微测辐射热计的红外热响应模拟

第２５卷第３期　红外与毫米波学报　Ｖｏ１．２５．Ｎｏ．３　２００６年６月　Ｊ．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｍｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅｓ　Ｊｕｎｅ，２００６　文章编号：１００１—９０１４（２００６）０３—０１８３—０５　微测辐射热计的红外热响应模拟　袁宁一　，　李　格　，　李金华　，　陈效双　（１．江苏工业学院功能材料实验室，江苏常州２１３０１６；　２．中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室．上海２０００８３）　摘要：利用有限元法对微桥结构的测辐射热计进行了二维热模拟．定量地分析了探测单元的大小尺寸、支撑层的厚　度，支撑臂的长度和宽度、引线材料的选取等对微测辐射热计探测单元在红外辐射下温度的变化和热响应的快慢　情况．评估了真空封装对微测辐射热计红外响应的影响．同时作为比较对平板空腔结构的红外探测器也进行了分　析．　关键词：微测辐射热计；红外热响应；有限元；模拟　中图分类号：ＴＮ２１５；０４８４，１　文献标识码：Ａ　ＴＨＥＲ　僵Ａ　Ｌ　ＲＥＳＰＯＮＳＥ　Ｓｎ，｜　７Ｉ　ＡＴＩＯＮ　ＯＦⅧＣＲＯＢＯＬＯＭ　ＴＥＲ　ＹＵＡＮ　Ｎｉｎｇ．Ｙｉ　，ＬＩ　Ｇｅ　，ＬＩ　Ｊｉｎ．Ｈｕａ　，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ．Ｓｈｕａｎｇ　（１．Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌａｂ．，Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　２１３０１６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　ｈｆｆｒａｒｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００８３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｍｉｃｒｏ—ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｂｙ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｅｒｅ　ｄｏｎｅ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｐｉｘｅｌ　ｓｉｚｅ，ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｆｉｌｍ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｌｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆ　ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｌｅｇ，ｄｏｗｎ－ｌｅａｄ，ｖａｃｕｕｍ　ｐａｃｋａｇｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　ｏｆ　ｐｉｘｅｌｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｏ　ｃｏｍｐａｒｅ，ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ　ｗｉｈｔ　ａ　ｃａｖｕｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ；ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　引言　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　非致冷红外探测器不需要致冷，制造成本低，重　敏感膜的温度升高从而使材料的电阻发生变化．红　量轻，响应波段宽和工作时间长等诸多优点，非常适　外辐射的吸收效率、敏感膜的电阻温度系数，探测器　用于军事领域诸如陆、海、空的侦察、监视与目标捕　的热隔离是决定探测器响应灵敏度的关键．