电子科技大学 光电科学与工程学院, 成都 610054
建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论, 采用三维电磁仿真软件CST, 对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明, 双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后, 在保持较高的红外吸收特性的基础上, 减少了探测单元热容, 从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%, 满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。
微测辐射热计 光学仿真 小像元 吸收率 微桥结构 microbolometer optical simulation small pixel absorptivity micro-bridge structure
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 中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
太赫兹波(terahertz waves)位于红外波段与微波波段之间，相比其他波段具有高透射性、低能量性、相干性、指纹光谱以及瞬态性等特点。随着太赫兹成像技术在空间通信、雷达探测、航天航空以及生物医疗等领域的广泛应用，已经表现出传统成像技术(如可见光、超声波和 X射线成像)无法比拟的优势。本文首先对太赫兹时域光谱(THz-TDS)成像技术以及室温(非制冷)微测辐射热计太赫兹成像技术的发展现状进行介绍，再介绍太赫兹成像技术的典型应用，最后指出太赫兹成像技术在发展中存在的限制因素并给出合理的建议。
太赫兹 时域光谱 微测辐射热计 成像技术 terahertz, time-domain spectroscopy, microbolomete
1 陆军工程大学石家庄校区电子与光学工程系, 河北石家庄 050003
2 解放军 94019部队, 新疆和田 848000
在市场需求驱动下, 非制冷红外测辐射热计阵列在多个领域正逐步应用, 对其激光干扰的研究也被提上了日程。本文以多晶硅探测器为例, 结合非制冷微测辐射热计阵列的构造和工作原理, 分析了激光辐照作用下的温度响应；通过 10.6 .m连续激光的辐照实验, 得到了像元阵列进入不同损伤状态对应的激光功率范围, 分析了激光损伤的热效应机制, 指出干扰面积大于光斑面积是由于热量的“倒灌”；将战场上激光传输的影响简单等效为斩波调制, 研究了调制频率和占空比对激光干扰效果的影响。经分析得出, 在调制频率 100～500 Hz、占空比 0.1～0.5的范围内, 连续激光对非制冷微测辐射热计在传输等效调制频率较低、占空比较大的条件下能得到更好的干扰效果。
非制冷微测辐射热计 激光损伤 功率密度 损伤等级 多晶硅 uncooled microbolometer, laser damage, power densi
1 烟台艾睿光电科技有限公司，山东 烟台 264006
2 华北光电技术研究所，北京 100015
介绍了非制冷红外焦平面探测器的基本工作原理，并概括了其关键技术参数。梳理了非制冷红外焦平面探测器技术与产品的发展简史，综述了国内外相关研究及产品开发的最新进展。最后还讨论了非制冷红外焦平面探测器技术的发展趋势。
非制冷红外焦平面探测器 微测辐射热计 氧化钒薄膜 uncooled infrared focal plane detector microbolometer vanadium oxide thin film
热响应时间是微测辐射热计的关键参数，它会制约非制冷红外探测器的最高工作帧频。热响应时间的像元级测试能够真实反映传感器的物理热响应时间，为产品设计优化提供及时、有效的数据支持，因此准确测量该参数具有十分重要的意义。但目前像元级测试方法均未能有效补偿微测辐射热计的自热效应，无法精准地测量热响应时间。基于频率响应法测试了微测辐射热计的有效热响应时间。通过用电阻温度系数对自热效应进行补偿，可以精确测量物理热响应时间。通过实验分析了不同偏置电流下测得的物理热响应时间。结果表明，该方法准确度高，稳定性强。
微测辐射热计 热响应时间 自热效应 频率响应 microbolometer thermal response time self-heating effect frequency response
1 渤海大学新能源学院, 辽宁 锦州 121013
2 哈尔滨工业大学仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
