高靈敏氧化釩非致冷紅外探測器研究.pdf

1、非致冷紅外探測器/微測輻射熱計作為屬于第三代的基于微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)的紅外探測器,由于具有體積小、重量輕、功耗低、易攜帶、非致冷等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、醫(yī)療、交通、環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。提高微測輻射熱計的靈敏度和探測性能是從事這一領(lǐng)域的研究者一致努力追求的目標(biāo)。本論文從微測輻射熱計的工作原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、材料制備、器件制作和性能測試等方面展開了一系列比較深入的研究。通過制備具有高電阻溫度系數(shù)(TCR)

2、的氧化釩薄膜、摻氮氧化釩薄膜和黑金吸收層并利用微加工技術(shù)手段分別將它們集成在探測器上,提高了微測輻射熱計的性能。主要研究內(nèi)容和成果綜述如下:
　　(1)探索和發(fā)現(xiàn)了采用脈沖直流磁控濺射法制備的氧化鎳鉻NiCr2O4薄膜所具有的電學(xué)特性和光學(xué)特性。該條件下制備的NiCr2O4材料特性不同于高壓氧化等條件下所制備的材料特性。研究發(fā)現(xiàn),該薄膜在室溫到100攝氏度范圍內(nèi)具有半導(dǎo)體-絕緣體電學(xué)相變特性;在3-5μm高溫紅外波段有很好的紅外吸

3、收效果,具有潛在的紅外市場領(lǐng)域應(yīng)用價值。
　　(2)開展了氧化釩熱敏薄膜材料和器件研究。采用離子束濺射法制備了在室溫附近具有高TCR氧化釩薄膜。利用掃描電鏡、原子力顯微鏡和X射線衍射等技術(shù)手段對該薄膜進(jìn)行了表面形貌、晶粒尺寸等屬性觀察和分析。設(shè)計和制作了基于多孔硅犧牲層的64×2陣列的氧化釩微測輻射熱計。采用薄膜矩陣和有限元方法仿真分析了該探測器的光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)等性能。最后對該探測器進(jìn)行了系統(tǒng)測試。
　　(3)采用電

4、阻蒸發(fā)方法制備了紅外吸收黑金薄膜。對該薄膜進(jìn)行了表面形貌研究并對其反射率進(jìn)行了測試。通過建立黑金鏈狀結(jié)構(gòu)模型與復(fù)電介質(zhì)函數(shù)Drude-Zener模型等效成等效電路,對黑金薄膜材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了數(shù)值計算。通過對比集成和未集成黑金薄膜的氧化釩微測輻射熱計證實(shí)集成該紅外吸收層的探測器具有顯著改善的探測性能的效果。
　　(4)提出在制備過程中引入少量氮?dú)庵苽鋼降趸C薄膜作為提高 TCR的方法,并且采用脈沖磁控濺射法制備了與微測輻射熱計