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1、第九章石英微谐振器在非致冷红外成像阵列的应用目录n n1 1：引言：引言n n2 2：用作红外传感器的石英微谐振器：用作红外传感器的石英微谐振器n n3 3：石英温度计及它们的温度系数：石英温度计及它们的温度系数n n4 4：振荡器的噪声：振荡器的噪声n n5 5：频率测量：频率测量n n6 6：热隔离：热隔离n n7 7：微谐振器的红外吸收：微谐振器的红外吸收n n8 8：微谐振器阵列的预期性能：微谐振器阵列的预期性能n n9 9：可产性和其他一些要求：可产性和其他一些要求n n1010：总结和讨论：总结和讨论一：引言n n石英晶体可以作为稳定的机械谐振器n n通过热电体性质和高Q值来决定振
2、荡电路产生的频率。n n石英谐振器用于频率控制器中的原因：1：精确度高（1414个数量级）个数量级）2：石英截面角可以提供频率零值温度系 数n n一个石英晶体在厚度模式下一个石英晶体在厚度模式下 的振动频率的振动频率 等式中的每一项都与温度有关。等式中的每一项都与温度有关。但是，但是，在一定截面角下，在一定截面角下，C Cij ij消除消除了等式中其它项的温度系数了等式中其它项的温度系数。在一定角度下，有可能获得陡峭且单调的温度在一定角度下，有可能获得陡峭且单调的温度频率特性，从而频率特性，从而用作热辐射计和红外（用作热辐射计和红外（IRIR）探测器。石英常用且具有良好特性的）探测器。石英常用
3、且具有良好特性的截面有这些：截面有这些：ATAT截面，截面，BTBT截面，截面，SCSC截面，截面，ACAC截面等等截面等等 二：用作红外传感器的石英微谐振器二：用作红外传感器的石英微谐振器n n任何热探测器的性能主要由以下决定任何热探测器的性能主要由以下决定：11：稳态响应稳态响应：是是从从热热量量源源中中吸吸收收的的能能量量，是是由由 增增加加的的温温度度，是是敏敏感感元元件件到到一一个个热热量量散散热热器器之之间间的的热热传递系数。传递系数。n n2:2:探测器的噪声相对于探测器的噪声相对于 T T产生的信号，它会限产生的信号，它会限制制 T T的最小探测能力。的最小探测能力。n n3:
4、3:探测元的时间常数探测元的时间常数 C C是探测元件的热容是探测元件的热容 n n 对对于于一一个个石石英英微微谐谐振振体体红红外外传传感感器器阵阵列列，决决定定其性能的参数是微谐振器的：其性能的参数是微谐振器的：n n（1 1）频率温度系数频率温度系数n n（2 2）噪声噪声n n（3 3）到一个散热器的热传递系数到一个散热器的热传递系数n n（4 4）热容热容n n（5 5）红外吸收系数红外吸收系数n n（6 6）形状形状 (7)(7)填充系数（如敏感面积于整个阵列面填充系数（如敏感面积于整个阵列面积的比值）积的比值）三：石英温度计及其温度系数三：石英温度计及其温度系数n n微型谐振体可
5、由不同的铁电体材料制备:例如：1：石英2：氧化锌3：砷化镓n n很久以前人们就了解了石英谐振器的温度敏感性（Heising,1946）n n石英温度计的优点：可以在很宽的温度范围内具有百万量级的绝对精度和10-6度的分辨能力。n n石英谐振器的频率的倒数是随温度单调变化的，其斜率为10-4/K。由于晶体振荡器具有低噪声性能：1/f噪声会限制对温度变化的分辨率，如在10MHz下的低噪声为10-12或更小。因此这种谐振器的噪声相对于温度起伏10纳度或更小n n微型谐振器的晶体截面的选择：可在一个宽的变化范围内选择，只要它能制成薄膜且具有良好的温度灵敏。一些可能的截面：AC截面，LC截面，Y截面，S
6、C截面和NLSC截面等。四：振荡器的噪声n n用AT或SC截面谐振器制作的具有目前水平的振荡器，它的噪声最低值：称作阿伦偏移最低值。是以Hz为单位的谐振频率。n n1 1：在在400400到到900MHz900MHz的表面声波（的表面声波（SAWSAW）谐振器中：谐振器中：噪声最低值噪声最低值 是是 到到 之间之间（MontressMontress和和Parker,1994Parker,1994）n n2 2：而而100MHz100MHz下的第三个谐波和下的第三个谐波和160MHz160MHz下的下的第五个谐波第五个谐波BAW(SCBAW(SC截面截面)的谐振器中：的谐振器中：对应噪声最低值为
