领域的热点之一。
微纳电子技术是指利用微米和纳米尺度的器件和系统来设计和制造电子设备的技术。
本文将介绍微纳电子技术的发展背景、应用领域以及相关的器件。
发展背景微纳电子技术的发展得益于纳米科技和微电子技术的进步。
纳米科技研究了物质在纳米尺度下的特性和行为，而微电子技术则关注电子器件在微米尺度下的设计和制造。
两者的结合为微纳电子技术的发展提供了坚实的基础。
此外，随着集成电路的不断发展，人们对更小、更快、更节能的电子器件的需求也日益增加，促使微纳电子技术的研究和应用不断深入。
应用领域微纳电子技术在众多领域中得到了广泛应用。
在通信领域，微纳电子技术为无线通信、卫星通信和光纤通信等提供了关键的技术支持。
微纳电子技术的应用还可以扩展到医疗领域，例如用于生物传感器、医学成像和药物输送等方面。
此外，微纳电子技术在能源领域也有着重要的应用，如太阳能电池、燃料电池和能量收集器等。
微纳电子技术还可以应用于环境监测、汽车电子和智能家居等领域。
相关器件微纳电子技术的发展离不开一系列关键的器件。
其中，纳米材料是微纳电子技术的重要组成部分。
纳米材料具有特殊的物理和化学性质，可以用于制造纳米器件。
例如，纳米颗粒可以用于制造高性能的显示屏和光电器件。
另一个重要的器件是微流体器件，用于控制微米和纳米尺度下的流体流动，广泛应用于生物传感器和实验室芯片等领域。
此外，纳米电子器件和纳米传感器也是微纳电子技术中的关键组成部分。
微纳电子技术的发展为我们的生活带来了许多便利和创新。
它不仅推动了通信、医疗和能源等领域的发展，还为我们提供了更多的可能性。
然而，微纳电子技术仍面临着许多挑战，如器件的制造和可靠性等方面。
因此，我们需要继续加大对微纳电子技术的研究和投入，以推动其进一步发展和应用。
总结微纳电子技术是电子与电气工程领域中的一个重要方向，其应用范围广泛，涉及通信、医疗、能源等多个领域。
微纳光学元件
微纳光学元件微纳光学元件是一种在微纳米尺度下设计和制造的光学元件。
由于其小尺寸和优异的光学性能，微纳光学元件在微纳米光学和纳米光电子学领域中有着广泛的应用。
本文将从微纳光学元件的定义、制造技术、应用等方面进行介绍。
一、微纳光学元件的定义微纳光学元件是指在微纳米尺度下制造的光学元件。
与传统的光学元件相比，微纳光学元件具有小尺寸、高精度、高通量、高灵敏度等优点。
微纳光学元件的制造需要借助现代微纳技术，包括光刻、电子束曝光、离子束刻蚀等。
微纳光学元件的制造技术是微纳技术的一个重要分支。
目前，微纳光学元件的制造技术主要有以下几种：1. 光刻技术：光刻是一种半导体工艺中常用的制造技术，也是微纳光学元件制造的一种重要技术。
光刻技术是利用光刻胶对光刻模板进行曝光，然后进行显影、蚀刻等步骤，制造出微纳光学元件。
2. 电子束曝光技术：电子束曝光是一种高精度的微纳加工技术，可以用于制造微纳光学元件。
电子束曝光技术可以通过控制电子束的位置和能量，在微米级别上进行精确的加工。
3. 离子束刻蚀技术：离子束刻蚀是一种利用离子束进行加工的技术。
离子束刻蚀技术具有高精度、高速度、高质量等优点，可以制造出微纳光学元件。
三、微纳光学元件的应用微纳光学元件在微纳米光学和纳米光电子学领域中有着广泛的应用。
主要应用包括：1. 光学传感器：光学传感器是利用光学原理进行测量的传感器，可以用于测量光、电、磁、化学等各种物理量。
微纳光学元件可以制造出高灵敏度的光学传感器，具有广泛的应用前景。
2. 光学通信：光学通信是利用光进行信息传输的技术，具有高速度、高带宽、低损耗等优点。
微纳光学元件可以制造出高精度的光学器件，可以用于实现高速率的光学通信。
3. 光学存储：光学存储是一种利用光进行信息存储的技术，可以用于制造光盘、光存储器等设备。
