您好、欢迎来到现金彩票网!
当前位置:上海时时乐 > 多光谱辐射计 >

非制冷红外微测辐射热计用热敏电阻探究

发布时间:2019-08-07 13:05 来源:未知 编辑:admin

  (1.华中科技大学激光国家重点实验室武汉430074) (2.华中科技大学光电子工程系 武汉430074) 摘要:本文研究了用于微测辐射热计热敏电阻薄膜材料的热敏特性,指出混合相氧化钒多晶 薄膜是用作红外探测器热敏电阻的理想材料,并采用一种改进的离子束溅射镀膜工艺在氮化硅薄膜 上制备了混合相氧化钒多晶薄膜,测试结果表明:薄膜的方块电阻在25"c为40KQ,电阻温度系数 (TCR)在室温时达到-0.03K一. 关键词:非制冷微测辐射热计:红外探测器;热敏材料;氧化钒薄膜 l引言 热探测器是通过探测由敏感元所吸收入射的红外辐射而引起的温升来探测红外信号的,首先, 探测器的光敏区吸收入射的红外辐射能量,自身温度升高,然后,光敏区的温度变化转化为容易被 测量的某种物理、化学、电学特性的变化并由信号读出系统检测。与其他类型探测器不同的是,热 探测器光敏元可以吸收任意波长的辐射能量,所以在从微波到x射线很宽的电磁波频带内都能f作. 对光波频率不敏感.热探测器可以在室温下工作,无需制冷,因此以热探测器为核心的非制冷成像 系统与制冷型成像系统相比,在低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等方面都具有明显的优 势。随着微制造和微电子技术的发展,以热敏电阻微测辐射热计为核心的非制冷型红外焦平面已经 取得重要突破并达到实用化。在导弹制导、武器瞄准、单兵防护等军事和医疗保健、电力检测,保 安防盗、公安消防等民用领域获得重要的应用,特别是在抗击非典的保卫战中,非制冷热红外成像 系统由于具有可以对大流量人群快速,非接触式成像测温,可以快速检测出人群中的非典疑似患者. 在防止SARS病毒蔓延的过程中起到了十分关键的作用,已成为红外技术中最令人注目的突破之一 Il21。 探测器热敏材料的热敏和电学特性是影响微测辐射热计探测性能的重要因素,各国研究者都在 积极探索开发新的高性能热敏材料。到目前为止,已经有多种薄膜材料用作微测辐射热计的热敏薄 膜材料,如金属薄膜、非晶硅、氧化钒以及高温超导材料等p“,并且新的热敏材料仍在不断开发研 究之中。 2热敏薄膜特性要求 微测辐射热计的探测模型可以由图1表示,微测辐射热计光敏区吸收红外辐射后,自身温度升 高,热敏电阻将自身温度变化转变为电信号的变化由外围读出电路读出。根据热敏电阻红外探测器 的工作原理,热敏电阻型微测辐射热计对热敏电阻要求可以归纳如下: A)高的红外辐射吸收能力 B)合适的薄膜方块电阻 c)高的电阻温度系数 D)低噪声系数 E)制备.I:艺与CMOS工艺兼容 A要求是从红外辐射能量的利_}}=|率着眼的.要求能够高效地利_【fj红外辐射能颦,将红外辐射能 ’闺家自然科学筚台资助项日(批准呼:60106003) 鲑尽可能多地转变为热能量,利用黑金涂层或者1,4波长谐振腔吸收结构已经可以获得超过80%的 红外吸收系数;合适的薄膜方块电阻是为了便于信号读取,过大或者过小的电阻都难以用CMOS读 出电路驱动,较合适的方块电阻为10kQ~100kQ;高电阻温度系数(TCR)可以将探测器一定的温度 变化转变为更人的电阻变化,便—『.信号读出,可以获得更高的信噪比:如果探测器没有任何噪声, 则探测器可以探测任何微弱的信号,但是遗憾的是器件总是或多或少地存在着多种噪声,在没有信 号处理的前提F,探测器只能探测比噪声幅度更大的信号.所以必须选择具有较低噪声系数的薄膜 材料,这样才可能探测到微弱的信号。另外,制备工艺与CMOS工艺兼容也很重要,这样.有利丁器 件和读出电路的单片集成,有利于提高器件的成品率和减少器件成本。 在上面的5点要求之中,电阻温度系数是一个很重要的指标。电阻温度系数被定义为电阻随温 度的相对变化率,用a表示: 电阻温度系数和材料的电荷载流子浓度和迁移率有关。金属材料一般显示正电阻温度系数,其典型值为】0。