微测辐射热计的热学分析.pdf

收稿日期!#$%$!&!微测辐射热计U%2的热学分析王享田!宋建伟!吴志明!蒋亚东 电子科技大学 光电信息学院#四川 成都+!P$摘!要!微测辐射热计?推出的!;!./!;!.对其热性能作了分析 分析了桥面尺寸的减小对探测元被红外辐照后的温度变化率的影响 以及单个探测元在受红外辐照和偏置脉冲时的温度变化 并使用有限元分析软件9)L)1&模拟了单个热绝缘结构在稳态工作时的温度场分布!关键词!微测辐射热计!有限元!热设计!温度场中图分类号!89!%!文献标识码!文章编号!%$;1:1!;#)$-Z$-N 7-3/4.2 0 4.5 B(B8 L(6 3 8:8.8/-&-3U%27 9L I E S M A B 6 7 8 8.8 A&8-.-6&3 8 0(6;0 8 3/4&(8 0$M 0(Q-3 B(&58 58 =D+!P$)E F#2:B&3 4 6&%!8 J G(J G Q.I FS G V*B AM R(J G.*4 Q M P M F M.G(G Q?$*(V(J G Q.I FT G Q R M Q.I A 4 GI A S(J GG R R G 4(4 M.*A BR Q M.(J GS*.G A V*M A4 J I A B GM R(J G.*4 Q M P M F M.G(G Q I Q GI A I F O 6 G SI VW G F F I V(J GU I Q*I(OM R(J G(G.T G Q I(D Q G R M Q IS G(G 4(M Q4 G F FD A S G Q(J G*A R Q I Q G S*Q Q I S*I(*M AM QP*I VT D F G&8 J G(G.T G Q I(D Q G R*G F ST Q M R*F G*VV*.D F I(G SP OD V*A BR*A*(GG F G.G A(I A I F O V*VV M R(W I Q G?I O(J G M A*A R Q I Q G SM T G Q I(*M A V#设计并已经投产的!;!./!;!.微测辐射热计的一个探测单元&微桥支撑结构的材料为具有良好红外吸收性能的)*-9#$桥腿厚&;!.$桥面厚&1!.$上面淀积厚度为&%!.的8+材 料?5$桥 面 距 衬 底%!.!(&与双层结构相比$三层结构将桥腿完全隐藏在上表面的红外吸收层之下$这就相对地增大了有效红外吸收层的面积&另外被作为电学通道和支撑臂的两条细长的桥腿设计的更长$这将有效地减+Z-+,半导体光电-!;年-月第!:卷 增刊王享田 等#!微测辐射热计 的热学分析#少通过桥腿热量的流失!这两点都有利于提高微桥表面热量的稳定性!有利于探测器的性能的提高!而这种结构在半导体工艺上的难度相比双层结构并未增大图%!;!.微测辐射热计三层微桥体结构-!稳态热学理论分析对于非致冷微测辐射热计来说!除吸收红外辐射产生热量外!偏置脉冲电流也会在桥面产生焦耳热而这种焦耳热是红外辐射产生热量的好多倍!它将对微桥器件有很大的影响!所以在实际分析中我们必须对这两种生热方式都有很好的了解首先我们基于传热学的理论对微测辐射热计的温度特性进行研究在未施加偏置脉冲电压时!可以得到探测元在温度为;时的热平衡的简化方程为#-$(S%;&S4-+%;&%NG f T%a+4&%&!施加电脉冲偏置后!上式可以修正为(S%;&S4-+%;&%NG f T%a+4&-)$%!&式中 像元敏感区具有热容量为(!主要热损耗机理的热传导为+!包括辐射热导+Q_&IO!固体传导热导+V_1#M;-和对流热导+B_三部分!为传热通道的热导率!&(I和O分别为传热通道的宽(高和长!M为辐射面的有效辐射面积!假定功率幅度为N的瞬时调制红外辐射落到该像元上!吸收率为%!辐射调制角的频率为+!则像元敏感区的温度增加%;#!稳态工作时探测元的温升$I!红外辐射热下探测元温度变化率的研究假设我们最终完成的微测辐射热计的工作参数如表%所示表!#P!/微测辐射热计的工作参数参数数值阵列%9/8&8+薄膜电阻尺寸)!.-热容量()%*2$%&8+材料方块电阻#W)N#帧频.)5 6偏置时间4V)!V偏置脉冲电压A)热导系数2)%7*2$%&吸收系数#波长范围)!.半束角*)%g&工作温度;()2S)S;(-/!#!;/!;/&%-/%$3Z;%?5&!#-;%/%$Z&11%#-1/%$;红外辐射占据的电磁波段在大气窗口主要分布在-;!.和1%#!.!而1%#!.红外射线的透射率更高器件工作时!目标和环境红外辐射将通过光学结构照射到微桥表面的探测元!光学结构的!数可通过!A M_%)!V*A*来确定!其中*为入射辐射半束角物体的辐射率由普朗克定律给出%!I K!#(1(!(%S(;#G f T%I K);(&*%$%-&!从辐射率为的远处物体以半束角为*入射到传感器前表面积,上的红外辐射功率为#-$N(%$,V*A!*%#&从而可得探测元的温度变化率%.;.;(%.;.N(.N(.;%2,#/A MSS;(%;&!从式%;&可以看出!在其他情况不变的情况下!%与,成正比!所以当微桥面的面积变为原来的%)#时!%也将变为原来的%)#!相应的探测元产生的电信号也将是原来的%)#!这样我们将在信号的读出方面遇到困难假设我们要完成的微桥在如表%所示的参数下工作!利用式%;&对%计算!可求出在环境温度每变%j的情况下探测元的温度将变化-&-.2!温度变化率%_&-0!小于;!.结构的探测元%0的变化率#$I#!