微纳光学元件可以制造出高密度、高精度的光学存储器件，具有广泛的应用前景。
四、微纳光学元件的发展趋势随着纳米技术的不断发展，微纳光学元件的制造技术也在不断进步。
微纳衍射光学元件
微纳衍射光学元件微纳衍射光学元件（Micro and Nano Diffraction Optical Elements）引言：微纳衍射光学元件是一种用于控制光传播和光场调制的微米和纳米级结构。
这些元件基于衍射现象，通过精确设计和制造，可以实现对光的操控，具有广泛的应用前景。
本文将介绍微纳衍射光学元件的基本原理、制备方法以及其在光学领域中的应用。
一、微纳衍射光学元件的原理微纳衍射光学元件利用光的衍射现象来实现光的操控。
当光通过微纳级的结构时，会发生衍射现象，即光波的传播方向和传播范围发生改变。
通过精确设计微纳结构的形状和尺寸，可以实现对光波的操控，如调制光的相位、振幅、偏振等。
常见的微纳结构包括光栅、光子晶体、衍射光阑等。
微纳衍射光学元件的制备涉及到纳米加工技术和光刻技术等多种方法。
其中，常用的制备方法包括电子束光刻、离子束雕刻、光刻胶和等离子体刻蚀等。
这些方法可以实现对微纳结构的精确控制和制备。
同时，制备微纳衍射光学元件还需要考虑材料的选择、加工工艺的优化等因素。
三、微纳衍射光学元件的应用领域微纳衍射光学元件在光学领域中有着广泛的应用。
其中，最常见的应用是在光通信领域中。
微纳光学元件可以用于光纤通信系统中的光波解复用、光谱分析等方面，提高光信号的传输效率和容量。
此外，微纳衍射光学元件还可以应用于光学成像、光刻技术、光学传感等领域。
例如，利用微纳衍射光学元件可以实现高分辨率的显微镜成像，提高成像的清晰度和分辨率。
四、微纳衍射光学元件的发展趋势随着纳米加工技术和光刻技术的不断发展，微纳衍射光学元件的制备和应用将会得到进一步的提升。
未来，微纳衍射光学元件将更加精确、高效地控制光的传播和光场调制。
同时，微纳衍射光学元件还将与其他领域的技术相结合，如人工智能、生物医学等，实现更多的应用和创新。
结论：微纳衍射光学元件是一种基于衍射现象的微米和纳米级结构，通过精确设计和制备，可以实现对光的操控。
微纳衍射光学元件在光学领域中有着广泛的应用，如光通信、光学成像、光刻技术等。
微纳电子器件的设计与制备技术
微纳电子器件的设计与制备技术随着科学技术的不断发展，微纳电子器件逐渐应用于生产和实验领域，并凭借其体积小、重量轻、功率低、速度快、成本较低等优势，为人们的生活和工作带来了巨大的便利。
微纳电子器件的设计与制备技术是实现微纳电子器件应用的重要基础，本文将从微纳电子器件的概念开始，详细探讨微纳电子器件的设计与制备技术。
一、微纳电子器件的概念微纳电子器件是指体积小于一立方毫米且尺寸小于100微米的微型电子器件，从技术角度来看，它是新一代电子器件的代表，具有高速性、高精度和低功耗等优越特性，广泛应用于微电子信息系统、传感器、无线通信、物联网、医疗设备等各个领域。
微纳电子器件可分为微型和纳米两个级别，微型是指器件的尺寸在10微米到100微米之间，纳米则是指尺寸在1纳米到10微米之间，它的超小体积使得其具有优异的性能和功能，同时也需要高精度制备技术来实现。
二、微纳电子器件设计技术微纳电子器件的设计在实际应用中是非常重要的，它的设计质量和合理性直接决定了器件的表现和可靠性，据此需要对微纳电子器件的设计技术和设计过程有深入了解。
微纳电子器件的设计过程包括原型设计、布图、版图，其中原型设计需要选用合适的软件，如Adobe Photshop、SketchUp、3D Max等，可为微纳电子器件进行3D建模，对器件的物理结构、材料、现实生活场景进行仿真，从而确定基本的器件结构、布局和尺寸。
