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甚长波热释电红外探测器吸收膜系的研究

伍浏权  
【摘要】:波长位于0.75μm(430THz)到1mm(300GHz)范围内的电磁波被称为红外辐射。只要温度高于0K,任一物质都可以发出红外辐射。因此,对红外辐射的检测成为一项尤为重要研究课题。热释电红外探测器是一种以红外辐射的热效应以和晶体的自发极化强度随周边环境温度波动而改变的现象为工作原理的传感器。热释电探测器具有宽光谱响应、优良的环境稳定性、外形小质量轻、探测率高等诸多优势。影响探测器性能的核心因素之一就是其吸收膜系结构,这是热释电探测器热电转换过程中的重要一环。本文系统分析了热释电探测器的检测原理以及吸收膜系的光学性能,重点研究内容包括热释电探测器吸收膜系的结构设计与光学性能仿真、吸收膜系制备工艺的研究、热释电器件的封装以及性能测试。首先,利用Essential Macleod光学薄膜设计仿真软件建立起五层光学仿真模型结构。利用控制变量法去探究膜层厚度对于膜系吸收率的影响,通过不断调整以得到最优化的吸收结构模型。通过仿真结构最终得到当吸收膜系NiCr金属吸收层的厚度为10nm、SiN_x介质层的厚度为5nm、NiCr金属上电极层厚度为10nm、LiTaO_3晶体厚度为10μm、NiCr金属反射层厚度为200nm时,整个膜系可以得到良好的吸收率曲线。膜系平均吸收率在14-16μm波段可以达到61.52%。以此吸收膜系为基础,通过专业MEMS设计仿真软件Intellisuite建立了热释电红外探测器的三维单元结构(包括吸收膜系和支撑柱腿),对其热、力性能进行了仿真分析。其次,通过磁控溅射和变频等离子体增强化学气相沉积工艺制备了热释电红外探测器的吸收膜系,比较了不同金属吸收层材料对于红外辐射的吸收率,结果表明NiCr作为金属吸收层材料具有较好的吸收率。为了进一步提高红外吸收率,使用TFN溶液对NiCr吸收层进行化学腐蚀处理得到表面具有尖锥状结构的吸收层,有效地增加了吸收面积。通过傅里叶红外光谱仪测试得到,经过化学腐蚀的膜系的反射率降低了9.07%。最后,吸收膜系通过金丝球焊与支撑柱腿相连接并从吸收膜系的上下电极引出导线与内部放大电路连接并真空封装进金属管壳中,最终得到了热释电红外单元探测器。搭建了器件性能测试平台,对几组热释电探测器的响应电压、噪声以及时间常数进行了测试。并计算得到每组器件的主要性能参数。得到在10Hz频率点时,以TFN溶液腐蚀处理的吸收膜系作为灵敏元的热释电探测器电压响应率R_(bb)为5.11×10~5V/W,探测率D~*为1.25×10~9cm·Hz~(1/2)·W~(-1),等效噪声功率(NEP)为9.60×10~(-9)W,其时间常数为τ为110ms。


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