偏置脉冲引起温升的研究通常红外辐射引起探测元的温升很小!探测元的电阻变化相应地也就很小!所以必须施加偏置脉冲电压!否则要读出这一微弱信号是非常困难的*1-*KL;)F*M)N C%N K 1 K)N C F;)!O 8.I#+D A A.-/-0&L 4 3 6 7#P#而偏置脉冲产生的焦耳热将是红外辐照产生热量的很多倍!所以在实际分析中必须考虑焦耳热的影响;#$假设我们最终将完成阵列为9/8的 (%N(%A!#(%&A%!&E%I#W(84V&:!从上式可以看出!%;与E成反比关系!所以在像元尺寸减小而其他参数不变的情况下!单个偏置脉冲产生的热量将使探测元的温升%;增大$如果我们最终完 成 的 的参数如表%所 示!则 据式&:可以得出在一个脉冲电压下探测元的温升为&12$在一个偏置脉冲周期内!探测元的温度变化如图!所示$探测元被偏置脉冲电流加热温度快速上升!在帧周期其他行被偏置并读出的时间段内!将有一部分热量分别从桥腿流失和以辐射方式流失$由于微桥有良好的热隔离作用!探测元温度只能缓慢降低!因此!在探测元刚开始工作的周期内!在下一个偏置脉冲电压到来之前!它的温度一般不会降低至基底温度$对于!;!.微测辐射热计!由于桥面的减小和桥腿的变长!它的降温曲线将更加的平缓!将使噪声信号减小$图!单个探测元在一个偏置脉冲周期内的热响应曲线单个探测元在持续偏置脉冲电压作用下!它的热响应曲线如图-所示:#$当探测元的温度上升到足够大后!探测元从一个偏置脉冲电流吸收的热量等于它在一个周期内未被偏置时流失的热量时!探测元的温度最终将波动稳定在一个很小的范围内$图-!在偏置脉冲电压下一个探测元的热响应曲线;!微桥的模拟热学分布分析分析微测辐射热计的经典理论模型!可以正确得出探测器的性能参数!但无法从微观的角度分析热绝缘结构的变化对探测器性能的影响!也无法了解整个探测单元上温度的分布与变化$我们使用有限元分析软件9)L)1&来模拟分析微桥在稳态工作时的热学分布!如图#所示$图#!;!.三层微桥在稳态工作时的热分布微测辐射热计的两条)形的桥腿&)*-9#都与恒温的硅基底相连!故可以假定其与基底接触端为衡定温度-2$假定在脉冲电压及红外辐照下!桥面的最终温度将衡定在-12$由图中可以看出!在稳态时整个桥面的温度分布均匀!温度从桥面沿桥腿到硅基底缓慢降低$由于桥腿的增长!温度的变化更加均匀!有利于提高微桥结构的稳定性$:!结论使用!;!.微测辐射热计 制作的红外探测器相比以往;!.技术具有更小的体积和更低的成本!是实现高分辨率的基础$分析发现随探测元表面尺寸的变小!单个探测元在红外辐照下的温度变化率将相应变小$对探测元的?5薄膜在一个偏置脉冲电压下的温升进行推导发现!探测元尺寸减小后偏置脉冲产生的热量将使探测元的温升%;增大$使用有限元分析软件对这种三层微桥结构在稳态工作时温度场进行模拟后发现!在桥腿增长后!桥腿上的温度均匀变化!这种结构有利于减少能够对微桥结构造成破坏的热应力$!下转第#页(3-()半导体光电*!;年-月第!:卷 增刊王享田 等#!微测辐射热计 功能的实现 电路设计的过程中还没有对电路噪声性能进行重点设计#从测试的结果来看 电路本身的积分线性度和均匀性也不是很好#另外运算放大器在版图中所占用的面积很大 这使得整个电路版图的面积也很大!在下一步的研究中 为了提高电路的性能 这些都是应该详细考虑的!参考文献!$%!H%3 3:!Z#Z-E#1;&$!%!*F I 4 J G U&A R Q I Q G SR M 4 I FT F I A GI Q Q I O V)(I(GM R(J GI Q(I A SS G U G F M T.G A(Q G A S V$%&Q M 4&)H!-;%!:;!E 1;&$-%!李仁豪张!坤&#/!1 18,+,信号读出电路$%&半导体光电!%(增刊);:E:%&$#%!霍布森)&电荷转移器件$%&北京 人民邮电出版社%3 1-&$;%!&H?5 I A S P M M N$2%&d)H%3 3-&-%:E-%3&$:%!)I A B V(G Q8 G G Q 2&X D 4 N G(E P Q*B I S GG F G 4(Q M A*4 V$9 G WT M V V*P*F*(*G VR M QS G F I O(*.G E I f*V4 M A U G Q V*M AI A SV 4 I A A*A B$%&H H H&)M F*S E)(I(G+*Q 4 D*(V%3:3#(-)%-%E%-:&$Z%!毕查德*拉扎维&模拟+?)集成电路设计$%&西安 西安交通大学出版社!-&$1%!谢文青&积分时间和积分电容对紫外焦平面性能的影响$%&中国光学学会!#年学术大会论文集$+%&/!#&!上接第-:页;!结论本文介绍了利用*4 J G F V M A干涉仪测量+,调制传递函数的方法 与其他方法相比 该方法具有测量装置简单+将正弦图样投射到待测+,阵列上无需借助光学系统等特点!利用组装的*4 J G F V M A干涉仪调制传递函数测量系统测量了典型的线阵和面阵+,的调制传递函数!参考文献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上接第-3页参考文献!$%!A S G Q V M AX Q I S F G O,+J G A,+G(I F&H!-;Z#!Z$Z 1:=&-&$!%!D Q T J O,I O 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