http://www.paper.edu.cn-1-基于ANSYS的LiTaO3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11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，在绝热层厚度为2mµ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：ANSYS；LiTaO3；热释电；薄膜；热分析1.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（2.3×10-8C/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度[3]，因此是比较好的解决方法。本文利用有限元软件ANSYS9.0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∂∂⋅=∂∂ρ(1)其中T为温度，t为时间，x为距离，K热导率，ρ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：dtdTRAipη=(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（20040614004）的资助。http://www.paper.edu.cn-2-其中η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η，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3.1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100100×mµ。在ANSYS中取模型截面建立模型，采用PLANE55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mµ)比热(c)1).(−kgj密度(p)31210−⋅mgµ热导率（k）11410−−−⋅⋅KmWµ衬底Si(20)O.7022.3281.24绝热层2sio(2)0.7871.320O.0002缓冲层2sio(0.5)0.7872.2020.0138下电极Pt(0.15)O.13421.45O.716热释电层LITAO3(1)0.257.450.46上电极Au(0.1)O.13019.323.00吸收层Goldblack(Au)(0.5)O.130O.345O.023.2施加载荷根据实...