7、对应噪声最低值为到到（DriscollDriscoll和和Hanson,1993Hanson,1993）。）。n n微型谐振器传感器的噪声会受到的影响：1：尺寸效应2：污染物的吸附和反吸附n n解决办法：假设噪声最低值比及理想算出的差十倍。例如：n n厚度小于厚度小于2um2um的微型谐振器中的微型谐振器中 的噪声：的噪声：主要噪声是温度变化引起的噪声；它是由热量传递时量子本身的主要噪声是温度变化引起的噪声；它是由热量传递时量子本身的特性引起的；也就是说在热量交换时伴随着光子和声子的发射和特性引起的；也就是说在热量交换时伴随着光子和声子的发射和吸收吸收。n n由该噪声引起的平均温度起伏：由该噪
8、声引起的平均温度起伏：这这种种温温度度变变化化噪噪声声本本身身也也是是一一种种频频率率噪噪声声，通通过过微微谐谐振振器器的的温温度度系系数，该噪声附加到其它振荡器的噪声源上数，该噪声附加到其它振荡器的噪声源上。五：频率测量n n在一个普通的晶体振荡器中，可以以多快速度在一个普通的晶体振荡器中，可以以多快速度测量频率是由谐振器的噪声特性函数确定的。测量频率是由谐振器的噪声特性函数确定的。n n最短测量时间是在无损分辨率的情况下用于频最短测量时间是在无损分辨率的情况下用于频率测量。率测量。它是它是 曲线上的弯曲点对应的曲线上的弯曲点对应的 值；也就是说，它是噪声最低值较低的的极限值；也就是说，它是
9、噪声最低值较低的的极限值值。n n在这个极限值下，其它的噪声源，如白噪声或在这个极限值下，其它的噪声源，如白噪声或JohnsonJohnson噪声就开始超出频率噪声的闪烁点，致噪声就开始超出频率噪声的闪烁点，致使使 随着随着 降低而上升。降低而上升。n n例子n n1：对于一个500MHz的SAW谐振振荡器，当用一个40MHz的高频截止频率 fc c 来测量时，曲线拐点为10-3秒n n2：在同样下，一个500MHz的微型谐振器的拐点处的与前面相同，如果使用40KHz的fc c，将会使 降至300微秒n n理论上讲，可以以33毫秒为帧速下依次激发1620的单振荡器的子阵列中每个谐振器，从而需要
10、在240336阵列激发252个振荡器。33毫秒内需要测量这320个谐振器就需要每个谐振器在开关、启动和测量的时限为103微秒。n n在不增加噪声的情况下，是否能降低到30毫秒取决于谐振频率、驱动水平和测量的空载时间。n n在设计一个扫描式阵列时，需要综合平衡考虑每个子阵列在驱动信号下的谐振器数目以及噪声等效温差(NETD)。在子阵列中谐振器的数目越多，在给定的驱动水平下的NETD值越高。六：热隔离n n在设计一个微谐振器阵列时，在G和C之间的取值上的考虑：1 1：要使红外探测器对给定的红外源有最大响应，要使红外探测器对给定的红外源有最大响应，应该使敏感元件到散热器之间的热传导应该使敏感元件到散
11、热器之间的热传导G G最低最低。（。（）22：但是：但是在给定的电容在给定的电容C C下将下将G G降至最低会使降至最低会使 最大。最大。（）33：减小减小C C会使会使 减小，但会增加温度起伏噪减小，但会增加温度起伏噪声声 n n微谐振器热隔离的方式：1：将微谐振器悬浮在真空中，并与电极的激励源结合。2：在微谐振器的腐蚀期间获得所需的热隔离效果。3：用自由排列的薄膜条状的机械支撑。n n优点：能获得最佳的隔离效果，在这样的布局中热量交换只通过辐射进行。n n缺点：其长的时间常数和额外的复杂性会使该阵列不适合应用在大多数装置里。n nn n返回n n我们可以制作一个又薄又窄的桥或又薄又窄的环形
12、围住谐振器，环行由桥与谐振器相连（并且对多重环是互相连接）。n n也可以做成圆形的谐振器如下图返回七：微谐振器的红外吸收七：微谐振器的红外吸收n n在谐振器上沉积红外吸收层可以提高整体的红外吸收能力n n一些红外吸收材料一些红外吸收材料:n n11：石英：石英厚的石英在和附近的吸收峰值大约厚的石英在和附近的吸收峰值大约50%50%。n n22：真空蒸镀真空蒸镀AuAu膜膜 在在17nm(34ug/cm17nm(34ug/cm2 2)临界厚度下，大约有的吸收率临界厚度下，大约有的吸收率 n n33：镍镍 n n8nm8nm的镍薄膜也是一个良好的吸收材料的镍薄膜也是一个良好的吸收材料 n n怎样获
13、得高的吸收率：怎样获得高的吸收率：n n1 1：利用：利用宽吸收范围的红外吸收膜宽吸收范围的红外吸收膜n n 让膜层的面阻值（让膜层的面阻值（188188）占自由空间阻抗（）占自由空间阻抗（377377）的一半，能吸收的一半，能吸收50%50%的红外辐射（的红外辐射（HadleyHadley和和DennisonDennison，19471947）。）。25%25%被反射，被反射，25%25%被透射。被透射。n n2：建立多个红外吸收通道。n n 例如：在谐振器的背面加上一层红外反射膜例如：在谐振器的背面加上一层红外反射膜层层。n n 3：将密封层作成一个谐振的光学腔。n n一个三层的吸收材料的
14、组成：n n第一层：金属膜（377）n n第二层：介质层n n第三层：红外反射层n n为了获得良好的谐振器性能，需要获得更多的能量。n n1 1：沉积红外吸收膜：沉积红外吸收膜n n2 2：在谐振区外镀上附加的吸收层。：在谐振区外镀上附加的吸收层。n n要同时获得足够的红外能量俘获，并得到高的红外吸收系数，对设计和制备就会有更高的要求。八八:微谐振器阵列的预期性能微谐振器阵列的预期性能 n n扫描型阵列和凝视型阵列工作的微谐振器的性能的不同：11：扫描型阵列，微谐振器受到周期性激励，扫描型阵列，微谐振器受到周期性激励，也就是说在两次测量之间存在延迟时间。也就是说在两次测量之间存在延迟时间。2
15、2：凝视型阵列，所有的微谐振器受到激励，：凝视型阵列，所有的微谐振器受到激励，并进行连续测量。并进行连续测量。n n下图给出了在两个条件下的NETD与微谐振器频率的函数关系。(a):扫描性阵列(b):凝视型阵列n nNETD与微谐振器频率的函数关系：在在在在r=1r=1下，对下，对下，对下，对600MHz600MHz的微谐振器阵列的噪声等效温差（的微谐振器阵列的噪声等效温差（的微谐振器阵列的噪声等效温差（的微谐振器阵列的噪声等效温差（NETDNETD）与）与）与）与GG（和（和（和（和 ）的函数关系）的函数关系）的函数关系）的函数关系 240336240336象素的阵列分别在象素的阵列分别在象
16、素的阵列分别在象素的阵列分别在100MHz100MHz、200MHz200MHz、600MHz600MHz、及的典、及的典、及的典、及的典型参数值比较型参数值比较型参数值比较型参数值比较：频率频率NETDNETD（K K）（MHzMHz）圆片尺寸圆片尺寸桥长桥长r=1000r=1r=1000r=1（cmcmcmcm）（umum）n n各种非致冷红外成像阵列的比较：各种非致冷红外成像阵列的比较：1 1：硅微辐射计阵列：硅微辐射计阵列（NETD=0.04KNETD=0.04K）22：铁电体辐射计阵列铁电体辐射计阵列（）（）3 3：低温冷却红外成像阵列碲镉汞、锑化铟、：低温冷却红外成像阵列碲镉汞、锑
17、化铟、硅化铂和砷化镓硅化铂和砷化镓/砷化镓铝砷化镓铝(NETD=0.01K)(NETD=0.01K)九：可生产性和其它一些要求九：可生产性和其它一些要求n n用现存的技术是可以生产小型阵列的。n n在微谐振器大型阵列实现之前，必须克服几个问题：n n1 1：需要新技术需要新技术n n2 2：需要低的缺陷密度的石英：需要低的缺陷密度的石英 n n3 3：有效地维持表面平行：有效地维持表面平行 n n4 4：红外吸收薄膜和谐振器电极的安排上需要：红外吸收薄膜和谐振器电极的安排上需要仔细设计仔细设计 十：总结和讨论十：总结和讨论n n高频微谐振器阵列有潜力成为高性能的传感器。高频微谐振器阵列有潜力成为高性能的传感器。n n1 1：必须找出每个微谐振器对散热器的热导和振荡器热：必须找出每个微谐振器对散热器的热导和振荡器热容之间的合适的平衡点容之间的合适的平衡点 n n2 2：谐振器的驱动水平和噪声特性之间的平衡谐振器的驱动水平和噪声特性之间的平衡 n n3 3：也必须找出性能指标、原片尺寸和制备难易程度之也必须找出性能指标、原片尺寸和制备难易程度之间的平衡间的平衡