为提高红外微测辐射热计的光谱吸收率, 设计一种基于表面等离激元的金属光栅促吸收结构, 研究光栅结构参数对光谱吸收率的影响规律。 以金作为光栅材料, 利用等离激元的谐振结构, 克服金属材料的高反射特性, 增强红外微测辐射热计的红外吸收能力。 通过改变光栅的结构参数, 对等离子共振波长进行调节, 提高红外微测辐射计工作波段内的光谱吸收效率。 利用有限差分法, 分析光栅参数对光谱吸收率的影响机理, 研究金属光栅的周期、 占空比和高度对光谱吸收率的调控规律。 随着光栅周期由2 μm逐渐增加到5 μm, 吸收峰的峰值波长发生明显的红移现象, 吸收峰高度呈现出较明显的下降趋势。 随着光栅占空比从0.2逐渐增加到0.5, 红外吸收峰的峰值波长向短波长移动, 吸收峰高度也逐渐增高, 但吸收峰宽度逐渐变窄。 光栅厚度对吸收峰的峰值影响不大, 当厚度达到一定程度后, 峰值基本保持不变。 峰值波长随厚度增加出现不同程度的减小, 当厚度不足100 nm时, 峰值波长减小的程度较大, 随着厚度的继续增加, 下降趋势逐渐变缓, 基本维持在10.6 μm附近。 通过分析光栅结构参数对光谱吸收率的影响机理, 对光栅结构参数的进一步优化, 大幅提高氧化钒红外微测辐射热计的红外光谱吸收率, 8～14 μm的平均吸收率达61.6%, 峰值吸收率在99%以上。 金属光栅的光谱吸收率促吸收结构研究, 对高性能红外微测辐射热计的设计具有重要的指导意义。
光谱吸收率 光栅 红外微测辐射热计 等离激元 Spectral absorptivity Grating Infrared Microbolometer SPP 光谱学与光谱分析
2020, 40(8): 2647
1 School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology, Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System, Ministry of Education of China, Beijing0008, China
2 China Airborne Missile Academy，HenanLuoyang471009，China
3 North Guangwei Technology Inc，Beijing100089，China
非制冷红外焦平面探测器（Uncooled IRFPA）像元结构从单层结构向双层结构的发展降低了探测器噪声，提升了性能。介绍了像元的MEMS结构及主要物理参数，指出双层结构与单层结构的主要差异在于像元有效面积和桥臂热导的不同。三维噪声模型是对IRFPA噪声进行分析的有效手段，其中时空随机噪声是非制冷IRFPA最主要的噪声成份。分析了非制冷IRFPA时空随机噪声的产生机理，建立了时空随机噪声模型，得到时空随机噪声与像元有效面积和桥臂热导的关系。将某款单层像元结构探测器改进为双层像元结构并进行噪声测试，实测数据证明了非制冷IRFPA时空随机噪声模型的有效性。
非制冷红外焦平面探测器 时空随机噪声 三维噪声模型 双层结构 微测辐射热计 uncooled IRFPA spatio-temporal random noise 3-D noise model double-layer structure microbolometer
电子科技大学 光电科学与工程学院, 成都 610054
基于多物理场有限元分析与理论计算相结合的方法, 采用Intellisuite软件完成了12μm×12μm微测辐射热计结构的设计与仿真, 具体工作包括: 单元结构二维版图及工艺流程设计和单元结构三维精确建模, 结合实际MEMS结构的材料参数, 进行了电学与热电耦合多物理场有限元仿真模拟分析。通过仿真优化获得探测单元的主要热电参数、响应时间和响应率, 分别为: 热导4.31×10-8W/K、热容2.69×10-10J/K、电压响应率（未经后端读出电路放大）7200V/W、热响应时间6.24ms。采用所提出的微桥设计仿真方法, 可显著提高器件设计效率和设计精度, 缩短研发周期, 可满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。
微测辐射热计 小像元 非致冷红外焦平面探测器 有限元仿真 热电耦合分析 microbolometer small pixel uncooled infrared focal plane detector finite element simulation thermal-couple
1 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
2 中国人民解放军63963部队, 北京 100000
热时间常数是基于微测辐射热计的非制冷红外探测器的关键指标参数, 它与探测器的最高有效帧频直接相关, 因此准确测量热时间常数对于器件设计和应用都有举足轻重的意义。但目前无论是探测器热时间常数的标称值还是基于单元的热时间常数现有方法的测试值, 都无法建立与探测器的频率响应特性的直接定量函数关系, 以确定探测器工作的最小帧间时间间隔。直接基于阵列器件测量热时间常数的方法, 借助低于1/2帧频的斩波调制, 通过变频时域采集, 快速傅里叶变换(FFT)等常规测试手段, 提取有效的电压响应信号, 拟合频响曲线, 能快速有效地提取热时间常数。通过实测分析, 该测量方法具有准确度高、抗干扰能力强、稳定性高、测试用时短的特点, 且均采用通用的测试仪器, 无需单独制作测试样品, 具有较高的推广价值。
非制冷红外焦平面探测器 热时间常数 快速傅里叶变换 微测辐射热计 斩波器 uncooled infrared detectors thermal time constant FFT microbolometer chopper 红外与激光工程
2019, 48(12): 1204003
