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1、介绍三方面内容:介绍三方面内容:1. 热电堆红外探测器热电堆红外探测器 2. 128128像素的热电堆红外焦平面阵列像素的热电堆红外焦平面阵列3. 3. 总结总结 微辐射计可以分成两个大的设微辐射计可以分成两个大的设计类别计类别 :l l “ “一层一层”微辐射计包括一个与硅衬微辐射计包括一个与硅衬底等高的微电桥,通过一个硅底上的蚀底等高的微电桥,通过一个硅底上的蚀刻槽进行隔热。刻槽进行隔热。 “两层两层”微辐射计包括一个微辐射计包括一个高于原始硅表面的微电桥,这样高于原始硅表面的微电桥,这样位于下方的硅是无损的。位于下方的硅是无损的。 像素大小 硅 电极 传感器 单层像素 两层像素 传感器
2、电极 硅 像素大小 一层和两层的微辐射计结构展示 倒装焊 信号电极普通电极 混合热隔离结构的进化过程。ROIC,读出集成电路 热电堆测辐射热计热释电物 理 效 应塞贝克效应载流子浓度迁移率 介电极化强度探 测 对 象温度梯度温度温度变化信 号电压V电阻R极化强度Q温 度 控 制不需要需要不需要/需要斩 波 器不需要不需要需要IT12T2种不同金属或半导体,通电接头处有吸放热现象12I dtdQdxTT+dTI 存在温度梯度,有电流,则除了产生和电阻有关的焦耳热,导体各部分会变冷变热,原来的温度分布就会改变。为维持原有的温度分布,导体各部分必须吸收或放出热量。dxdTIdxdQ温差电流温差电动势
3、温差电偶TVs 如果存在一个温差,热区有声子浓度增加,声如果存在一个温差,热区有声子浓度增加,声子就会从热接扩散到冷接。由于电子和声子之间的子就会从热接扩散到冷接。由于电子和声子之间的碰撞,电子会受到声子的扩散电流带来的动量的影碰撞,电子会受到声子的扩散电流带来的动量的影响,这种效应称为声子牵引效应,它将加速塞贝克响,这种效应称为声子牵引效应,它将加速塞贝克效应。效应。N型半导体的塞贝克效应型半导体的塞贝克效应(2个机理) P型半导体,多数载流子是空穴,因此热电场的极性相反,换句话说,N型半导体的塞贝克系数的符号为正,而P型为负。对于一个本征半导体,电子浓度和空穴浓度都会增加,这样热接和冷接之
4、间的电子和空穴浓度都会不同,而只有电子和空穴之间由浓度差异引起的移动才能产生塞贝克效应,而这个迁移率变化的差异比冻结范围小得多,因此这种情况较非本征情况发生塞贝克效应的几率小得多。 响应度和响应时间是测辐射热电偶的两个重要参数。但两者之间是互相制约的,不可能同时得到改善。 较好的商品测辐射热电堆的低频探测率为1109cmHz1/2 W-1,响应时间从1-10ms。冷结热结屏板铜引线铜引线 通常在设计热电偶时,着眼于响应度高,响应时间短和器件阻抗要合适。增加串联热电偶数目,可以提高响应速度,但降低了响应度,同时热电堆的噪声等效功率也会相应增加。不过,在热电堆中,每个热电偶受照面的热容量可以做得很
5、小,而整体受照面比较大,这样可以使热电堆的性能优于热电偶。 l 测辐射热电堆可分为两类:l 块状材料制成的器件l 薄膜器件Sarro等人等人 1988年年 10像素线性的热电堆红外探测器阵列像素线性的热电堆红外探测器阵列(3 3). . 德国物理技术大学德国物理技术大学 1991, Volkein 1991, Volkein 等人;等人; P型(型(Bi1-xSbx)2Te3和和N型型Bi1- xSbx薄膜构成薄膜构成一个简单的热电堆一个简单的热电堆. . 72 72个结点,个结点, 500V/W500V/W响应率响应率(4). TH利用利用N型和型和P型型PS作热电材料作热电材料 (5).