布图和版图是微纳电子器件设计的关键活动，它们是将原型做成实体器件的关键过程，通常使用半导体工艺，通过局部制作、建立多层互连网络和器件的打印形成。
典型的制备过程包括光刻、腐蚀、沉积、离子注入、热扩散等，而实现制造高质量的布图和版图需要掌握熟练的技术。
三、微纳电子器件制备技术微纳电子器件的制备技术是实现微纳电子器件应用的重要基础技术，制备过程主要包括光刻、制备多层互连网络、元件打印成形等。
其中，微纳器件的制备技术最重要的是制作出一个高质量的布图和版图，这个过程通常采用光刻、离子注入、沉积等技术，另外还需要根据所需信息的大小进行筛选。
微纳光电
有关微纳光电子制造的认识及解析
光电子器件
研究的是在微纳尺度下光电子的运动传输特性、光电子与物质的相互作用规律、相关的操控及其应用技术等。
主流的微纳光电材料的基本介绍
1. 微纳发光材料主要采用微纳颗粒作为发光基质，包括纯的及掺杂的微纳半导体发光材料，稀土离子及过度金属离子掺杂的纳米氧化物、硫化物、复合氧化物、及各种微纳无机盐发光材料等。
微纳发光材料主要用于各种微纳发光器件如微纳发光二极管或微纳激光器的设计及制备，它可以实现宏观块体材料所不具备的发光性质。
2. 微纳光波导材料及器件
3. 微纳光探测材料及器件
4.光子晶体及器件
微纳光子学与技术
该学科方向一方面致力于微纳光子学的科学前沿基础问题，以及微纳光子前沿技术的应用研究。
特别是在微米或纳米尺度上研究光子与物质的相互作用，研究微米或纳米结构对光子行为的操控，以及微纳尺度上的信息传输与获取等相关技术和器件。
微纳光电技术研究中心以研制高性能光电器件、催生核心有效载荷为目标，结合我国航天和国防发展需求，开展基于纳米材料和微纳结构的光电产生、相互作用及操控等方面的应用基础研究，主要涵盖光电探测、光学集成与操控、能量产生和激光应用等技术领域。
研究中心通过光电有效载荷等创新研究牵引新的系统级项目，保持五院在未来航天系统发展中的领先地位，助力我国由航天大国向航天强国的发展。
光电子和电子器件的微纳制造
光电子和电子器件的微纳制造光电子和电子器件作为现代科技的重要组成部分，对于推动社会进步、促进工业发展起着至关重要的作用。
而微纳制造技术则是实现光电子和电子器件高性能、高可靠性、高集成度等关键技术的基础之一。
本篇文章将从以下几个方面来探讨光电子和电子器件的微纳制造技术。
一、微纳制造技术的概述微纳制造技术是指在微米（μm）至纳米（nm）量级下的制造技术，也称为微纳加工技术。
主要包括激光微加工技术、电子束微细加工技术、光刻技术、等离子体刻蚀技术等。
微纳加工技术的出现和发展，为光电子和电子器件制造提供了平台，使得这些器件在体积、重量、功率消耗等方面都有了大幅度的改进，同时也推动了科技的前进。
二、微纳制造技术在光电子器件中的应用1. 激光微加工技术激光微加工技术是一种非接触的加工方式，可以通过控制激光束的焦距和功率，来实现微观尺寸下的加工。
它可以用于制造微型结构、与金属（SEM）相互作用，制作化学传感器等。
2. 电子束微细加工技术电子束微细加工技术是一种以电子束为工具，通过在物质表面打出非常小的孔洞、图形等，来实现对微纳尺寸结构的加工过程。
与传统工艺相比，电子束微细加工技术更加精细，能够制作出更加复杂的微型结构和器件。
3. 光刻技术光刻技术是利用光刻胶、光刻模板和光源等进行的制造微结构的加工技术。
这是一种涉及多种物理、化学、光学等知识的技术，用于制造微处理器、光学元件等。
4. 等离子体刻蚀技术等离子体刻蚀技术是基于原子分子级微观加工方法，是实现光电子器件刻蚀、切割、刻制微细结构等技术的关键。
