周玉修,程 融,劉堅(jiān)強(qiáng),曾 瑋,孫光厚,李 鐵

(1.九江學(xué)院理學(xué)院,江西 九江 332005;2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

·紅外材料與器件·

靈敏度可調(diào)的光學(xué)讀出非制冷熱像元設(shè)計(jì)

周玉修1,程 融1,劉堅(jiān)強(qiáng)1,曾 瑋1,孫光厚1,李 鐵2

(1.九江學(xué)院理學(xué)院,江西 九江 332005;2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200050)

設(shè)計(jì)了一種可見光反射型光學(xué)讀出非制冷熱像元結(jié)構(gòu)。理論分析表明熱像元的熱-機(jī)械靈敏度達(dá)到0.043 deg·K-1,在熱像元面積比已有報(bào)道減小75%的情況下,熱-機(jī)械靈敏度反而提高至少79%。通過改變彎折梁底層金膜的面積來調(diào)節(jié)熱像元的靈敏度,使其可在2.36×10-6rad·m2·W-1和9.21×10-6rad·m2·W-1之間變化。ANSYS仿真結(jié)果和理論結(jié)果吻合較好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

成像系統(tǒng)；非制冷紅外熱像元；光學(xué)讀出；靈敏度；響應(yīng)時(shí)間

Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

1 引 言

紅外探測(cè)器在軍事、民用的許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。相對(duì)以碲鎘汞(HgCdTe)為代表的量子型紅外探測(cè)技術(shù)[4],熱型紅外焦平面陣列技術(shù)[5-8]有著室溫工作,低成本、小型化的優(yōu)點(diǎn)。同電學(xué)讀出方式相比,光學(xué)讀出的熱型探測(cè)器有靈敏度高、重量輕、能耗小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。

國內(nèi)外相關(guān)研究人員開發(fā)了不同的光讀出紅外焦平面陣列[12-14],但陣列的熱像元存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、靈敏度低等問題。在陣列周期不變的條件下,熱像元的靈敏度很難改變。

本文提出一種靈敏度可調(diào)、工藝簡(jiǎn)單的光讀出非制冷熱像元結(jié)構(gòu),并通過對(duì)彎折梁底層金膜面積的調(diào)節(jié)來改變可動(dòng)微鏡的靈敏度。有限元仿真結(jié)果同理論結(jié)果吻合很好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。本研究對(duì)高性能低成本光學(xué)讀出非制冷熱成像系統(tǒng)的制造和應(yīng)用有著直接的指導(dǎo)意義。

2 熱像元的設(shè)計(jì)與理論分析

2.1 熱像元的設(shè)計(jì)

熱像元結(jié)構(gòu)如圖1所示,單元大小為100 μm×100 μm(含硅框架),主要包括彎折梁和可動(dòng)微鏡兩部分,彎折梁和腐蝕槽的寬度均為2 μm。結(jié)構(gòu)支撐層為1 μm厚的SiN,SiN的下表面有0.1 μm厚的薄層Au膜,陰影部分梁的上面有0.9 μm厚的Au層。SiN膜吸收紅外輻射,微鏡區(qū)域的薄層Au膜用來反射可見光。輔助腐蝕槽可以減少熱像元的腐蝕時(shí)間,提高工藝良率。

圖1 熱像元的結(jié)構(gòu)圖

熱像元的靈敏度S定義為在單位功率密度的紅外輻射下可動(dòng)微鏡的偏轉(zhuǎn)角度：

S=H×ST

(1)

其中,H為溫度響應(yīng)靈敏度,即單位功率密度的紅外輻射下可動(dòng)微鏡的溫升值;ST為熱-機(jī)械靈敏度,指單位溫升引起的微鏡偏轉(zhuǎn)角度。

2.2 可動(dòng)微鏡的溫度響應(yīng)靈敏度

可動(dòng)微鏡的熱流方程為：

(2)

式中,C為可動(dòng)微鏡的熱容;Tm為微鏡溫度;Ta為環(huán)境溫度。Gtotal是可動(dòng)微鏡的總熱導(dǎo)[14];qm是可動(dòng)微鏡吸收的輻射功率。