微桥结　获，导弹与灵巧武器制导等；在民用方面可用于工业　构制造工艺比较复杂，另外非致冷探测器常用的氮　生产监控、公安执法、消防灭火、医疗诊断、搜索救　化硅、氧化硅吸收层，像元的大小，微桥支撑层的厚　援、高压输电线路检测、火车车轮和车闸测温、夜间　度，支撑臂的长度，探测器的封装对探测器灵敏度都　辅助驾驶等．美国、日本，英国、加拿大等国家在非致　有很大的影响．因此很有必要做一个详细的分析．本　冷红外探测器的研究和制造方面相对领先于其他国　文利用有限元法对不同的像元结构进行了热学模　家＿Ｉ　ｊ．微测辐射热计焦平面阵列的规模已达到６４０　拟．同时对平板空腔结构的探测器单元的红外响应　×４８０，像元的尺寸减小到２５１￣ｍ×２５　ｍ，性能接近　也做了计算＋　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　１微桥结构　机械加工在ＣＭＯＳ读出电路上制作悬桥来实现微测　１．１模型　辐射热计．微测辐射热计是将敏感膜电阻随温度的　图１是典型的微测辐射热计像元结构图，硅读　收稿日期：２００５－１１—２０。修回日期：２００６—０２－２１　Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　ｄａｔｅ：２００５－１１－２Ｏ．ｒｅｖｉｓｅｄ　ｄａｔｅ：２００６－０２－２１　基金项目：国家自然科学基金项目（６０２７７０１９）红外物理国家重点实验室开放课题（２００４０６）　作者简介：袁宁一（１９６６－）。女。江苏南京人，江苏工业学院信息科学系副教授，博士，主要从事功能薄膜材料及非常态器件研究．　维普资讯 http://www.cqvip.com

红外与毫米波学报　２５卷　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　撑臂传人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Ｓｉ　Ｎ　或　ＳｉＯ：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２．５　ｍ，对于８—１４１ｘｍ波长的　红外辐射，文献报道，吸收系数可大于８０％＿３　Ｊ．　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：　＾／＾　、　’　ｄ　ｄｆ　＋４ｏ＂　△　＋　一ｄｄｉｖｋ（ｇｒａｄ　（△　））＝　［　，　（１）　其中田是探测单元的红外吸收系数，　是热辐射系　数，　是探测单元所处的环境温度，ＡＴ＝Ｔ—Ｔｏ是单　元相对于环境的温度，Ｓｔｅｆａｎ—Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ常数ｏｒ＝　５．６７×１０　Ｗ／ｍ　Ｋ　，ｈ是探测单元与环境之间对流　热的传输系数．对于由ｓｉ　Ｎ　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ｃｌａｄ　和热导　分别可以通过下式计算：　ｎ　ｎ　ｑｏｄ＝∑（ｃ｝，）　ｄ　ｋｄ＝∑ｋｉｄ　，　（２）　（ｃ｝，）　和ｋ　代表对应的多层结构中的第　层的单位　体积热容和热导．在用有限元方法解上述微分方程　时所用边界条件是引线与衬底相连处的温度与环境　温度一致．表１是模拟时各材料的热学参数．　１－２模拟结果与讨论　图２探测单元的平面图，利用有限元模拟时探　测单元分为３个区域，区域１包括ｓｉ，Ｎ　支撑层，ＶＯ：　图１典型的微辐射热计结构图　Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏ—ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　表１各材料的热学参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔｈｅｒｍａｌ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　ｏｆ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　敏感膜，ｓｉ３Ｎ　吸收层，区域２包括ｓｉ，Ｎ　支撑层，　ＶＯ：敏感膜，电极，Ｓｉ　Ｎ　吸收层，区域３包括Ｓ　Ｎ　支撑臂和引线．探测单元在红外辐射下，温度随时问　上升符合规律ＡＴ＝△　（１一ｅ　），动态模拟可以给　出各时刻下像元的温度分布情况，温度分布经过一　定时间后达到稳定．热时间常数下定义为当单元温　升达到平衡值的（１—１／ｅ）时所需要的时间．　