它不仅可以满足高精度、高效率、高质量的要求，而且在工业生产领域中也具有广泛的应用前景。
三、微纳制造技术在电子器件中的应用1. 纳米半导体器件在现代半导体工艺中，微纳制造技术非常重要。
通过使用纳米技术，人们已经制造出了电子元件和微处理器等，功率更小、体积更小、运行速度更快。
而光刻技术和等离子体刻蚀技术等则是关键的生产工艺，能够实现在晶体片上制造出非常小的电子元件。
基于光电效应的微纳光电器件研究
基于光电效应的微纳光电器件研究随着技术的不断进步，光电技术在很多领域得到了广泛应用。
其中，基于光电效应的微纳光电器件是一个备受关注的研究领域。
这种器件可以将光信号和电信号相互转换，在通信、传感等领域有着广泛的应用前景。
本文将对基于光电效应的微纳光电器件进行介绍和分析。
1. 光电效应的基本原理在研究基于光电效应的微纳光电器件之前，我们首先需要了解光电效应的基本原理。
光电效应是指当金属或半导体中的某些材料受到光照射时，会产生电子的运动。
具体来说，光照射到物质表面时，光子会将物质中的电子激发出来，从而产生电流。
这种效应可以用来制造传感器、太阳能电池等器件。
2. 微纳光电器件的研究现状基于光电效应的微纳光电器件是一种极为先进的技术，目前已经逐渐广泛应用于各个领域。
其中，最为突出的应用就是在通信领域。
如今，基于光电效应的微纳光电器件已经可以实现数字、光纤和高速数据存储等多种功能。
在此基础上，还可以实现高精度测量、光谱分析、显微成像等多种应用。
3. 微纳光电器件的应用在现代通信领域中，基于光电效应的微纳光电器件已经逐渐取代了传统的电信号处理器件。
这种器件可以将光信号和电信号互相转换，从而在互联网、局域网、数据中心、无线接入网、光纤通信等领域发挥巨大作用。
此外，微纳光电器件在能源、医疗、安防等领域也有广泛应用。
比如，太阳能电池就是基于光电效应制造的微纳光电器件，可以将太阳能转化为电能。
4. 微纳光电器件的未来发展基于光电效应的微纳光电器件在未来的发展中具有广泛的前景。
随着5G技术的普及和应用，光电器件的应用将更加广泛。
未来，微纳光电器件还将在物联网、人工智能、汽车等领域发挥重要的作用。
同时，随着纳米技术的不断进步，微纳光电器件将会变得更加小巧、灵活，使用也会更加便捷。
因此，基于光电效应的微纳光电器件将继续成为光电技术领域的一个重要方向。
总之，基于光电效应的微纳光电器件是一个具有广泛应用前景的研究领域。
在未来的发展中，这种器件将成为通信、能源、医疗、安防等领域的重要技术支持。
微纳光子学技术与器件研究
微纳光子学技术与器件研究引言微纳光子学技术是一门关注光的微观与纳米尺度的研究领域，其研究目标是利用光子学的原理和技术来控制和操控光的行为以及开发基于光的新型器件。
随着纳米科技的迅速发展，微纳光子学技术在许多领域中展现出极大的潜力和应用前景。
本文将着重介绍微纳光子学技术的原理、器件研究和未来发展方向。
1. 微纳光子学技术的原理微纳光子学技术是将光学和微纳米领域的知识相结合，通过微纳米尺度的结构与物质相互作用来探索光的特性和行为。
其中包括利用光的波粒二象性、光的传输与传播、光-物质相互作用等原理。
在微纳光子学技术中，光的传输和操控基于波导、光学晶格、超材料等微纳米结构，以实现对光的路由、调制和控制。
2. 微纳光子学器件的研究2.1 基于波导的器件波导是微纳光子学中重要的器件之一，其主要功能是传输光信号。
微纳光子学技术通过设计不同波导结构，如平面波导、光纤、光子晶体波导等，实现对光信号的传输和分配。
平面波导可以用于光芯片中的光信号传输，而光子晶体波导提供了对光信号的高度控制和调制。
2.2 基于微结构的器件微纳光子学技术通过微纳米结构的设计和制备来实现对光信号的调控。
