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1、http:/ -1-基于基于 ANSYS 的的 LiTaO3 薄膜红外探测器热分析薄膜红外探测器热分析1 谢明君1，黄大贵1，张德银1,2,董政1 1 电子科技大学机械电子工程学院，四川成都（610054）2 中国民航飞行学院航空工程学院，四川广汉（618307）摘摘 要：要：本文利用有限元软件 ANSYS 对 LiTaO3薄膜热释电红外探测器进行热分析，改变敏感元绝热层的厚度，绝热层的热导率，基底的厚度及衬底材料，并给出不同参数的热分析结果对比。分析结果表明，探测器的响应随绝热层的厚度增加而增加，随绝热层的热导率降低而增加，在硅，镍，蓝宝石三种基底材料中，使用蓝宝石的探测器的响应效果最佳，在
2、绝热层厚度为 2m的情况下，基底的厚度对探测器的响应的影响很小，可以忽略不计，对探测器的设计具有指导意义。关键词关键词：ANSYS；LiTaO3；热释电；薄膜；热分析 1.引言引言 某些强介电物质的表面受了红外线的辐射能量，其表面产生温度变化，随温度的上升或下降，在这些物质的表面会产生电荷的变化，这类现象称为热释电效应。钽酸锂（LiTaO3）是一种氧八面体结构的铁电材料，由于居里点高（620），热释电系数大（2.310-8C/cm2K），而相对介电常数小（54），非常适合做热释电红外探测器的敏感材料。利用热释电效应制作的红外探测器具有无选择性，体积小，无需致冷，成本低廉的特点，有着广泛的应用前
3、景。但是与传统的光子型探测器相比，响应率低是其一大缺点，探测器设计的一个难题是如何提高探测器的响应电流。由于硅基底的高热导率，热释电薄膜吸收的红外辐射能量产生的热量大量的散失，是造成探测器响应率低的重要原因。因此降低热散失，提高热绝缘度是提高探测器响应的关键之一。提高热绝缘度可通过设置热绝缘结构来实现或者在衬底与下电极间增加一层热导率低的薄膜作为绝热层1，热绝缘结构主要有悬空结构，空气隙结构及微桥结构2，这三种结构虽然能够在一定程度上阻止热流由热释电薄膜向高导热率的硅基底散失，但是也存在工艺复杂，成品率低及抗振性能差的缺点，由多孔二氧化硅作为的绝热层可以提高热绝缘度，并可提高热绝缘结构的机械强
4、度3，因此是比较好的解决方法。本文利用有限元软件 ANSYS 9.0对 LiTaO3薄膜红外探测器进行热分析，找出了影响探测器响应特性的结构因素。2.一维热传导理论一维热传导理论 针对薄膜探测器来说，厚度相对于横向尺寸极小，因此横向散热可以忽略不记，同时假设辐射以平面波的形式入射，相关问题就变为一维热传导的求解问题。热释电薄膜内的传热方程可用公式（1）表示：22xTcKtT=(1)其中 T 为温度，t 为时间，x 为距离，K 热导率，为材料密度，c 为质量比热。探测器的响应电流由公式（2）确定：dtdTRAip=(2)1本课题得到教育部博士点基金（60572007）和国家自然科学基金（2004
5、0614004）的资助。http:/ -2-其中是辐射吸收系数，R 是热释电系数，A 为吸收面积，dtdT是热释电层的温度变化率.这样一来，响应电流的求解就归结为求解22dxdT，只要求得任意时间点下薄膜内的温度分布，就获得该时间点下点22xT，从而得到响应电流。在，R，A 不变的条件下，响应电流的大小与dtdT成正比，也就是说dtdT越大，探测器的响应电流就越大。3.仿真分析仿真分析 3.1 模型的建立模型的建立 使用有限元软件 ANSYS，可以很方便地对探测器的敏感单元进行热分析，可以得到模型任意时间点的热场分布，进一步即可求出 dT/dt，获得影响探测器响应率参数。针对 LiTaO3薄膜
6、红外探测器的敏感单元，建立如下模型，其截面如图 1 所示，由最上层开始依次为：吸收层，上电极，热释电层，下电极，缓冲层，绝热层，基底。膜面积尺寸取为100100m。在 ANSYS 中取模型截面建立模型，采用 PLANE 55 单元，层与层之间使用 glue 的方式连接，各层的材料特性参数及厚度 如表 1 所示：图 1 探测器敏感元结构图 表 1 复合层膜的材料特性表 结构 复合膜结构(厚度m)比热(c)1).(kgj 密度(p)31210 mg 热导率（k）11410KmW 衬底 Si(20)O.702 2.328 1.24 绝热层 2sio(2)0.787 1.320 O.0002 缓冲层
7、2sio(0.5)0.787 2.202 0.0138 下电极 Pt(0.15)O.134 21.45 O.716 热释电层 LITAO3(1)0.25 7.45 0.46 上电极 Au(0.1)O.130 19.32 3.00 吸收层 Gold black(Au)(0.5)O.130 O.345 O.02 3.2 施加载荷施加载荷 根据实际测试条件，假定黑体辐射源温度为 500K，吸收层表面温度为 293K，黑体辐射孔的直径为 1cm，吸收层距黑体辐射孔的距离为 20cm，入射到吸收层的热流密度可由式（3）确定：2404LA)TTHeatFlux=（(3)为斩波器的调制系数，对于正弦调制取
8、1/22，T 为黑体温度，T0为环境温度，Ahttp:/ -3-为黑体辐射孔面积，L 为黑体辐射孔到探测器辐射面的距离，为斯忒藩波尔兹曼常数（42121067.5KcmW）可求得热流密度为2131096.6mW。设定初始温度为 0K，将温度载荷 0K 施加到基底下表面作为第一类边界条件，并将热流密度2131096.6mW施加到吸收层表面作为第二类边界条件。进行瞬态分析，时间为 1s，共分为 60 个载荷子步施加载荷。3.3 结果讨论结果讨论 图 2 是受红外照射 1s 后有绝热层和无绝热层的热释电层温度分布图，取热释电层厚度为横坐标，方向为由下电极指向上电极。纵坐标为温度，可以明显的看出 t=
9、1s时，热释电层内的温度分布，有 2m绝缘层的为 0.224E-4K 远大于无绝缘层的 1.17 E-61.23E-6K。因此绝热层对于减少热损失，图 2 热释电层温度场的分布 提高探测器的响应有非常大的帮助。为了确定绝热层厚度对于响应速率dT/dt的影响，分别对绝热层厚度为0m,0.5m,2m,10m,30m的模型进行分析,并将其结果进行对比，由图3我们可以看出在1E-6s之前，绝热层膜厚对dT/dt的影响不大,在1e-5 s到0.1s的时间段内随着绝热层薄膜厚度的增加，dT/dt明显增大，在10m以上变化也趋于平稳，绝热层的厚度为10m左右是比较适合的，在0.1s以后由于传热方式由非稳态传
