枝 eSTC 4 7986 三、非制冷红外探测器 1、概述 2、非制冷红外焦平面阵列技术 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作
1 三、非制冷红外探测器
三、非制冷红外探测器 986 1.概述 ◆1940年以来不断提供了多种红外探测材料和器件，有二种非制冷摄 像阵列已经受住了时间的考验：一种是使用热释电材料的测热辐射计 ,另一种是热敏电阻型测热辐射计（材料具有高的温度电阻系数）。 ◆二者均不要求致冷工作（但要求温度稳定），体积小、重量轻、易于 便携。 非制冷型 制冷型 电子科技大学敏感材料与传感器课程组制作
2 三、非制冷红外探测器 1. 概述 u 1940 年以来不断提供了多种红外探测材料和器件， 有二种非制冷摄 像阵列已经受住了时间的考验：一种是使用热释电材料的测热辐射计 ，另一种是热敏电阻型测热辐射计（材料具有高的温度电阻系数）。 u 二者均不要求致冷工作（但要求温度稳定），体积小、重量轻、易于 便携。 非制冷型 制冷型
三、非制冷红外探测器 986 1.概述 A、热释电红外探测器 1938年，提出热释电晶体可用作红外探测器 ◆1987年，美国陆军夜视实验室和国防高级技术规划局(DARPA)发起了 高密度阵列发展(HIDAD)计划，进而在1990年对交付的第一个摄像阵 列进行评估。 1992年：焦平面阵列满足了所希望的0.30℃指标，其NETD为0.08 ℃，245×328像元的阵列(Hansen等人)。器件工作在BST热释电 材料的相变点附近，使用机械扫描斩波器进行场差处理。 ◆高质量的热释电材料：无法与CMOS单片集成 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作 3
3 三、非制冷红外探测器 1. 概述 A、热释电红外探测器 u 1938年，提出热释电晶体可用作红外探测器 u 1987 年，美国陆军夜视实验室和国防高级技术规划局（DARPA）发起了 高密度阵列发展 (HIDAD)计划，进而在 1990年对交付的第一个摄像阵 列进行评估。 u 1992年：焦平面阵列满足了所希望的 0.30 ℃ 指标，其NETD 为 0.08 ℃, 245×328像元的阵列（ Hansen 等人）。器件工作在 BST 热释电 材料的相变点附近，使用机械扫描斩波器进行场差处理。 u 高质量的热释电材料：无法与CMOS单片集成
三、非制冷红外探测器 986 1.概述 B、热敏电阻型红外探测器 ◆随着80年代微加工技术的日益发展，热绝缘微结构的制作成为可能；高电 阻温度系数材料（如：a-Si、氧化钒(VOx))为高灵敏提供了可能。 ◆霍尼韦尔采用的途径使用了二维V0x电阻阵列，温度每变化1℃，其电阻 率变化约为2%。 ◆VOx淀积在SgN4桥上，而桥受到读出电路(ROIC)上制作的细臂支撑。这 种结构保证了与R0IC热绝缘，是一种极有效的单元结构设计。 ◆1991年，霍尼韦尔发布了像元间距为50μm.NETD为0.1℃的红外焦平 面阵列探测器 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作
三、非制冷红外探测器 1. 概述 B、热敏电阻型红外探测器 u随着80年代微加工技术的日益发展，热绝缘微结构的制作成为可能；高电 阻温度系数材料（如：a-Si、氧化钒( VOx)）为高灵敏提供了可能。 u霍尼韦尔采用的途径使用了二维 VOx 电阻阵列,温度每变化 1 ℃,其电阻 率变化约为 2％。 uVOx淀积在 S3N4 桥上，而桥受到读出电路( ROIC)上制作的细臂支撑。这 种结构保证了与ROIC热绝缘，是一种极有效的单元结构设计。 u1991年，霍尼韦尔发布了像元间距为 50μm . NETD为 0.1 ℃的红外焦平 面阵列探测器
三、非制冷红外探测器 /986 2.非制冷红外焦平面阵列技术 (1)热绝缘结构的重要性 ◆所有的热红外探测器都表现出随着敏感元 支撑腿 (即像素)温度改变而出现的某些可测量 特性的改变，这是由于像元吸收红外辐射 传感器 引起的。 信号福射 ◆各种热红外探测器的分析都首先从如何充 支撑衬底 分利用热辐射功率使敏感元温度增加幅度 最大化入手。 热红外传感器的原理 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作
三、非制冷红外探测器 2.非制冷红外焦平面阵列技术 （1） 热绝缘结构的重要性 u所有的热红外探测器都表现出随着敏感元 （即像素）温度改变而出现的某些可测量 特性的改变，这是由于像元吸收红外辐射 引起的。 u各种热红外探测器的分析都首先从如何充 分利用热辐射功率使敏感元温度增加幅度 最大化入手。 热红外传感器的原理
三、非制冷红外探测器 /986 2.非制冷红外焦平面阵列技术 (1)热绝缘结构的重要性 三种可能的热传递机制：传导、对流和辐射 Radiations A.传导对器件的不利影响： ,热从敏感区沿着其支撑流入衬底，导致热量损失 若敏感区相邻，热可直接从某一像元的敏感区进 入邻近像元（横向热流），这将降低图像的分辨 率（通常称为串音） B.对流的不利影响： >热量通过对流被衬底、封装外壳等带走。 Conduction Convection 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作