K“量级,虽然这个数值比一般半导体材料的电阻温度系数要小,但是由于金属薄膜的 淀积.I:艺比较完善。所制各器件的1/f噪卢小、且易于实现电接触,因而金属薄膜曾被认为是用来制 备测辐射热传感器阵列热敏电阻的最好材料。到目前为止,已经有多种金属薄膜被用作微测辐射热 传感器阵列的热敏电阻材料。 ’#导体材料的电阻温度系数和温度的关系表达式为 dRE 式中,E为材料的活化能,其大小等于该半导体材料能隙E。大小的二分之一,r为薄膜温度。从上式可知,、#导体材料的能隙值愈大,则其电阻温度系数也愈高。但是能隙值较人的半导体材料 的薄膜方块电阻和噪声系数一般也较大,抵消了较高的TCR带来的好处。对于能隙值E。=0.7cv 的单一相V02薄膜,在温度为T=300K时,其电阻温度系数的计算值为.5.00x10。2K~。但是此时 其薄膜方块电阻值高达Mo量级,并不适合用作红外探测器的热敏材料。尽管单一相V02薄膜不适 合用作微测辐射热计的热敏材料,但是以V02为基的混合相氧化钒(vox)薄膜在室温附近电阻温 度系数达到-2.00x104K-1,大约是金属薄膜的5~10倍,而且具有较小的1扩噪声和合适的方块电阻, 其制各工艺又与CMOS工艺兼容,所以VOx薄膜成为目前制备微测辐射热计的热敏电阻材料中最为 理想的材料。 3V0。多晶薄膜的制备 制各氧化钒薄膜通常采用反应粒子溅射技术,即在离子束溅射镀膜的过程中通入反应气体(02). 直接对Ar+离子柬溅射出的钒原子进行氧化,从而生成所需的氧化钒薄膜。但是这种工艺由于需要 对反应气体的流量进行精确控制,因而工艺难度较大,工艺重复性难以保证。本文中采用一种新的 改进的离子束溅射镀膜工艺制备氧化钒薄膜,首先在衬底上溅射一层金属钒膜,然后,通过氧化这 层金属钒膜制各氧化钒薄膜.制备工艺简要描述如下:a.溅射钒膜;b.氧化和退火。 a)溅射钒膜 采用离子束溅射镀膜工艺在衬底上淀积一层金属钒膜,镀膜时间为3min,Ar+离子束的能量为 700V,束流密度为60mA.钒薄膜是制备在Si3N4层之上的,Si3N薄膜的厚度为0.3pm,为了减少 薄膜应力,在si衬底和sj3M薄膜之间还溅射了一层作为缓冲层的厚度为0.2p m的Si02薄膜。在 si3N 薄膜上生长的金属钒膜呈银灰色。薄膜的厚度约为30rim,方块电阻为0.3ko。 b)氧化和退火 采用开管式扩散炉对金属钒膜进行氧化工艺。首先将镀有钒薄膜的衬底放在充满氯气的退火炉 中加热,当温度升高到退火温度后,开启氧气阀,调节氧气和氩气流量到设定比2:1,开始氧化I:艺, 氧化温度为380"C,氧化时间为80min,氧化结束后,关闭氧气阀,衬底在氩气环境中退火,退火温 度和时间分别为385"cn 60min,退火结束后,衬底在氩气环境中冷却至室温。对经氧化和退火后的 VO;多晶薄膜进行了SEM分析,其SEM照片如图2所示。从图中可知:所制备的VO。多晶薄膜表 面呈明显的球形晶粒状,而且薄膜表面光滑、致密,均匀性好。 4v0,薄膜性能测试 为了测试氧化钒薄膜的电阻随温度的变化特性,我们设计了一套电阻率一温度测试系统。电阻 率一温度测试系统是由控温系统,测温系统以及四探针电阻率测试系统构成的。控温系统为一电脑 芯片控制的低温试验箱,箱内温度在一40~150范围内可调,温度控制精度优于0.5。当试验 箱内温度调节到设定温度并稳定后再进行测量,这样就可以避免由于薄膜温度不稳定而引起的测量 误差。通过这个测试系统可以测量氧化钒薄膜在不同温度下的方块电阻.再根据由台阶仪测得的薄 膜厚度换算出氧化钒薄膜在不同温度下的电阻率。 采用上述的电阻率温度测试系统对所制备的氧化钒多晶薄膜进行了电阻性能测量,氧化钒薄膜 在25"C时其方块电阻值约为40KQ,薄膜在20mm20mm的衬底上均匀性优于5%,氧化钒薄膜典 型的测试曲线所示。从例中可以获知薄膜的电阻温度系数(TCR)在25时达到了_o.03K"‘。 氧化钒薄膜的光谱吸收能力也是衡量氧化钒薄膜性能的重要指标,对所制备的氧化钒薄膜进行 了红外光谱吸收测试,薄膜的红外吸收光谱如图4所示,从图中可知,氧化钒薄膜在所测试的5 ̄i5 um中长波红外范围内具有较高的光谱吸收率。