依托半导体生产线开发了基于MEMS微桥结构的微测辐射热计（micro-bolometer）器件，其中，使用化学气相沉积（CVD）技术开发了非晶硅（α-Si）薄膜工艺，并将其用作微测辐射热计器件的敏感层材料，该材料在1000 Å厚度下的膜厚均匀性可以控制在2%以内（1-sigma，within wafer），电阻均匀性可以控制在2%以内（1-sigma，within wafer），其室温下的电阻温度系数（TCR）可以达到−2.5%左右；采用先刻沟槽工艺技术开发了MEMS微桥结构的接触模块，以无支撑柱结构实现了其支撑和电连接结构；使用Ti/TiN薄金属薄膜作为电极层，并利用电极层图形实现该敏感层电阻器件的电连接和图形定义；开发了高性能敏感层电阻工艺技术，实现了对敏感层材料工艺损失和电极层侧面腐蚀的良好工艺控制。在完成微测辐射热计器件工艺开发后，对其进行了器件级测试和评估，结果表明：该器件室温电阻值在250 kΩ左右，且具有优异的欧姆接触特性；室温下器件级TCR在−2%左右，略低于非晶硅薄膜材料TCR的测试值；同时，对该器件进行的升温和降温测试结果表明，文中开发的敏感层材料没有滞回效应。最后，对该器件进行释放工艺处理形成悬空的MEMS微桥结构，经扫描电镜（SEM）和光学显微镜测试评估，其微桥表面呈现良好的平坦度和均匀性，能够很好地满足微测辐射热计及相应的非制冷红外探测器产品的技术需求。
微测辐射热计 MEMS 微桥结构 敏感层 micro-bolometer MEMS micro-bridge sensing material layer 红外与激光工程
2023, 52(1): 20220279
1 北京理工大学 光电学院 信息光子技术工信部重点实验室，北京 100081
2 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
3 云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南 昆明 650223
非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低等特点，在红外领域得到了广泛的应用。在**应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的**系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制冷型探测器。在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应用领域引起了广泛的兴趣和关注。文中介绍了Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。除了已实现商业化应用的Bolometer、热释电、SOI二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展趋势作了预测。
非制冷 红外探测器 热释电 Bolometer 封装 uncooled infrared detector pyroelectric bolometer package 红外与激光工程
2021, 50(1): 20211013
中国工程物理研究院 流体物理研究所, 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621999
介绍了一种用于软X射线辐射能量测量的电阻式薄膜量热计。利用电流的欧姆热效应对薄膜量热计的灵敏度进行了标定。在有基底薄膜的标定过程中, 采用一维热扩散模型, 考虑了金属薄膜向基底的传导热损失。利用电阻式薄膜量热计对聚龙一号装置钨丝阵Z箍缩产生的软X射线进行了测量, 并与平响应X射线二极管(XRD)探测器的测量结果进行了比较。实验结果表明, 电阻式薄膜量热计测量的软X射线辐射能量和辐射功率与平响应XRD探测器结果在测量不确定度范围内合理地一致。
软X射线 薄膜量热计 Z箍缩 等离子体 X射线诊断 soft X-ray bolometer Z pinch plasmas X-ray diagnostics 强激光与粒子束
2016, 28(7): 075007
介绍了一种计算多层结构微测辐射热计探测单元的红外吸收模型，并计算了所设计25 μm 微测辐射热计探测单元的红外吸收。当探测单元表面金属吸收层的方阻从2～600 Ω/□变化时，单元的吸收功率先逐渐增大，之后缓慢下降。对于300K 黑体辐射，当探测单元的吸收层方阻达到332 Ω/□时，吸收率达到最大。此时在8～14 μm 波段单元的红外吸收率平均值为72%，吸收功率为16nW。在此基础上对探测单元结构的悬空高度进行优化，得到最优的两层悬空间隙高度均为0.8 μm，最优吸收率为82%。
微测辐射热计 等效折射率 吸收率 热响应时间 micro-bolometer equivalent refractive index absorptivity thermal response time
北京理工大学 信息与电子学院, 北京 100081
微测辐射热计阵列读出电路的单芯片集成,有利于红外焦平面阵列的智能化和红外成像系统的便携化发展.提出了一种非致冷红外焦平面阵列读出电路,基于SMIC 0.18μm CMOS工艺,采用CTIA型单元读出电路结构,实现了偏置模块、驱动信号源模块、电流积分模块、相关双采样模块(CDS)和缓冲输出模块的单芯片集成,成功制造了1×8读出电路原型.仿真结果表明,设计的读出电路的线性度大于99%,功耗小于5mW,适合于大面阵移植.