例如，在微纳米尺度的结构表面上制备周期性的光栅或金属纳米结构，可实现光的聚焦、分光、散射等功能。
此外，还可以通过在微纳米结构表面引入介质波导或介电薄膜，实现对光的调制和控制。
2.3 基于纳米材料的器件纳米材料在微纳光子学器件中具有重要的作用。
例如，纳米颗粒可以通过表面等离激元共振现象来增强光的场强度，从而实现对光的控制和增强。
此外，纳米线、纳米带等纳米材料也可以被用于制备纳米波导和纳米光源。
3. 微纳光子学技术的应用领域3.1 生物医学微纳光子学技术在生物医学领域有着广泛的应用。
例如利用微纳结构来实现对生物标记物的高灵敏检测，或者通过光操控来实现对细胞的操控与治疗。
此外，微纳光子学技术还被应用于光学成像、光学传感和光学诊断等领域。
3.2 通信与信息处理微纳光子学技术在通信与信息处理领域也有着重要的应用。
微纳光电器件的制备与性能分析
微纳光电器件的制备与性能分析在当今科技飞速发展的时代，微纳光电器件作为一种关键的技术元件，在通信、医疗、能源等众多领域发挥着日益重要的作用。
它们凭借着微小的尺寸、出色的性能以及独特的功能，为我们的生活带来了诸多便利和创新。
微纳光电器件的制备是一个极其复杂而精细的过程，需要运用多种先进的技术和工艺。
其中，光刻技术是制备过程中的核心环节之一。
通过光刻，我们可以在微小的尺度上精确地定义器件的结构和图案。
这就像是在一个极小的舞台上精心绘制一幅极其精细的画作，每一笔都必须精准无误。
光刻过程中，首先需要在基底上涂上一层光刻胶，然后利用特定波长的光线透过掩膜版照射到光刻胶上，使光刻胶发生化学反应，从而实现图案的转移。
除了光刻技术，薄膜沉积技术也是不可或缺的。
薄膜沉积可以通过物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等方法来实现。
比如说，在制造发光二极管（LED）时，我们需要在衬底上依次沉积不同材料的薄膜，以形成PN结等关键结构。
这些薄膜的质量和厚度直接影响着器件的性能。
在制备微纳光电器件时，材料的选择也至关重要。
常见的材料包括硅、锗、砷化镓等半导体材料，以及一些有机材料和量子点材料。
以量子点为例，由于其独特的量子限域效应，使得量子点材料在发光和光电转换方面具有出色的性能。
然而，不同的材料具有不同的特性，需要根据具体的应用需求来进行选择。
制备完成后的微纳光电器件，其性能的优劣直接决定了它们在实际应用中的效果。
性能分析主要包括电学性能、光学性能以及稳定性等方面。
电学性能是衡量微纳光电器件性能的重要指标之一。
例如，对于晶体管来说，我们需要关注其电流电压特性、开关速度、载流子迁移率等参数。
电流电压特性能够反映器件的导通和截止状态，而开关速度则决定了器件在高频应用中的表现。
载流子迁移率则直接影响着器件的工作效率。
光学性能同样不容忽视。
对于发光器件，如LED和激光器，我们关心的是其发光波长、发光强度、光谱宽度等参数。
微纳光电材料及器件
其中k 2 kˆ n kˆ，定义E, H和kˆ构成右手系。 c
第三式两边用k叉乘得
k (k E) k(k • E) k 2E k 2E 0k H
即k H k 2E
0
k • E 0,
把第四式代入上式，有(
0
k2
0
)E
0
E有非零解时要求
2
1
k 00
带入第三和第四式，得
n kˆ E H
0c
n kˆ H E
0c
按照定义，E, H 和单位矢量 k成ˆ 右手系，
所以以上两式左边系数必皆为正，即要求
折射率n和介电常数 、磁 导率 同号。
k • E 0, k • H 0,
k E 0H , k H 0E.
n2
当 0, 0时，n 0; 当 0, 0时，n 0.
