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《中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所)》 2002年
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微机械热电堆红外探测器

徐峥谊  
【摘要】: 红外探测器是红外技术的心脏,军事的需要极大地推动了它的发展。热电堆 红外探测器作为一种非致冷的热红外探测器,具有较多的优势,应用广泛。在 20世纪80年代微电于机械系统(MEMS)发展起来之后,对微机械的热电堆红 外探测器的研究一直没有间断,但是其实用化的进程缓慢,关键原因在于制作工 艺存在难度,没有能够妥善解决。本论文以微机械热电堆红外探测器为研究对象, 从理论与工艺两方面进行了探索。 理论上,在稳态热传导泊松方程等基础上,以悬臂梁结构与封闭膜结构为切 入点,建立了探测器中结构与性能的联系;另外,系统地阐述了薄膜、吸收区、 热偶以及封装等因素对探测器性能的影响,从中发现了一些性能优化的条件,包 括热偶宽度、热偶厚度、热偶对数以及以及吸收区大小等等。 在悬臂梁结构探测器的制备过程中,尝试了新的正面腐蚀的工艺并提出了新 的斜拉悬梁结构的探测器。实验结果显示利用该新工艺是可行的,但其中尚存在 腐蚀时间较长的问题;针对工艺过程中出现的薄膜应力、台阶覆盖以及表面张力 的影响,论文中提出了一些改进方案并实施。 在封闭膜结构的阵列器件的制备中,验证了现行工艺的一致性,获得了结构 完整的一维与两维的阵列器件。实验中通过钼舟蒸发与电镀镍的工艺用以改善封 装中存在的问题,取得了较为满意的效果,尤其是电镀镍自对准工艺具有较大的 发展潜力。 针对金作为热偶条出现的欧姆接触、台阶覆盖以及在封装上出现的问题,论 文中在解决了铝的腐蚀防护的难题后,制作了Al/PolySi热偶基的单元封闭膜结 构的探测器,有效地解决了上述困难;实验中同时改进了介质膜的组成,也取得 了良好效果。 论文中自行搭建了一套针对微机械热电堆红外探测器的测试系统,用直接测 量与对比测量的方法对获得的Al/PpolySi热偶基单元探测器做了测试。测试的结 果是:阻抗200KΩ,未加红外吸收层时,探测器的响应时间T为10-20ms,响应 率Rv为15V/W,探测率D*为 4. O× 107cmHz1/2W-1,优于文献报道值;添加黑漆 红外吸收层后,Rv与D*都可以增加几倍,同时τ也大幅增加。
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