我们首先对５０１ｘｍ×５０１￣ｍ的像元性能进行了　分析．模拟时辐射功率取ｌ￣Ｗ／ｍ　，红外吸收田取　８５％，辐射系数　＝８０％，空气热导系数ｈ＝３５Ｗ／　ｍ　Ｋ　Ｊ，环境温度ｒｏ＝３００Ｋ，吸收层ｓｉ　Ｎ　的厚度取　０．０５　ｍ．图３是在红外辐射下像元达到热平恒后的　温度分布情况．可以看出微桥悬空结构起了很好的　隔热作用，桥面的温度分布比较均匀．表２和表３分　别是对５０　ｍ×５０　ｍ像元的模拟结果．我们在不同　图２模拟示意图　Ｆｉｇ．２　Ｐｌａｎｆｏｒｍ　ｏｆ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｌｅｍｅｔ　Ｔｉｍｅ　０．２　Ｃｏｌｏｒ．　Ｈｅｉｇｈｔ：ｕ　．．．　图３微桥结构探测单元的温度分布　Ｆｉｇ．３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｍｉｅｒｏｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　袁宁一等：微测辐射热计的红外热响应模拟　支撑层厚度，支撑臂的宽度，敏感膜的厚度，引线的　对于微／纳米尺度器件，通常都会存在微尺度效　应问题．在辐射表面间距离近似等于或小于满足维　恩位移定律的最大单色辐出度波长时，会存在近场　辐射，但有研究结果显示　当夹层厚度小于３００ｎｍ　时，辐射热流有明显增强的迹象．而在２１ｘｍ时，热辐　射没有明显加强．另外Ｒａｙｔｈｅｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｃｏｍｐａｎｙ制　作的非制冷红外焦平面阵列器件，单元红外信号响　应可以大于２．５×１０７Ｖ／Ｗ，比我们模拟的电压响应　宽度和厚度条件下对像元的温度分布进行了计算，　同时也分析了真空封装对红外响应的影响．　从表２的模拟结果看出对于采用Ａｌ作为引线　的探测器，引线的宽度和厚度对提高像元的温度升　高幅度起着决定的作用．　从表２和表３的模拟结果可以看到引线的材料　对温升有非常大的影响．由于Ａｌ的热导率很大，因　此不利于提高像元的温度，如果采用ＮｉＣｒ或其他热　导率较低的材料，可以大大提高像元的温度，因此引　线材料的选择是非常重要的．其次是真空封装，当降　低支撑层的厚度和支撑臂的宽度，温升幅度较大的　情况下，真空封装对于进一步提高红外响应的效果　越明显．对于选用ＮｉＣｒ引线的像元，当支撑层厚度　为０．５　ｍ，支撑臂宽度３　ｍ，温升从没有真空封装　的１．０９９８Ｋ增加真空封装的２．０５８５Ｋ，几乎提高了　１倍．也就是说相当于面对一个１０ｎＷ的入射红外　辐射能引起的温度变化是０．０８２Ｋ．当像元电阻为　１００　ｋｆｌ，偏置电流１００１ｘＡ，敏感膜的电阻温度系数　３％／Ｋ时，电压响应约２．５×１０。Ｖ／Ｗ．　表２采用Ａｌ引线的５０ｐｒｏ×５０ｐｒｏ像元中心区域的温升　幅度和热时间常数　Ｔａｂｌｅ　２　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎ－　ｓｔａｎｔｓ　ｏｆ　５０ｐｒｏ×５０ｐｒｏ　ｐｉｘｅｌ　ｗｉｔｈ　ＡＩ　ｄｏｗｎ－　ｌｃａｄ　１　０．２　０．１０８８　０．１１４２　２＋６　３．０　ｌ　Ｏ，ｌ　Ｏ．１１４７　０．１２Ｏ６　２．６　３，Ｏ　Ｏ．１　０．１２３６　０．１３０４　２．Ｏ　２．４　０．０５　０．１３１４　０．１３９０　１．８　１．９　０．５　Ｏ．Ｏ５　Ｏ．１３５６　０．１４３３　２．Ｏ　２．Ｏ　０．５　Ｏ．Ｏ５　Ｏ．２４０１　Ｏ．２６６２　３．Ｏ　３．Ｏ　Ｏ．Ｏ５　Ｏ．５　０．Ｏ５　０．３７９２　０．４４９８　４．３　５．２　表３采用ＮｉＣｒ引线的５０ｐｍ×５０ｐｍ像元中心区域的温　升幅度和热时间常数　Ｔａｂｌｅ　３　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎ－　ｓｔａｎｔｓ　ｏｆ５０ｐｒｏ　ｘ５０ｐｍ　ｐｉｘｅｌ　ｗｉｔｈ　ＮｉＣｒ　ｄｏｗｎ－　ｌｃａｄ　１　０．２　Ｏ．３９４３　０．４９７２　１５　１　Ｏ．１　０．５【ｘｌ５　０．６４４５　１６　Ｏ．０５　０．Ｉ　１　Ｏ．５ｌｌ９　０．６６２０　１６　Ｏ．５　Ｏ．０５　０．６３２６　０．８７９４　１４　Ｏ．５　Ｏ．Ｏ５　０．７７８６　１．１８２６　１６　Ｏ．５　０．Ｏ５　０．９７９４　１．６７２８　２０　０．０５　Ｏ．５　Ｏ．Ｏ５　１．ｏ９９８　２．Ｏ５８５　２５　高．他们采用的是５０１ｘｍ×５０１ｘｍ像元尺寸，０．５　ｍ　厚的ｓｉ　Ｎ　做为微桥结构的支撑，空腔是２１ｘｍ的结　构－３　Ｊ．