微辐射热计的光学与热学设计

引言

传统的红外焦平面阵列(IRFPA)技术要求系统在低温下工作,这无疑提高了成本、降低了灵巧性,制约了它在民用领域的应用.随着集成电路(IC)和微电子机械(MEMS)技术的发展,IRFPA技术的研究重点集中在低成本、高性能和实现单片集成上,以微测辐射热计(亦简称微辐射热计,Microbolometer)为像元的室温红外焦平面阵列(UIRFPA)技术是其中的代表[1],其最大的优点是在室温下工作,不需要制冷,制作工艺与IC常规工艺相兼容,微辐射热计型室温红外焦平面阵列已成为目前红外领域的研究热点[2~6].

红外辐射占据了0.8~1000μm间的电磁波段,该波段中大气窗口主要分布在3~5μm和8~14μm,其中因8~14μm红外线的透射率更高而更受关注[7].微测辐射热计是一种热敏电阻型红外探测器,M×N个微辐射热计组成UIRFPA,当包含有景物温度分布信息的红外辐射经光学系统成像在UIRFPA上后,在像元上产生的温度变化转化为电阻变化,通过扫描寻址和信号处理电路依次测量到阵列中各个像元电阻的变化,就可探测到景物的红外辐射信息.这是一个红外辐射→温度变化→电阻变化的过程.因此,设计一个高性能的微辐射热计,在薄膜电阻材料一定的条件下(电阻温度系数TCR一定),红外辐射→温度变化过程至关重要,分别涉及到光学和热学两个方面:一是要求微辐射热计有很高的红外吸收率,二是要提高热能转化为升温的效率,即要求减少热能损失.

图1为典型的微辐射热计结构[1],硅读出电路上方通常制作了热绝缘微桥,微桥上形成氧化钒(VOx)[1]、非晶硅[5]等热敏感薄膜电阻,它们通过两条支撑臂与Si基底中的信号处理电路互连,同时,热流仅能从支撑臂流入Si基底,降低了器件的热导,提高了热能转化为升温的效率;电阻上方用一层Si3N4或SiO2作为红外吸收薄膜.微桥的设计是微辐射热计的关键技术之一,常规设计思想是[8]:假定微辐射热计的平均红外吸收率为A(如100%),在保证结构机械强度的前提下,尽量减少器件热导,同时考虑器件的热响应时间τ(τ=H/G,H为器件总热容,G为热导).一般而言,τ在十几毫秒内就可满足绝大多数应用场合,但是,往往τ越小(1/G越小),G就越大,因此,提高热能转化为升温的效率和提高热响应速度之间存在着一个折衷.人们在考虑这个折衷时,存在的问题是:设计中简单的将平均红外吸收率A固定下来,没有考虑多层薄膜的光学特性对微辐射热计吸收红外辐射能力的影响.实际上,由于红外吸收率的大小直接影响热学分析的结果,固定A将不能准确反映红外辐射→温度变化过程.本文在假设A不固定的情况下,通过分析微辐射热计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,并将多层膜系平均红外吸收率结合到微桥的热学设计中,获得了有意义的结果.