大模场 多模 晶体光纤 晶体光纤
多模大数值 孔径
晶体光纤
高非线性 晶体光纤
保偏非线性 晶体光纤
传统光纤的缺点
不同波长的光穿过光纤纤芯的 速度也不同。考虑长距传输时，在 信号中就将出现时间延迟，所以信 号就需要在不同的波长编码。光纤 纤芯越粗延迟越厉害，通过这样的 纤维的一个光脉冲变宽，必将限制 能精确接收的数据率。
光子晶体概念的产生：
到1987年，E. Yablonovitch 及S. John不约 而同地指出：在介电系数呈周期性排列的三维介 电材料中，电磁波经介电函数散射后，某些波段 的电磁波强度会因破 坏性干涉而呈指数衰减，无
法在系统内传递，相当于在频谱上形成能隙，于 是色散关系也具有带状结构，此即所谓的光子能 带结构(photonic band structures)。具有光子能 带结构的介电物质，就称为光能隙系统(photonic band-gap system， 简称PBG系统)，或简称光子 晶体(photonic crystals)。
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2010-9-5
32×32微测辐射热计SEM照片
×200 倍
×500倍
测试系统原理图
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像元编号
像元黑体响应电压 (µ V)
像元响应率 (V/W) 1.52×104 1.23×104 1.11×104 1.46×104 1.42×104 1.35×104 0.99×104 1.44×104 1.56×104 1.28×104
读出电路 X 向电极
11
2010-9-5
微桥结构设计
• 热学设计 低热导和合适的热响应时间 • 光学设计 提高填充系数和红外吸收率 • 力学设计 确保结构的机械力学稳定性
1. 00 0. 90
吸 0. 70 收 0. 60 率 0. 50 （ 0. 40 ％） 0. 30
0. 20 0. 10 0. 00 1. 0 3. 0 5. 0 7. 0 9. 0 11. 0 13. 0 15. 0
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 2π 1.67μm 1.96
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 1.7 π 1.42μm 2.35
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 0.95π 0.798μm 2.35
石英 1.47
400μm 0.5μm 1 8 2π 1.06μm 4.5
性能测试
衍射效率
微测辐射热计物理模型
微测辐射热计热学模型
热绝缘微桥结构
V dV I 0 dR dT I 0 R ＝ dQ dT dQ Geff
微桥结构 50 μm Y 向电极 红外 辐射 0.5μm
Gleg kleg
Aleg l
探测器响应率与探测 器和衬底间的热导G 呈反比，利用微桥结 构降低二者间的热导
• 应力平衡技术
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读出电路芯片制作
光 敏 区 积分 电容 区 时序驱动 和信号读 取区 单个CMOS读出电路芯片照片
CMOS读出电路4英寸晶元照片
互连孔刻蚀
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单片集成优点
•
• • 构 •
低互连成本 高可靠性 可以实现极低热导结
可以制作谐振腔,提高 吸收率 • 芯片成本低
-1
磁控溅射
薄 膜 电 阻 （k 10 Ω）
100
2# TCR=-2.7%K
-1
3# TCR=-2.0%K
-1
4# TCR=-1.1%K
-1
薄 膜 电 阻 （k Ω）
1 20 30 40 50 60 70 80
温度（℃）
温度（℃）
氧化钒薄膜电阻－温度关系曲线
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氧化钒薄膜XRD测试图谱
射
• 制备温度：25~250 ℃ • 薄膜方块电阻：20 ~ 50 kΩ • 薄膜薄膜电阻温度系数：-1%～-3%/K • 均匀性：<5% (4 in，磁控) • 薄膜结构: 混合相VOx或者亚稳态相VO2(B)
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工艺优化（离子束溅射）
B
100
1000
薄 膜 800 电 阻 600 （k Ω）
130.0 120.0 110.0 100.0 90.0 80.0 70.0 *<64.8癋 *>230.0癋 220.0 200.0 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 *<59.0癋
6
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TCR
1 dR d ln R R dT dT
成像效果对比
未集成微透镜
集成微透镜
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• 石英衍射微透镜
自对准工艺 (专利ZL02138792.3)
Array: 1500640 Pixel: 25 m 25 m
聚合物微透镜制作技术
• 使用聚合物的理由
第一次光刻胶图形 （ a）
· 第一次离子刻蚀（二相位微透镜）
· 理论衍射效率：４１％
第二次光刻掩模版
第二次光刻胶图形
（b）
· 第二次离子刻蚀（四相位微透镜） · 理论衍射效率：85%
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第三次光刻掩模版
第三次光刻胶图形
（C）
· 第三次离子刻蚀（八相位微透镜） · 理论衍射效率：95%
400 200 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
薄 80 膜 电 阻 60 （ k 40 Ω ）
20 0 30 35 40 45 50 55 60
氧分压 (%)
屏栅电流（mA）
薄膜方块电阻与氧分压关系曲线
薄膜电阻与屏栅电流关系曲线
氧化钒薄膜电阻温度曲线测试
反应离子束溅射
1# TCR=-3.1%K
20
30
40
50
60
70
衍射角 2θ （°）
衍射角 2θ （°）
混合相VOx
亚稳态相VO2(B)
氧化钒薄膜SEM照片
离子束 (×100,000倍)
磁控 ×80,000倍
10
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微测辐射热计器件理论
像元A 光敏面Ad 支撑桥腿 四周环境 Grad
红外辐射 红外辐射
探测器
Gleg 硅衬底
读出电路 硅衬底
TCR=-0.0236K－1 R0(20℃)=13.5 kΩ/方 块
LnR(Ω)
室温电阻约15~20 kΩ， 电阻温度系数-2.0%K-1。 与VO2薄膜不同，这 种薄膜在68℃时无半 导体－金属相变，薄 膜电阻的对数与测试 温度的倒数呈近似直 线关系.
