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小尺寸微桥结构探测单元设计与性能测试研究

史佳欣  
【摘要】:随着半导体制造工艺的不断进步和应用需求的不断提升,非制冷红外焦平面探测器技术已经朝智能化、高性能、低成本方向发展。其成本低、功耗小、质量轻、体积小等优点,使得该项技术在军民领域均取得了广泛的应用。相比其工艺水平,非制冷红外焦平面探测器计算机辅助技术发展相对滞后。尤其在探测单元微测辐射热计的设计仿真和其单元测试结合不够紧密,因此无法及时根据相关器件测试结果及时修正相应的仿真方法,从而提高设计仿真精度和可靠性。在本论文的微测辐射热计设计过程中,采用MEMS有限元软件IntelliSuite开展了版图设计,虚拟工艺仿真,三维建模和有限元网格划分,并进行热学与力学性能仿真分析。同时结合相关器件得测试结果,修正优化设计方法,切实提高器件设计仿真的可靠性和精度。首先对37μm×37μm,25μm×25μm和17μm×17μm三个尺寸的微测辐射热计进行了设计仿真,主要包括电学、力学及热电耦合仿真。并运用DOE(实验设计)方法对力学仿真进行优化,使用Matlab对光学结构模型进行吸收率的仿真,并对噪声等效温差进行分析计算。同时搭建可在真空环境测试的单元测试平台。运用响应电压与频率的对应关系,利用斩波对黑体辐射进行频率转换,测试三个尺寸微测辐射热计单元结构的响应电压,计算电压响应率与热时间常数。并对测试及仿真数据,分析比对性能偏差,提出仿真改进方案。考虑吸收率的误差修正响应电压;对仿真数据拟合并分析处理,提高设计精度;考虑自热效应修正热时间常数偏差;TCR数值矫正后热时间常数增加2ms左右,热导减小20%左右。最后开展了用于超大规模非制冷红外焦平面探测器模12μm×12μm小尺寸微测辐射热计的设计,建立光学吸收膜系,确定高吸收率膜系的各层膜厚,建立3D模型。对于12μm×12μm微桥结构模型,模拟其应力形变,Matlab计算红外吸收率,保证其高吸收率和稳定性。运用改进后的仿真方法,计算得到结构的电阻、TCR值、热导G、热容C、热时间常数τ,从而缩短设计时间,获得精确性更高的微测辐射热计结构。


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