微测辐射热计 红外焦平面 读出电路 单芯片集成 micro-bolometer IRFPA readout circuit CTIA CTIA monolithic integration
1 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 中国科学院纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州 215123
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 南京大学 电子科学与工程学院 超导电子学研究所, 南京 210093
提出一种基于标准黑体辐射源对宽谱太赫兹探测器进行响应度定标的方法.该方法包含一个直线型校准装置、两个定标流程和相应的模拟程序.考虑实验室温度、湿度和低通滤波器的透射特性,用该方法实现了4.2 K硅辐射热太赫兹探测器的响应度定标.对黑体辐射的傅里叶变换光谱进行测试,验证了定标程序和定标结果.分析定位了定标装置的三种主要误差来源,并提出相应的改进措施.所提定标方法适用于热释电太赫兹探测器、微型辐射热太赫兹探测器等宽谱太赫兹探测器的响应度定标.
太赫兹 探测器 响应度 黑体 滤波器 水汽吸收 Terahertz wave detector Silicon bolometer calibration Responsivity Blackbody radiation Filter Water vapor absorption
强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室, 西北核技术研究所, 陕西 西安 710024
薄膜量热计和闪烁探测系统是国内常用于Z箍缩辐射总能量测量的两种诊断手段。 两种方法基于完全不同的诊断原理, 通过对比其诊断结果可以提高Z箍缩X射线总能量测量的精度, 加深对Z箍缩的理解。 采用上述两种诊断装置对“强光一号”加速器Z箍缩实验中多种材料和构型的负载辐射总能量进行了测量。 结果表明, 对于Al丝阵负载, 无论是单排还是双排平面丝阵, 随着负载参数的变化, 两种手段总能量测量结果均发生改变且呈正比, 二者符合较好; 但对于镀膜W丝阵两种方法的诊断结果差异较为明显, 随着丝间距的增大, 量热计测量结果明显减小, 但闪烁探测系统的测量结果却变化较小, 二者不再呈比例关系。 通过模拟计算对产生上述现象的原因进行了分析, 可以得出如下结论: (1)闪烁探测系统对低能光子响应较高, 且响应能谱范围较量热计宽, 因此所有的总能量测量结果比量热计测量结果略大; (2)Al丝阵等离子体辐射能谱分布范围较宽, 主要辐射能段处于两种测量手段响应都比较平坦的区间内, 因此两种手段测量结果符合较好; (3)W丝阵辐射主要集中在1 keV以下的软X射线能段, 处于镍薄膜全吸收范围内, 因此量热计测量结果应该是比较准确的; (4)对于闪烁探测系统测量结果对镀膜W丝阵负载参数不敏感的现象, 一种可能的解释是: 随着W丝阵丝间距增大, 等离子体滞止时刻的温度减低, 导致能谱软化, 但辐射谱型向闪烁体灵敏度较高的方向移动。 因此虽然总能量降低了, 但闪烁探测系统的测量结果变化却不大; (5)辐射中电子的影响同样不可忽视。
薄膜量热计 闪烁探测系统 总能量测量 Z箍缩 等离子体 Resistive bolometer Scintillant detection system X-ray yield measurement Z-pinch plasma
1 北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北方广微科技有限公司，北京 100089
3 中国空空导弹研究院光电器件研究所，河南 洛阳 471009
非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。介绍了非制冷红外焦平面探测器的工作原理及微测辐射热计、读出电路、真空封装三大技术模块，分析了影响其性能的关键参数。与微测辐射热计设计相关的重要参数包括低的热导、高的红外吸收率、合适的热敏材料等；读出电路的传统功能是实现信号的转换读出，近年来也逐渐加入了信号补偿的功能；真空封装技术包括了金属管壳封装、陶瓷管壳封装、晶圆级封装和像元级封装。列举了国内外主要厂商的非制冷红外焦平面探测器的技术指标及近年来的最新技术进展，总结了非制冷红外焦平面探测器的技术发展趋势。
非制冷红外 焦平面探测器 微测辐射热计 读出电路 真空封装 uncooled infrared FPA detector micro-bolometer ROIC vacuum package
电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室, 四川 成都 610054
针对非制冷红外探测器系统,提出了一种恒流偏置的红外读出电路( ROIC),该电路具有衬底温度补偿功能,且可实现片上偏移非均匀性补偿.基于微测辐射热计等效电阻受目标温度、衬底温度等影响的等效模型,每个读出通道采用两个盲电阻以消除衬底温度的影响,同时使用 DAC逐点调节参考电压,以完成片上偏移非均匀性补偿.该 ROIC应用到阵列大小为 320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上,已在 CSMC 05MIXDDST02的 0.5 .m CMOS标准工艺下成功流试验片.电路测试结果表明:对于常温目标,当衬底温度变化 60 K时,输出电压变化小于 500 mV;经偏移非均匀性补偿后,阵列的固定图像噪声为 11.8 mV.该 ROIC适用于应用于复杂温度环境的高均匀性非制冷红外探测器.
微测辐射热计 读出电路 衬底温度补偿 非均匀性补偿 micro-bolometer ROIC substrate temperature compensation non-uniformity compensation