可以看出在微测辐射热计中像元的辐射热交　换并没有明显的加强．薄膜厚度的降低会导致薄膜　热导率减小，这有利于提高探测单元的红外响应．由　于没有查到ＡＩ，ＮｉＣｒ薄膜的热导率，我们模拟时所　采用的是体材料参数，因此模拟结果有点偏差．　由于多层结构的厚度越小，热容和热导就越小，　越有利于提高探测器的响应灵敏度，当然降低支撑　层的厚度、宽度都是有利于提高像元的温度，但支撑　层的厚度、宽度太小会降低微桥结构的牢固程度，因　此在制造探测器时还要兼顾探测器的热学性能与机　械性能，选取合适的像元结构参数．另外减小敏感　膜的厚度，可以使像元的温升提高，同样敏感膜的厚　度越小，薄膜的均匀性越难控制，　我们同时还分析了支撑臂的长度，支撑层上与　敏感膜形成欧姆接触的引线的长度对像元温度红外　响应的影响．表４和表５分别是模拟的结果．模拟参　数：真空封装，支撑层厚度为０．５１ｘｍ，支撑臂宽度为　３　ｍ，ＮｉＣｒ引线宽ｌ　ｍ。厚０．１Ｉｘｍ，ＶＯｘ薄膜厚　０．１　Ｉｘｍ．模拟结果显示支撑臂越长，温升越大．对于　５０１ｘｍ×５０１ｘｍ的像元支撑臂的长度增加２０１ｘｍ，温　升可以提高约５０％左右（见表４）．图４是采用短引　线的探测单元示意图．表５反映了支撑层上与敏感　膜形成欧姆接触的引线的长度对像元温度红外响应　的影响．降低引线的长度可以提高温升，但由于引线　缩短的幅度相对于整个引线来说不大，因此对温升　的提高幅度不是很大．　图４采用短引线的探测单元示意图　Ｆｉｇ．４　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｐｉｘｅｌ　ｗｉｔｈ　ｓｈｏｒｔｅｎ　ｄｏｗｎ－ｌｅａｄ　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ８６　支撑臂长度的影　红外与毫米波学报　２５卷　Ｔａｂｌｅ　４　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｋ窖ｌｌｅｎｇｔｈ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　２干似　艇绢　平板空腔结构　。ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　２．１模型　表５引线长度的的影响　Ｔａｂｌｅ　５　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｏｗｎ－ｌｅａｄ　ｌｅｎｇｔｈ　ｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎｓｔａｎｔｓ　为了提高占空因数，实现大规模的焦平面阵列和　探测器的小型化，像元尺寸随着技术的发展越做越　小，但这样对加工制造设备和工艺的要求越高．表６　显示在支撑层０．５￣ａ．ｍ厚，支撑臂３　ｍ宽，支撑臂　５０ｔｔａｎ长，ｌｔａ￣ｒｎ宽，０．１　ｍ厚的ＮｉＣｒ引线，０．０５ｉ￣ｍ厚　ＶＯ　薄膜的结构参数下，不同尺寸的像元温升隋况．　对于某一像元尺寸，支撑臂越长，温升越高．对　于同样的支撑臂，从表６的模拟结果看，并不是像元　尺寸越大，温升越高．当像元尺寸缩小到３０１￣ｍ×　３０１￣ｍ时，温升下降得很多．因此在探测率没有明显　下降的情况下实现器件的小型化还需要进一步降低　支撑臂和引线的热导．我们发现５０１￣ｍ的支撑臂对　于ｌＯ０１￣ｍ×１００１￣ｍ来说太短，提高支撑臂长度，可　以提高它的温升．　以上所有的模拟结果显示，探测器的温升提高，　它对红外辐射响应的热时间常数也增加了，也就是　说探测器的响应率提高，是要以增加响应时间为代　价的．进行真空封装的目的是要消除空气的传热作　用，但对于Ａ１引线，其热导率较大，热量主要是通过　Ａｌ引线向衬底传递，空气的传热相对于Ａ１引线处　于次要地位．另外引线的宽度越大，引线在像元的热　损失中起的作用就越大，因此即使进行真空封装，温　升的变化幅度也不大，相对地热时间常数变化也不　太大．但从表３中也可以看出，采用了１　ｍ宽的　ＮｉＣｒ引线，在真空环境下，温升提高了１倍，同时热　时间常数也大幅度的提高．　表６不同尺寸像元的热响应情况　Ｔａｂｌｅ　６　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ｃｏｎ－　ｓｔａｎｔｓ　ｏｆ　ｐｉｘｅｌｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｚｅｓ　微测辐射热计采用图１所示的微桥结构可以取　得最佳的隔热效果，但制作工艺比较难．　