微测辐射热计的热学分析

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微测辐射热计U %2的热学分析

王享田!宋建伟!吴志明!蒋亚东

"电子科技大学光电信息学院#四川成都+!""P $

$摘!要!!微测辐射热计[’<的热设计是非致冷红外探测器设计的难点和关键!针对\>?推出的!;!./!;!.>\[’<对其热性能作了分析"

分析了桥面尺寸的减小对探测元被红外辐照后的温度变化率的影响"以及单个探测元在受红外辐照和偏置脉冲时的温度变化"并使用有限元分析软件<9)L )1&"模拟了单个热绝缘结构在稳态工作时的温度场分布!

关键词!!微测辐射热计!有限元!热设计!温度场

中图分类号!89!%!文献标识码!

N 7-3/4.204.5

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83=B %!.*4Q M P M F M .G (G Q !R *A *(G G F G .G A (!(J G Q .I F S G V *B A !(G .T G Q I (D Q G R *G F S %!引言

近年来$红外探测技术作为对人类感官的补充和扩展$在民用和军用方面得到广泛的应用&过去$红外探测器需要被冷却到非常底的温度"Z Z2#才能获得我们所想要的灵敏性$如今由于微制造技术的发展$特别是焦平面阵列技术的发展$使得我们有能力在常温下就获得具有很高的敏感性的红外探测

器’%(

&这样制得的红外探测器具有成本低)重量轻)

外形尺寸小)功耗小)响应波段宽等优势$使之能够广泛的应用&

微测辐射热计作为一种热探测器件$对其热性能的研究是至关重要的&相比之前;"!.的微测辐

射热计$\I O (J G M A 公司!;!.的三层结构的微测辐射热计具有更小的尺寸$它的单个微桥面积减小为原来的%*#$

在阵列尺寸不变的情况下$单位硅片上生产的数量将是原来的#倍$而器件的光学系统的体积降低为原来的%*1$这将极大地降低整个器件的成本和体积$

而且有利于在控制其体积不变的同时增大其阵列数量$为制造分辨率更高的红外探测器提供了条件&

!!微测辐射热计的热学原理

图%所示为\>?"\I O

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G Q I (*M A V #设计并已经投产的!;!./!;!.微测辐射热计的一个探测单元&

微桥支撑结构的材料为具有良好红外吸收性能的)*-9#$桥腿厚"&;!.$桥面厚"&1!.$上面淀积厚度为"&%!.的8+\材料‘?5$桥面距衬底%!.’!(

&

与双层结构相比$三层结构将桥腿完全隐藏在上表面的红外吸收层之下$这就相对地增大了有效红外吸收层的面积&另外被作为电学通道和支撑臂的两条细长的桥腿设计的更长$这将有效地减

+

Z -+,半导体光电-!"";年-月第!:卷增刊王享田等#!微测辐射热计[

’<的热学分析##################################################

少通过桥腿热量的流失!这两点都有利于提高微桥表面热量的稳定性!

有利于探测器的性能的提高!而这种结构在半导体工艺上的难度相比双层结构并未增大

"

图%!!;!.微测辐射热计三层微桥体结构

-!稳态热学理论分析

对于非致冷微测辐射热计来说!除吸收红外辐射产生热量外!偏置脉冲电流也会在桥面产生焦耳热"而这种焦耳热是红外辐射产生热量的好多倍!它将对微桥器件有很大的影响!所以在实际分析中我们必须对这两种生热方式都有很好的了解"首先我们基于传热学的理论对微测辐射热计的温度特性进行研究"

在未施加偏置脉冲电压时!可以得到探测元在

温度为;时的热平衡的简化方程为#

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+4&%%

&!!施加电脉冲偏置后!

上式可以修正为(S %%;&S 4

-+%%;&%%N "G f T %a +4&-)$%!&式中’像元敏感区具有热容量为(!主要热损耗机理

的热传导为+!包括辐射热导+Q _<

&I O

!固体传导热导+V _1#M ;-和对流热导+B _"三部分!<为传热通道的热导率!&(I 和O 分别为传热通道的宽(高和长!M 为辐射面的有效辐射面积!假定功率幅度为N "的瞬时调制红外辐射落到该像元上!吸收率为%!辐射调制角的频率为+!则像元敏感区的温度增加%;"

#!稳态工作时探测元的温升

$I !!红外辐射热下探测元温度变化率的研究

假设我们最终完成的微测辐射热计的工作参数如表%所示"

表!!#P !/微测辐射热计的工作参数

参数数值阵列%9/8&

8+\薄膜电阻尺寸)!

.-热容量()%^*2$%&8+\材料方块电阻#W )N #

帧频.)56偏置时间4V )!V 偏置脉冲电压A )‘热导系数2)%7*2$%&

吸收系数#波长范围)!

.半束角*)%g &工作温度;(

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"&11"%#-"-""1/%"$;

红外辐射占据的电磁波段在大气窗口主要分布在-";!.和1"%#!.!而1"%#!.红外射线的透射率更高"器件工作时!目标和环境红外辐射将通过光学结构照射到微桥表面的探测元!光学结构的!数可通过!A M _%)!V *A *来确定!其中*为入射辐射半束角"

物体的辐射率’由普朗克定律给出’

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f T %I K )@;((&*%$%-&!!从辐射率为’的远处物体以半束角为*入射到

传感器前表面积,上的红外辐射功率为#-$

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&从而可得探测元的温度变化率’

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&!!从式%;&可以看出!在其他情况不变的情况下!%

与,成正比!所以当微桥面的面积变为原来的%)#时!%也将变为原来的%)#!相应的探测元产生的电信号也将是原来的%)#!这样我们将在信号的读出方面遇到困难"假设我们要完成的微桥在如表%所示的参数下工作!利用式%;&对%计算!可求出在环境温度每变%j 的情况下探测元的温度将变化-&-.2!温度变化率%_"&--0!小于;"!.结构的探

测元%0的变化率##$

"$I #!偏置脉冲引起温升的研究

通常红外辐射引起探测元的温升很小!探测元的电阻变化相应地也就很小!所以必须施加偏置脉冲电压!否则要读出这一微弱信号是非常困难的"

*

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