三、非制冷红外探测器 2.非制冷红外焦平面阵列技术 （1） 热绝缘结构的重要性 三种可能的热传递机制：传导、对流和辐射 A.传导对器件的不利影响： Ø 热从敏感区沿着其支撑流入衬底，导致热量损失 Ø 若敏感区相邻，热可直接从某一像元的敏感区进 入邻近像元（横向热流），这将降低图像的分辨 率（通常称为串音） B.对流的不利影响： Ø热量通过对流被衬底、封装外壳等带走
三、非制冷红外探测器 /986 2.非制冷红外焦平面阵列技术 (1)热绝缘结构的重要性 C.第三种热传递机制是辐射 >热量从敏感元辐射给周围，周围环境又辐射给敏感元。如果主要的热损 耗机理是辐射，那么，该阵列就处于背景限，即对其性能的主要理论限 制。 ■降低热损失的思路 >焦平面阵列应封装在带透红外辐射窗口的真空管壳中。 >敏感元不应与邻近像元的敏感元相连，以免出现因热扩散导致图像分辨 率损失（串音）。 >对热敏单元采用支撑结构；不考虑背景限的情况下，其主要热损失应是 顺支撑结构达到衬底的热传导引起。 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制
三、非制冷红外探测器 2.非制冷红外焦平面阵列技术 （1） 热绝缘结构的重要性 C.第三种热传递机制是辐射 Ø热量从敏感元辐射给周围，周围环境又辐射给敏感元。如果主要的热损 耗机理是辐射，那么，该阵列就处于背景限，即对其性能的主要理论限 制。 Ø焦平面阵列应封装在带透红外辐射窗口的真空管壳中。 Ø敏感元不应与邻近像元的敏感元相连，以免出现因热扩散导致图像分辨 率损失（串音）。 Ø对热敏单元采用支撑结构；不考虑背景限的情况下，其主要热损失应是 顺支撑结构达到衬底的热传导引起。 n 降低热损失的思路
三、非制冷红外探测器 986 2.非制冷红外焦平面阵列技术 (1) 热绝缘结构的重要性 ■」 阵列单元支撑结构 ◆支撑结构是高性能阵列的关键，必须具备三种功能：机械支撑、热传导 通道和电学传导通道（假设读出是电学方式而不是光学方式） ◆有二种支撑结构。 ①德州仪器公司：采用凸缘焊接的热释电测热 金属接触 红外欺收层 和公用电极 硅读出 辐射计混合式阵列。敏感层是一种较厚的钡 锶钛（BST)层，凸缘焊接为每一像元提供 半透明金黑 有机物 机械支撑、良好的电学传导和低的热传导。 反射金属 热释电探测器件结构 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作
三、非制冷红外探测器 2.非制冷红外焦平面阵列技术 （1） 热绝缘结构的重要性 u 支撑结构是高性能阵列的关键，必须具备三种功能：机械支撑、热传导 通道和电学传导通道（假设读出是电学方式而不是光学方式）。 u 有二种支撑结构。 n 阵列单元支撑结构 热释电探测器件结构 ①德州仪器公司：采用凸缘焊接的热释电测热 辐射计混合式阵列。敏感层是一种较厚的钡 锶钛（ BST ）层，凸缘焊接为每一像元提供 机械支撑、良好的电学传导和低的热传导
三、非制冷红外探测器 986 2.非制冷红外焦平面阵列技术 (1) 热绝缘结构的重要性 ②霍尼韦尔公司：单片集成式测热辐射计阵列采用的微桥结构 ◆桥面层位于在带读出电路的S衬底上方，由二只桥腿支撑。 ◆微桥结构采用牺牲层技术形成。 ◆桥面层一般由支撑层SNx薄膜、热敏薄膜、钝化层等组成 ◆桥腿：电学通道、支撑桥面、热传导途径 50μm 氨化硅和氧化钒 红外辐射 X一金丽 单片式双极性品体蕾 电子料技大学敏感材料与传感器课程组 制
三、非制冷红外探测器 2.非制冷红外焦平面阵列技术 （1） 热绝缘结构的重要性 ②霍尼韦尔公司：单片集成式测热辐射计阵列采用的微桥结构 u桥面层位于在带读出电路的 Si 衬底上方，由二只桥腿支撑。 u微桥结构采用牺牲层技术形成。 u桥面层一般由支撑层SiNx薄膜、热敏薄膜、钝化层等组成 u桥腿：电学通道、支撑桥面、热传导途径
三、非制冷红外探测器 /986 2.非制冷红外焦平面阵列技术 (1)热绝缘结构的重要性 ■微桥结构的热流方程式 ◆假定像元敏感区具有热容量C，主要热损耗机理的热传导（通常是支撑结 构的热传导)是G，假定功率幅度为P。的瞬时调制红外辐射落到该像元上 ,被吸收的入射辐射部分为η，辐射调制的角频率为ω，像元敏感区的温 度增加△T，那么表达该像元的热流方程式就是： Cd(AT)+G(AT)=nPoexp(jwt) dt 其中，j=√一1，t是时间 电子科技大学敏感材料与传感器课程组 制作
三、非制冷红外探测器 2.非制冷红外焦平面阵列技术 （1） 热绝缘结构的重要性 u假定像元敏感区具有热容量C ，主要热损耗机理的热传导(通常是支撑结 构的热传导)是 G ，假定功率幅度为P0的瞬时调制红外辐射落到该像元上 ，被吸收的入射辐射部分为η，辐射调制的角频率为ω，像元敏感区的温 度增加△T ，那么表达该像元的热流方程式就是: 其中 ，t是时间 n 微桥结构的热流方程式