1/T (K)
氧化钒热敏薄膜制备
• 两种制备方法：反应离子束溅射和磁控溅
2010-9-5
微纳光电子系统
第二章 微纳光电器件简介
内 容
VO2薄膜材料及其应用 微透镜与红外CCD集成技术 微小型光学扫描器及其应用 MEMS红外气体传感器
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1. VOx薄膜材料及其应用
1959年美国贝尔实验室Morin发现钒的金属氧化物具有电 阻温度相变特性；目前该材料的相变机理至今仍然未完 全掌握。 该材料在相变过程中，许多物理参数，如电阻率，光学 折射率都发生了突变，具有非常广泛的器件应用前景。 金属钒的8℃附近，最接近室温;当温度 低于68℃时，VO2呈现半导体相，材料电阻率为10 Ω · cm 量级；当温度高于68℃时，VO2呈现金属相，电阻率下降 至10-3 Ω · cm左右。在很小的温度范围内(0.1℃），电阻 率变化了4-5个数量级。与此同时，材料的光学特性在相 变时也发生了突变，从低温半导体相对红外光的高透射 转变为高温金属相对红外光的高反射.
套刻误差的影响
菲涅耳透镜存在δ 对准误差
存在套刻误差的微透镜
在横向误差（包括线宽误差和对准误 差）和深度误差中，以对准误差的影响 最大 衍射效率随对准误差衰减速度很快。
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离子束刻蚀
反应离子刻蚀
集成技术
PtSi红外CCD: 256× 256元, 528× 528元
- 单元尺寸: 40 m × 40m, 30 m × 30 m;
V4O9
100000
低温 低速
V2O5 VO2 VO2 VO2 VO2 VO2 VO2 Si VO2 VO2 VO2 Si V2O3 VO2 VO2 VO2
中温,中速
12000
Si VO2(B)
9000
10000
6000
1000
3000
VO2(B) VO2(B)
100
0
20
30
40
50
60
70
80
10
应用 -- 国防、军事
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消防
医疗
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医疗 SARS
工业设备预知性检测及维护 -- 电子
5
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工业设备预知性检测及维护 -- 土木、建筑
工业设备预知性检测及维护 -- 电气设备
*>138.4癋
*>57.0癈 56.0 54.0 52.0 50.0 48.0 46.0 44.0 42.0 40.0 38.0 36.0 34.0 32.0 30.0 28.0 26.0 24.0 *<23.0癈
B (1,3) B (2,3) B (3,11) B (3,23) B (4,30) B (10,30) B (12,31) B (20,23) B (30,23) B (32,10)
76 61.5 55.5 73 71 67.5 49.5 72 78 64
2. 微透镜与红外CCD集成技术
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像元噪声电压 (µ V) 10.2 11.3 8.9 11.5 12.1 12.6 11.2 7.6 9.0 8.5
噪声等效功率 （W） 6.7×10-10 9.2×10-10 8.0×10-10 7.9×10-10 8.5×10-10 9.3×10-10 11.3×10-10 5.3×10-10 5.8×10-10 6.6×10-10
基本工艺：
涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀、去胶 优化涂胶工艺，减少边缘 凸起效应、几何效应和伯努 利效应； 提高刻蚀重复性；
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影响衍射效率的因素
光刻工艺中的线宽误差、图样对准误差、随机刻蚀深 度误差、轮廓倾斜、第二种淀积材料的重叠将会在面 浮雕结构上造成同心峰或同心谷，减少衍射效率 。 在横向误差（包括线宽误差和对准误差）和深度误差中， 以对准误差的影响最大。当相对深度误差小于10%时， 非涅尔衍射微透镜的衍射效率下降低于3%，而当大于 10%时，衍射效率下降很快。