10、热变为稳态传热，因此dT/dt慢慢趋近于零。这也反映了热释电红外探测器对温度随时间的变化率做出响应，只在斩波、脉冲或其他形式的调制辐射作用下才有信号输出的特性。图 3 不同绝热层厚度的温度变化率随 图 4 不同绝热层热导率的温度变化率 随时间的变化曲线 随时间的变化曲线 当绝热层的热导率分别为117102KmW，118102KmW，119102KmW时，分别对模型进行瞬态热分析，热释电层的 dT/dt 与时间 t 的关系见图 4，在61Es0.1s这段时间内，随着绝热层热导率的降低，dT/dt逐渐升高。也就是说，其他条件相同时，绝热层 的热导率越低，探测器的响应电流越大，而且影响是显著的。ht
11、tp:/ -4-图 5 不同材料基底的温度变化率 图 6 不同厚度基底的温度变化率 随时间的变化曲线 随时间的变化曲线 当基底的材料分别为Ni,Si,蓝宝石的时候,如图5所示，探测器的响应率有在1e-3s到1s较大的不同，采用蓝宝石和镍为基底的响应性能最佳，两者性能相当，其次为硅。在绝热层厚度为2m的条件下，分别使基底的厚度为60m，120m，240m，360m进行分析。由图6可以看出不同厚度的基底条件下，热释电层的dT/dt几乎是一致的,差别很小，说明在绝热层的绝热作用下，硅基底上散失的热量已经很小，以至于厚度相差6倍的硅基底对探测器电流响应的影响可以忽略不记。4.结论结论 本文使用有限元软
12、件ANSYS对LiTaO3薄膜红外探测器进行了热分析。根据试验的条件，对不同绝热层的热导率，不同绝热层厚度，不同基底材料，不同基底厚度的模型分别进行了瞬态热分析，得出结论：探测器的响应与绝热层的厚度成正比与绝热层的热导率成反比，蓝宝石作为基底要优于镍和硅。在2m的绝热层的作用下，硅基底的厚度对探测器的响应得影响很小，可忽略不计，绝热层对于防止热散失具有明显的效果，这些都对我们进行探测器结构设计有着重要的指导意义。http:/ -5-参考文献参考文献 1 Antoni RogalskiInfrared detectors：an overviewJInfrared PhysicsTechnolog
13、y，200243：187210 2 D Lienhard and B Ploss A matrix formalism for the simulation of pyrodectric sensorsJ Journal of Applied Physics，1995171：54265433 3 李靓，姚喜，张良莹。非制冷薄膜红外探测器绝缘结构的研制A，半导体学报，2004.7：847851 4 Francois Cardarelli.Materials handbookMLondon:springer，1999 5 ZHANG De-Yin,HUANG Da-Gui,DONG Zheng,P
14、reparation of the multi-layer LiTaO3 Infrared-detected functional thin film,Proc.of SPIE Vol.6149(2-5 November 2005,Xian,China),614911-1614911-5.6 王三红，昊小清，姚熹。复合热释电薄膜红外探测器的制备和性能测试A，西安交通大学学报，2001，2：146148 Thermal Analysis of LiTaO3 Film Infrared Detector Based on ANSYS Xie Mingjun1,Huang Dagui1,Zhang
15、Deyin1,2,Dong Zheng1 1School of Mechatronics Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu（610054）2Aviation Engineering Institute,Civil Aviation Flight University of China,Guanghan,Sichuan（618307）Abstract In this paper thermal analysis of LiTaO3 film infrared detector
16、based on ANSYS is presented.We changed the thickness of thermal-insulation layer,the thermal conductivity of thermal-insulation layer,the substrate material and the thickness of substrate and gave out the contrast of the results.The analysis manifests that the response of IR detector increases with
17、the thickness thermal-insulation layer and is in inverse proportion to the thermal conductivity of thermal-insulation layer.Among Si,Ni,sapphire,IR detector with sapphire substrate has the best response character.Besides,the influence of thickness of substrate is so little to the response of IR detector that can be ignored when the IR detector has a 2m thermal-insulation layer.The analysis is meaningful for the design of the detector.Keywords:NSYS,LiTaO3,pyroelectricity,film,thermal-analysis