平板空腔结构相对来说要容易一些，华中理工　科技大学采用这种结构制备的氧化钒红外探测器电　压响应为ｌ０　ｖ／ｗ　．图５是平板空腔结构的俯视　图和侧面图．我们做模拟时考虑空腔深２．５　ｍ，吸　收层覆盖整个支撑面，这样在模拟时除了ＮｉＣｒ引线　区域，其余部分的红外吸收系数取８５％，另外模拟　时的其他参数与桥式结构一致，真空封装，支撑层厚　度为０．５Ｉｘｍ，ＮｉＣｒ引线宽１　ｍ，厚０．１　ｍ，ＶＯｘ敏感　膜厚０．０５　ｍ，大小５０１￣ｍ×５０１￣ｍ．　２．２模拟结果与讨论　支　金属反射层　图５ａ平板空腔结构侧面图　Ｆｉｇ．５ａ　Ｓｉｄｅ　ｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃａｖｕｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　图５ｂ平板空腔结构俯视图　Ｆｉｇ．５ｂ　Ｐｌａｎｆｏｒｍ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ａ　ｃａｖｕｍ　ｓｔｍｅｔｕｒｅ　图６平板结构探测单元的温度分布　Ｆｉｇ．６　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｃａｖｕｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　维普资讯 http://www.cqvip.com

３期　袁宁一等：微测辐射热计的红外热响应模拟　１８７　图６是探测单元达到热稳定后的温度分布图．　平板结构上的敏感膜温度分布远不如微桥结构的分　布均匀．表７是对于不同尺寸支撑层的像元中心温　度升高的模拟结果．平板空腔结构虽然比微桥结构　坚固，工艺生产中成品率高，但对红外辐射的响应效　果比微桥结构差得多．同样在像元电阻为１００ｋｆ￣，偏　置电流１００ｔＬＡ，敏感膜的电阻温度系数３％／Ｋ的情　况下，０．１０４５Ｋ的温升对应的电压响应低于１×　１０　Ｖ／Ｗ．　３结论　利用有限元方法对微桥结构的微测辐射热计的　红外热响应进行了定量分析，模拟结果显示探测器　的电引线的材料选取对像元的温度变化有着非常大　的影响．真空封装对于进一步提高红外响应的效果　也很明显．当然降低支撑层、引线的厚度和宽度，都　是有利于提高像元的温度，但支撑层的厚度太小会　降低微桥结构的牢固程度，引线太薄太细容易断条，　因此在制造探测器时还要兼顾探测器的热学性能与　机械陛能，选取合适的像元结构参数．另外减小敏　感膜的厚度，也可以使像元的温升提高，同样敏感膜　的厚度越小，薄膜的均匀性越难控制．在像元的温升　提高的情况下，像元对红外辐射响应的热时间常数　都响应地有所增加．　表７平板结构探测单元中心温度变化和热时间常数　Ｔａｂｌｅ　７　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｈａｎｇｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｔｉｍｅ　ＣＯｎ－　ｓｔａｎｔｓ　ｏｆ　ｐｉｘｅｌ　ｗｉｔｈ　ｃａＶＵｌＩＩ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　考虑到微桥结构工艺的难度，作为比较，对工艺　上相对容易的平板空腔结构的微测辐射热计也做了　模拟计算，计算结果显示敏感膜的温度分布不如微　桥结构均匀，温度升高幅度也低于微桥结构．　ＲＥＦＥＲＥＮＣＥＳ　［１］Ｔｉｓｓｏｔ　Ｊ　Ｌ．ＩＲ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｕｎｃｏｏｌｅｄ　ｓｅｎｓｏｒｓ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｐ＾　＆ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，４６：１４７一ｌ３５．　［２］ＳＵ　Ｊｉ．Ｒｕ，ＷＥｌ　Ｊｉａｎ－ＨＨａ。ＺＨＵＡＮＧ　ｊｉ．Ｓｈｅｎｇ．Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｃｏｏｌｅｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　２　１　ｃｅｎｔｕｒｙ　［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（苏吉儒，魏建华。