微测辐射热计的红外热响应模拟

引言

非致冷红外探测器不需要致冷,制造成本低,重量轻,响应波段宽和工作时间长等诸多优点,非常适用于军事领域诸如陆、海、空的侦察、监视与目标捕获,导弹与灵巧武器制导等;在民用方面可用于工业生产监控、公安执法、消防灭火、医疗诊断、搜索救援、高压输电线路检测、火车车轮和车闸测温、夜间辅助驾驶等.美国、日本,英国、加拿大等国家在非致冷红外探测器的研究和制造方面相对领先于其他国家[1, 2].微测辐射热计焦平面阵列的规模已达到640×480,像元的尺寸减小到25μm×25μm,性能接近致冷式光子探测器.但我国在这方面发展较慢.非致冷探测器的制备,最常用的方法是通过微机械加工在CMOS读出电路上制作悬桥来实现微测辐射热计.微测辐射热计是将敏感膜电阻随温度的变化作为电压或电流信号变化检出并成像.通常采用氧化钒、非晶硅等材料作为敏感层,红外辐照引起敏感膜的温度升高从而使材料的电阻发生变化.红外辐射的吸收效率、敏感膜的电阻温度系数,探测器的热隔离是决定探测器响应灵敏度的关键.微桥结构制造工艺比较复杂,另外非致冷探测器常用的氮化硅、氧化硅吸收层,像元的大小,微桥支撑层的厚度,支撑臂的长度,探测器的封装对探测器灵敏度都有很大的影响.因此很有必要做一个详细的分析.本文利用有限元法对不同的像元结构进行了热学模拟.同时对平板空腔结构的探测器单元的红外响应也做了计算.

1　微桥结构

1. 1　模型

图1是典型的微测辐射热计像元结构图,硅读出电路上方通常用热导率小的氮化硅制作绝热微桥支撑,桥面上沉积氧化钒薄膜等热敏感薄膜,它们通过两条支撑臂上的引线与Si衬底中的信号处理电路相连.这样敏感膜吸收的热量绝大部分只能从支撑臂传入Si衬底,降低了探测器的热导,提高了红外辐射引起的温度变化幅度.电阻上方用Si3N4或SiO2作为红外吸收膜,红外光照射在探测器上时一部分被吸收层吸收,另一部分透过吸收层和敏感膜被微桥下的金属层反射回来,再次被吸收膜所吸收.桥面距金属层的距离2. 5μm,对于8~14μm波长的红外辐射,文献报道,吸收系数可大于80%[3].由于微桥上的探测单元横向尺寸远远大于其纵向厚度,所以探测单元的温度分布可以简化为二维问题进行求解,热扩散方程:

其中η是探测单元的红外吸收系数,ε是热辐射系数,T0是探测单元所处的环境温度,ΔT=T-T0是单元相对于环境的温度, Stefan2Boltzmann常数σ=5·67×10-8W /m2K4,h是探测单元与环境之间对流热的传输系数.对于由Si3N4支撑层、敏感膜、吸收层,还有电极引线组成的多层结构,相应的热容cρd和热导kd分别可以通过下式计算: