热释电材料和器件发展近况.pdf

第卷第期红外数术总一热释电材料和器件发展近况邵式平昆明物理研究所提要 本文介绍了国内外在进一步提 高热释 电红外探测器方面的研究工作,其中包括非常规铁 电材料和最佳晶体切制方向。磁控溅射方法生长的薄膜,热释 电优质因子 比陶瓷材料好,有发展前途。用热释 电材料和硅集成的全固体热象传感器将是进一步研究的方向。针对国内应用情况,着重介绍 了应用对器件稳定性和可靠性的要求。热释 电红外探测器已经 用在很多领域。常用的热释电材料有,和陶瓷等,器件的最佳性能已达一,比热探测器的理论极限还差一个数量级,而在进一步提高器件性能方面的研究工作,最近并无很大进展。中等水平的器件吕抽一一互和陶瓷器件一,它们的制作工艺已 比较成熟,广泛用于自动门、入侵报警、火焰探测、火车热轴检测、气体分析以及微波灶自动控温等仪器中。就国内情况而言,要在这些应 用中有明显的突破,当前至关重要的问题是提高稳定性和可靠性。不但要制作高度可靠的、可互换的器件,而且要生产高度可靠的整机。磁控射频溅射方法生长的薄膜,热释电和介电性能比心陶瓷材料更好,其原因是现在能制得的溅射薄膜的 晶粒取向率很高,更适合于制作大面积均匀器件。室温工作的热释 电材料与硅或硅多路传输电路直接藕合的混合型热象传感器,在实验室已得到清晰的热图象,研究工作正在深入。下面分别介绍这几方面的进展近况。一、提高热释电红外探测器性能热释电红外探测器的特点是,室温工作,响应光谱宽,价格较低,与其他类型的热探测器相比有较快的响应速率。它的不足之处在于性能比光子探测器低。如果能 将热释 电探测器性能提高,普遍达到。场一的水平,必将有利于进一步扩展应用范围,遗憾的是迄今为止并没有找到比类晶体更好的材料。根据二的铁电晶体唯象理论,不加外电场,无应力的单畴铁电 晶体的自由能为本文于年月日收到。总勺一或热释电材料和 器件发展近 况年月刀尸兀丁一。尸,达一。尸一工一尸。式中,。是居里温度,是居里常数。是真空极化率,和而是常数,是极化强度。由热力学公式可得一旦些一卫一兰一几尸。十“尸“。、当一时,尸就是 自发极化强度尸。由热释电系数定义二一刁尸日以及介电常数公式。一日月日尸,可得。尸。就铁电晶体而言,从室温到。范围内,、和尸随温度有很大改变,而体积比热基本上与温度无关,所以。可以作为评价材料热释电性能的优值因子。从已经知道的铁电材料的实验数据来看,不能期望有很大的改进。户较大的材料也较大,可以得到下列实验上的近似公式二侧而一,侧了。一一,对于同一种铁电材料,如掺锢的侥酸银钡,改变钢的掺杂量,其实验结果如表所列“。由表中数据可知侧基本不变。综合上述,说明常规铁电体的户与的比值不可能有很大 的 改善。由此可见,要进一步提高热释电红外探侧器性能,从材料方面来考虑,现在已提 出两种可能途径。一是利用非常规铁电晶体,这类材料的热释 电系数随温度提高而增大时,并不随之增大,这是因为非常规铁 电体并不遵顺居里一外斯定律,这样,在一定温度范围内,可望得到较大的值。已报道的非常规铁电体有铂酸试,二钙一铅一丙酸盐以及铁一碘一翻酸盐。材料性能已有实验数据,但没有见到 用非常规铁电材料制成探侧器及其性能的报道,可能的原因是非常规铁电体的极化是二级效应,热释 电系数一般都较小,。比值虽比常规铁电体大,但制作高性能器件仍是有待解决的问题。另一种途径是利用铁电晶体的和的晶向依赖性,可以找到最佳的晶体切割方向使。达到最佳值。以晶体为例,轴为极化轴,而且。,由下述推导可求得最佳切割方向。衰推的热释电性能橄肠朗乙卜,户护。二,。,。二肠。“。鑫。二。,圣。至。,聋。,圣至。互式中是方向余弦。最佳切割角。,二,一一,其中,。山东大 学晶体研究所生长的掺丙氨酸和醉酸的晶体,利用最佳切割方法可使热释电优值因子有明显改善,而且双掺杂晶体不象纯晶体那样容易解理,所以工艺上容第卷第期红外技术总一易做到斜切。陈至 立,姚熹等曾在实验 中发现,妇陶瓷在直流偏置 下有可逆热释电效应,可以使热释 电性能有很大 改善。初步实验结果表明,热释电系数可提高一个数量级,适用于发展新型热释电探测器,研究工作有待深入。现在还没有系统地从晶体基本结构出发,来计算晶体的热释电系数、介电常数、比热以及这些参数的温度关系的 理论分析工作,所以,不可 能从 晶体结构来预示 哪种材料可能在提高探测器性能方面有所突破。二、推广应用中对探测器可靠性的要求据报道,日本每年对热释 电红外探测器的需要量为万只,其中约万只要从国外进口,说明推广应用有很好的前景。国内推广应 用热释 电红外探测器的工作还处于初创阶段。随着企业厂长、经理负责制的推行,居民生活的改善,个人财产增加,防火防盗用传感器必将得到广泛应用。在推广应用中,器件和整机的可靠性和稳定性是至关重要的,否则会出现停滞不前的局面。