熱平衡時(shí),由上式可得可動(dòng)微鏡的溫度改變：

(3)

(4)

計(jì)算得熱像元的溫度響應(yīng)靈敏度H=3.13×10-3K·m2·W-1。

2.3 熱像元的熱-機(jī)械靈敏度與靈敏度

熱像元的熱-機(jī)械靈敏度定義為溫升后微鏡角度的偏轉(zhuǎn)值同溫度改變量的比值：

(5)

對(duì)于雙層材料梁,溫度的變化會(huì)使梁發(fā)生彎曲,梁自由端的角度變化[14]：

(6)

三層材料梁的熱-機(jī)械方程比較復(fù)雜。由于本設(shè)計(jì)中底層Au很薄,可將三層梁結(jié)構(gòu)等效簡(jiǎn)化為雙層梁結(jié)構(gòu)后再進(jìn)行計(jì)算,如圖2所示。

圖2 三層梁等效成雙層梁的示意圖

在每段彎折梁中三層梁和雙層梁對(duì)微鏡的偏轉(zhuǎn)效果是累加的,經(jīng)過理論計(jì)算可得微鏡的總偏角:

Δθ=Δθ3layer+Δθ2layer=7.53×10-4ΔT。

可得熱像元的熱-機(jī)械靈敏度ST=7.53×10-4rad·K-1=0.043deg·K-1,同文獻(xiàn)[14]相比(像素元大小200μm×200μm,兩種像素元的熱-機(jī)械靈敏度分別為0.024deg·K-1與0.016deg·K-1),本文設(shè)計(jì)的熱像元面積減小了75%,熱-機(jī)械靈敏度卻增加了至少79%,可以在減小非制冷熱像元陣列面積的同時(shí)提升熱成像的性能。

熱像元的靈敏度S=2.36×10-6rad·m2·W-1,即在1000 W·m-2的紅外輻射下,微鏡的偏轉(zhuǎn)角度可達(dá)2.36×10-3rad,即0.135deg。

2.4 熱像元的時(shí)間常數(shù)

熱像元的時(shí)間常數(shù)是決定圖像幀頻的重要因素。由可動(dòng)微鏡的熱流方程(2)可得：

(7)

時(shí)間常數(shù)：

(8)

由式(8)可知,熱響應(yīng)時(shí)間常數(shù)與總的熱導(dǎo)成反比。計(jì)算得熱像元的時(shí)間常數(shù)τ=7.44 ms,即熱像元的響應(yīng)頻率f=1/τ=134 Hz,足以滿足熱成像需要(響應(yīng)頻率大于30Hz)。

2.5 熱像元靈敏度的調(diào)節(jié)與優(yōu)化

由以上分析可知,我們可以通過改變微鏡熱導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)對(duì)熱像元靈敏度的調(diào)節(jié)。在原始方案(方案1)的基礎(chǔ)上,通過將部分雙層梁下面的Au層去掉來減小熱導(dǎo),增加微鏡的溫度響應(yīng)靈敏度,提高熱像元的靈敏度。但由式(8)可得,減小熱導(dǎo)的同時(shí)也會(huì)增加微鏡的響應(yīng)時(shí)間。熱像元靈敏度的提高是以犧牲響應(yīng)速度為代價(jià)的。

下面討論三種新的設(shè)計(jì)方案。如圖3所示,方案2、方案3和方案4中每側(cè)彎折梁中分別去掉1段,2段和3段梁下面的底層Au,其面積分別為21.8μm2,69.6μm2,149.4μm2。

圖3 四種不同的熱像元設(shè)計(jì)方案(a)～(d)分別代表方案1～方案4,其中灰色部分為去掉底層Au膜后的單層SiN梁

圖4列舉了四種設(shè)計(jì)方案的靈敏度及響應(yīng)速度的對(duì)比,可見隨著熱導(dǎo)的不斷減小(從設(shè)計(jì)方案1到設(shè)計(jì)方案4),靈敏度有明顯的增加,但響應(yīng)速度明顯變慢。方案4的靈敏度高達(dá)9.21×10-6rad·m2·W-1,響應(yīng)時(shí)間增加為25.3ms,響應(yīng)速度下降到39.5Hz。圖5顯示了四種設(shè)計(jì)方案的溫度響應(yīng)靈敏度和熱-機(jī)械靈敏度,隨著熱導(dǎo)的減小,溫度響應(yīng)增加明顯,但熱-機(jī)械靈敏度變化不大,說明靈敏度的增加主要來源于溫度響應(yīng)靈敏度的增加,而薄層金層面積的改變對(duì)熱-機(jī)械靈敏度的影響很小。