6、Honeywell 120像素的线性热电堆红外图像素的线性热电堆红外图像传感器像传感器 (6 6). . 日本防御代办处和日本防御代办处和NEC制备制备128128像像素的热电堆素的热电堆IR FPAIR FPA 利用利用N型和型和P型型PS为热电材料为热电材料2. 128128像素的热电堆红外焦平面像素的热电堆红外焦平面阵列阵列其他金属的塞贝克系数: 在00C的塞贝克系数: 铂为4.4 V/0C, 铁为15.0 V/0C , 铋为110 V/0C , 锑为47 V/0C 。热电堆热电堆IR FPA像素结构像素结构硅底层制备在硅表面单片集成结构提高填充因子,67% 8084um 450nm气隙
7、腐蚀1um牺牲层32对 热结点位于隔膜中心,冷结点位于隔膜热结点位于隔膜中心,冷结点位于隔膜外延,该处的热传导很厉害,故冷结点的温度外延,该处的热传导很厉害,故冷结点的温度总是与底座相等,因此可认为它是一个热存储总是与底座相等,因此可认为它是一个热存储器。热结点和冷结点被器。热结点和冷结点被Al层挡住以减小接触电层挡住以减小接触电阻。阻。l 将来自于热电堆的电势差施加到读出的金属氧化物半导体晶体管(MOS)的栅极上,从而控制漏电流。源极接地,而漏极电流与存储电容器相连,即CCD本身。CCD容量是2107个电子。热电堆的另一端和偏置电压相连。成像区存贮区水平CCD 扫描部分由扫描成像的垂直CCD
8、以及扫描存储区的垂直CCD和水平CCD组成,以及带有一个源跟踪放大器的漂流扩散输出。这种器件的帧速是120Hz。垂直CCD和水平CCD的时钟频率分别为17KHz和2.6MHz。该芯片垂直方向尺寸19.5mm,水平方向15.2mm。因为CCD扫描器和漂流扩散输出几乎没有噪声,因此主要噪声源是来自读出晶体管的散粒噪声。 CCD扫描器制备在一个(100)P型Si衬底上,垂直CCD和水平CCD都设计成埋沟型。它们具有重叠双层PS电极。用于图像和存储区的垂直CCD由四相时钟脉冲驱动,水平CCD由二相时钟脉冲驱动。l 封装直径大小为41mm,高度14mm。l 在215m波长由于作为红外吸收体的金黑体的吸收
9、率大于90%,因此光谱响应由光学透镜和封装窗口的透射率决定。封装窗口由带有透射10m波长增透膜的Ge构成,光学透镜的增透膜层也设计在为10m波长左右。l 热区是白色区域。l 输出位移分布为22%,该值通过模拟和数字位移校正电路校正,但没有进行增益校正。l 阵列的平均噪声等效温差(NETD)在f/1.0透镜下为0.50C。l 分辨率主要受到垂直CCD和水平CCD上的电荷迁移效率低的限制l 在这个器件里,拍摄到的16384个像素中有162个死点。l 可成像运动目标,因此我们可以认为对于非致冷红外成像,128128像素的PS热电堆红外焦平面阵列FPA的热电堆技术是可行的。优点 : 1)PS用作热电材料 ,整个制备过程就可在硅的集成电路制备厂中生产,从而该技术可以实现低价和大规模生产 2)使用冷接作为温度基准,因此不需要温度控制 器件的规格说明和性能参数 成 像 区 128128mm(V)象 素 数 128(H)128(V)象 素 尺 寸 100um(H)100um(V)填 充 因 子 67%传感器方案 热电堆传感器材料 多晶硅扫 描 器 电荷耦合器件噪声等效温差 0.5K(f=1)