在8 ̄12l/.m长波红外处其红外光谱吸收率较均匀且 达到30%以上。 5结论 非制冷红外成像技术代表了新型红外成像技术的发展方向,微测辐射热计为红外成像的核心部 件,而微测辐射热计的热敏电阻材料是决定辐射热计红外探测性能的重要因素。本文分析了微测辐 射热计对于热敏材料的总体要求,指出以vch为基的VOx氧化钒多晶薄膜是微测辐射热计的理想的 热敏材料。并且采用一种新的制备氧化钒薄膜的方法在衬底上制备了用于非制冷红外探测器高性能 的氧化钒薄膜。电学测试结果表明,该薄膜在室温时的薄膜方块电阻达到40 Ko,电阻温度系数在 室温时为-0.03K一1,可以满足高性能VOx非制冷微测辐射热计的制作需求。 豳1微测辐射热计的单元结构图 Si批衬底上VO。薄膜的s酬照片eO 70 BD 50 术40 专30 20 1B20 22 ^/ISn图4氧化钒薄膜的红外吸收光谱 参考文献 …R九Wood-High-performanceluframlThermalImagingwithmonolithic sUicon Focal planesoperating atRoomTemperature.IEEE IEDM,1993:175-17712l九Tanaka S-MatsumotoN.nuJ‘|巾。氓“atInfrared focal plane array incorporation silicon Ic process compatible bolometer.IEEE Trans.Electron Devices199646 111):1844-1848 13Ikc Liddiard.。Thin film resistance belometerIRdetectors”.Infrared Phys.。1984.24(1):5 14)s.Sed畸,n Fiorlnl,M.Caymaxet at。IR bolometer made“ploycrJstalline silicon germanium",Seas.ACWaWw^:Phys.199866: 193-199 IsIA JahsnzebcM-TrsvtPsLCelik-BItter。^栅k蛐du咖rYBICuOmicrobolometerforroomtemperatureIRim嵋jnr,IEEETrans. Electron Devices.199744(1 o):1795-1801 {6)Changheng Cheux屿huts hxl叼。咤Zhaed 4‘preparation-_d properties vanadiumdioxide thin film u_cooledmicrobolometer扩InternationalConferenceoilInfraredandMillimeterWave3Btijing Sep.12-aS2000:211-212 17IChanlhongChert XiujlauYIJictgZhugH atMkromuchined uacoeledtR bo(emeterllnHr array usingv如thinfilmsIntJInfrared Milllm Waves2001.22(I):5.3-57 【8I Ckanghong Chen Xinjlan VlJt%Zhng.ct ttChaructedauttiott unceoledVOrbased thin椰日4 hh,呲竹.上Infixed Milli札Waves (际长虹 易暂建-张静等,基于Vq肆膜非翻冷害[外探翻藻性能研兜.红外与毫米波学般).2001。20(4):136-138

http://drukxpress.com/duoguangpufusheji/358.html
锟斤拷锟斤拷锟斤拷QQ微锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷锟斤拷微锟斤拷
关于我们|联系我们|版权声明|网站地图|
Copyright © 2002-2019 现金彩票 版权所有