下面以红外入侵报警器为例来说明提高整机可靠性对传感器的要求。设为虚假报警率,定义 为每秒钟 内每一台报警器的可能虚假报警,其倒数为平均无故障时间,缩写为。象所有系统的硬件一样,被动红外入侵报警器的稳定性可用人所共知的“浴盆”曲线来描述图。曲线由三部分组成初始损坏期,正常工作期和耗尽期。由图可知,初始损坏率相当高,但很快下降。这一时期的失效率是由已经损坏或潜在有缺陷的元器件引 起的。仔细选择和测试系统中所用的各种元器件可以降低初始失效率。使用寿命期是平坦的直线区,其失效率与系统设计和装置的类型有关。使用寿命一奏丫竿常腆犷一一一一一一心卜、士川图失效率与使用 时 间关系的“浴 盆”曲线般为、年,时间长短与工作环境有关,如工作区的温度和湿度。最后一段为损坏期,主要是 由于元器件的氧化。传感器是报臀器的心脏,从可靠性角度考虑,在现有各种材料制成 的探测器中,晶体比较好,不会发生水解,在低于居里温度时不会发生退极化。而、陶瓷和聚合物可能由于结构改变而引起退极化,产生不可预料的信号输出而引起虚假报替。用适当的 晶体处理工艺来尽量消除晶体位错和内应力。,器件在使用的第一年已经观察到剩余的缓慢老化过程,进行有控制的预先老化可以使这一影响减小到最低限制。很多应用中,在几星期或几个月内,可能观察到信号和噪声同时发生微小的降低。应该指出,这种老化过程不会影响器件的灵敏度。器件阻抗很高,必须用阻抗变换器,包含有高值电阻和场效应 晶体管,电阻要求低噪声的。要使传感器在低频区。有很好的灵敏度。在考虑 电时间常数时,还要注意环境温度变化时能使晶体通过电阻放电,晶体的温度变化时约可产生好详总,一热 释电材料 和器件发展近况年一月电压,要求缓慢释放这种 电荷。对要求高度可靠的报警器,还必须考虑粒子等外来粒子可能使报警器产生的信号,很多情况下会产生虚假报警。用低噪声场效应晶体管和掺铀的热释电陶瓷材料制成的传感器,一年中有几次不可预料的虚假报警。使用传感器时,要配用小栅极面积的场效应 晶体管,以减小粒子的射中几率。如果只有粒子引起的虚假报警,这 时的可达到年。对阻抗变换器的另一要求是,在或更大 的射频电磁场中,入侵报替器仍能可靠工作。从 电路取得射频能量输入传感器,经场效应晶体管的栅极二极管整流产生直流输出而常引起虚假报警,所以要求电路与传感器的分布电容尽量小,并把硅或锗滤光片与外壳做成电学连接,而使敏感元件有一个 良好的电磁屏蔽外壳。可以从理论上计算虚假报警率和探测器信噪比之间的关系。假设只有电学噪声而且遵顺高斯分布,工作温度为时,峰值信噪比犷,的系统,相应的“弓一,即为,当沪时,年。而在环境下 工作时,室温下侧得的犷矽的系统是不能正常工作的。三、磁控溅射薄膜日本大 阪大学,京都大学等正在研制热释电薄膜材料,性能已经超过脚瓷的水平,特别适用于制作一维或二维探测器列阵。用戮射方法生长的薄膜材料,不甜要经过极化处理就有优异的热释电和介电性能,而且均匀性很好。这种材料将受到重视。戮射法生长的薄膜用单晶作基底,的晶格常数和对称性与晶体相似。为了侧量薄膜的热释电性能,需要在基底上先浓射一层怕,厚度约为林,基底退度,戮射气氛是盔和氧的混合气体,气压为汞柱。靶材料是粉末纯度为和粉末纯度为。把充分棍合的粉末装在直径为英寸的浅底铜盘 中,表面要经溅射腐蚀,基底固定在铜质加热块上,沮度用铂佬热电佣来侧盘。薄膜的戮射条件如表所列。溅射前的剩余气压为火一汞往。用上述方法制得的。薄膜是钙钦矿结构,林厚的薄膜几乎是透明的,略显黄绿色。取向率为的薄膜样品侧得一,。,各之间。已侧得不对称的电滞回线,平均矫顽场强。,平均剩余极化强度尸,卜气。溅射薄膜的热释电优值为陶瓷材料的倍,而且均匀性好,可用来制作列阵。衰菊成派射工艺条件靶基底距离愉入功率密度溅射气氛气压基底温度沉积速率盖也”第卷第期红外技术总一四、热释电热象传感器门英国皇家信号与雷达研究所,郎公司已经制成热释电热象传感器。据年月报道,用元线性列阵探测器和硅多路传输电路藕合观察到清晰的热图象。表列举了三种不同频率下,根据已知的探测器性能以及硅 电路参数计算得到的理论值和测量得到的噪声等效温差之间的比较。另据报道,已经制成又元的列阵,它所得到的热象相当 于热释电摄象管或低性能的前视仪的图象。表热释 电理论值与洲皿值比较调制频率幻响应测量理论参考文献,丁,力刀,魂,仑犯,王民等,物理学报,第卷,第期,第页,魂,。幻,口,。,铭,侧探测器 的进展汤锦亚昆明物理研究所【提要】本文迷评 了红外探测器研制过程中的儿个问题。介绍了调制传递函数和空问分辫率 的改善情况,指出对于探测器,要求载流子寿 命较长,且扩散长度又短。最后,介绍了目前国外发展的种探测器列阵的构形及其主要制备工艺。本文于匀年月日收到。