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,我們可以采用不同的設(shè)計(jì)方案。在響應(yīng)速度要求高的場(chǎng)合使用設(shè)計(jì)方案1,而在靈敏度要求高的場(chǎng)合使用方案4,在一般的場(chǎng)合下也可以使用方案2或3,在靈敏度和響應(yīng)速度之間取得折衷。

圖4 不同設(shè)計(jì)方案的熱像元靈敏度與響應(yīng)速度

圖5 不同設(shè)計(jì)方案的熱像元溫度響應(yīng)靈敏度和熱-機(jī)械靈敏度

3 熱像元性能的有限元仿真

通過ANSYS有限元仿真得到的熱像元穩(wěn)態(tài)溫度分布及z方向形變?nèi)鐖D6所示(以方案1為例),進(jìn)而可以通過微鏡偏轉(zhuǎn)的角度得到熱像元的靈敏度。由于仿真中并未考慮輻射熱導(dǎo),最后結(jié)果還需要加入輻射熱導(dǎo)進(jìn)行修正。不同方案熱像元的靈敏度仿真結(jié)果如圖7所示,可見仿真值和理論值非常接近,相對(duì)誤差小于6%,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖6 在1000W/m2的熱流功率密度下熱像元

圖7 ANSYS仿真得到的熱像元靈敏度以及與理論計(jì)算值的對(duì)比

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了靈敏度可調(diào)的光-機(jī)械非致冷熱像元。理論計(jì)算表明熱像元的熱-機(jī)械靈敏度高達(dá)0.043 deg·K-1,在熱像元面積比已有報(bào)道[14]減小75%的情況下,熱-機(jī)械靈敏度反而提高至少79%,靈敏度達(dá)到2.36×10-6rad·m2·W-1,時(shí)間常數(shù)僅為7.44 ms,響應(yīng)頻率高達(dá)134 Hz。通過去掉部分彎折梁下面的Au層,靈敏度增加到9.21×10-6rad·m2·W-1,但響應(yīng)頻率降為39.5 Hz。不同方案熱像元靈敏度的ANSYS仿真值和理論值非常接近,相對(duì)誤差在6%之內(nèi),驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。本研究對(duì)高性能低成本的非制冷熱成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制備及應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

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Design of optical-readout uncooled thermal imaging pixel with adjustable sensitivity

ZHOU Yu-xiu1,CHENG Rong1,LIU Jian-qiang1,ZENG Wei1,SUN Guang-hou1,LI Tie2

(1.Department of Science,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China;2.State Key laboratories of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,

A design of optical readout uncooled thermal imaging pixel is proposed. The theoretical analysis shows that,thermal-mechanical sensitivity reaches 0.043 deg·K-1and increases by 79% at least when the pixel size decreased by 75% compared with reported ones. Sensitivity can be adjusted from 2.36×10-6rad·m2·W-1to 9.21×10-6rad·m2·W-1by changing the size of the bottom gold layer on the folded cantilever. Finite element simulations by ANSYS are in good agreement with theoretical results,which verifies the validity of the design.

imaging systems;uncooled thermal imaging pixel;optical readout;sensitivity;response time

1001-5078(2015)02-0158-05

國家自然科學(xué)基金(No.11264021);江西省青年科學(xué)基金(No.20132BAB216011);九江學(xué)院科研項(xiàng)目(No.2013KJ16)資助。

周玉修(1984-)，男，講師，博士，主要從事微納及紅外敏感器件相關(guān)研究。E-mail：zhouyuxiu@139.com

2014-06-19;

2014-07-17

TN215

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.009