庄　继胜．赴向２１世纪的非致冷热成像技术．红外与激光　工程），１９９９，２８（３）：４ｌ－＿４５．　［３］Ｒａｄｆ　ｒｄ　Ｗ，Ｗｙｌｅｓ　Ｒ．Ｗｙｌｅｓ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ　ａｎ－　ｃｏｏｌｅｄ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｃａｍｅｒａ　ｗｉｔｈ　２０ｍＫ　ＮＥＴＤｌ　Ｊ　１．ＳＨＥ，１９９８，　３４３６：６３６—６４６．　『４］Ｐｌｏｓｓ　Ｂ。Ｌｉｅｎｈａｒｄ　Ｄ，Ｓｉｅｂｅｒ　Ｆ．Ｔｈｅｒｍａｌ　ｓｉｍｕｌ￣ｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉ．　ｃｒｏｍａｅｈｉｎｅｄ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｆｏｒ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｒｒａｙｓ　［Ｊ］．Ｍｉｃｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９５，２９：７５＿７８．　［５］ＬＩＵ　Ｓｈａｏ－Ｂｏ，ＬＩＵ　Ｍｅｉ－Ｄｏｎｇ。ＺＥＮＧ　Ｙｉ－Ｋｅ，ｅｔ　ａ１．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｕｎｃｏｏｌｅｄ　ｔｈｅｒｍｏ－　ｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｔｙｐｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｆｏｃａｌ　ｐｌａｎｅ　ａｒｒａｙｓｌ　Ｊ　１．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｌｅｔ－　ｔｅｒｓ（刘少波，刘美冬，曾亦可，等．非致冷红外焦平面阵　列用探测材料的研究进展．材料导报），２０００，１４（１Ｏ）：　３９—１４２．　［６］Ｄｉｌｌｎｅｒ　Ｕ。Ｋｅｓｓｌｅｒ　Ｅ，Ｐｏｓｅｒ　Ｓ，ｅｔ．ａ１．Ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐ－　ｔｉｏｎ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｇａｓ．ｆｌｏｗ　ｓｅｎｓｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅｒｍｏｐｉｌｅｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈｌｙ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｍａｔｅｒｉｌａｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ，１９９７，６０：１—４．　［７］ＨＡＮ　Ｍａｏ．ＨＨａ，ＬＩＡＮＧ　Ｘｉｎ．Ｇａｎｇ．Ｃｏｍｐａｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｃｏｎ－　ｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｍａｌ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｂｙ　ｍｉｃｒｏｓｃｌａｅ　ｇａｓ　ｇａｐｓ　　ｌＪ　１．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｈｅｒｍｏｐｈｙｉｃｓ（韩茂华，梁新刚，微　结构气体夹层的导热和辐射比较，工程热物理学报），　２００４．２５（６）：１Ｏ１６—１Ｏ１８．　『８］ＷＡＮＧ　Ｈｏｎｇ．Ｃｈｅｎ。ＹＩ　Ｘｉｎ．Ｊｉａｎ．ＣＨＥＮ　Ｓｉ－Ｈａｉ，ｅｔ　ａ１．　Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　１２８．ｅｌｅｍｅｎｔ　ｕｎｃｏｏｌｅｄ　Ｖｘ　ｔｈｅｒｍａｌ　ＩＲ　ｄｅｔｅｃ－　ｔｏｍ［Ｊ］．　Ｉｎｒｆａｒｅｄ　Ｍｉｌｌｉｍ．Ｗａｖｅ（王宏臣，易新建，陈四　海，等，１２８元非致冷氧化钒红外探测器的制作，红外与　毫米波学报），２００４，２３（２）：９９—１Ｏ２．