微测辐射热计的热学分析VIP专享VIP免费

收稿日期!!""#$%%$!!&!微测辐射热计U%2的热学分析王享田!宋建伟!吴志明!蒋亚东"电子科技大学光电信息学院#四川成都+!""P$$摘!要!!微测辐射热计[’<的热设计是非致冷红外探测器设计的难点和关键!针对\>?推出的!;!./!;!.>\[’<对其热性能作了分析"分析了桥面尺寸的减小对探测元被红外辐照后的温度变化率的影响"以及单个探测元在受红外辐照和偏置脉冲时的温度变化"并使用有限元分析软件<9)L)1&"模拟了单个热绝缘结构在稳态工作时的温度场分布!关键词!!微测辐射热计!有限元!热设计!温度场中图分类号!89!%!文献标识码!<9@LIESMAB"’6788.8<@A&8-.-6&380(6;0<83/4&(80$M0(Q-3B(&5858<)7(04$)7-0>=D+!""P$$)EF#2:B&346&%!8JG(JGQ.IFSGV*BAMR(JG.*4QMPMFM.G(GQ[’<*VIS*RR*4DF(OIASNGOTQMPFG.WJGAIADA4MMFGS*ARQIQGS.*4QMPMFM.G(GQSG(G4(MQ*VSGV*BAGS&[M4DV*ABMA(JG!;!./!;!.>\[’?$*(V(JGQ.IFTGQRMQ.IA4GIAS(JGGRRG4(4M.*ABRQM.(JGS*.GAV*MA4JIABGMR(JG.*4QMPMFM.G(GQIQGIAIFO6GSIVWGFFIV(JGUIQ*I(OMR(JG(G.TGQI(DQGRMQISG(G4(MQ4GFFDASGQ(JG*ARQIQGS*QQIS*I(*MAMQP*IVTDFG&8JG(G.TGQI(DQGR*GFSTQMR*FG*VV*.DFI(GSPODV*ABR*A*(GGFG.GA(IAIFOV*VVMR(WIQG<9)L)1&"WJGA(JG.*Q4QMPMFM.G(GQWMQNV*AV(GISOV(I(G&G-5H83=B%!.*4QMPMFM.G(GQ!R*A*(GGFG.GA(!(JGQ.IFSGV*BA!(G.TGQI(DQGR*GFS%!引言近年来$红外探测技术作为对人类感官的补充和扩展$在民用和军用方面得到广泛的应用&过去$红外探测器需要被冷却到非常底的温度"ZZ2#才能获得我们所想要的灵敏性$如今由于微制造技术的发展$特别是焦平面阵列技术的发展$使得我们有能力在常温下就获得具有很高的敏感性的红外探测器’%(&这样制得的红外探测器具有成本低)重量轻)外形尺寸小)功耗小)响应波段宽等优势$使之能够广泛的应用&微测辐射热计作为一种热探测器件$对其热性能的研究是至关重要的&相比之前;"!.的微测辐射热计$\IO(JGMA公司!;!.的三层结构的微测辐射热计具有更小的尺寸$它的单个微桥面积减小为原来的%*#$在阵列尺寸不变的情况下$单位硅片上生产的数量将是原来的#倍$而器件的光学系统的体积降低为原来的%*1$这将极大地降低整个器件的成本和体积$而且有利于在控制其体积不变的同时增大其阵列数量$为制造分辨率更高的红外探测器提供了条件&!!微测辐射热计的热学原理图%所示为\>?"\IO(JGMA*ARQIQGSMTGQI(*MAV#设计并已经投产的!;!./!;!.微测辐射热计的一个探测单元&微桥支撑结构的材料为具有良好红外吸收性能的)*-9#$桥腿厚"&;!.$桥面厚"&1!.$上面淀积厚度为"&%!.的8+\材料‘?5$桥面距衬底%!.’!(&与双层结构相比$三层结构将桥腿完全隐藏在上表面的红外吸收层之下$这就相对地增大了有效红外吸收层的面积&另外被作为电学通道和支撑臂的两条细长的桥腿设计的更长$这将有效地减+Z-+,半导体光电-!"";年-月第!:卷增刊王享田等#!微测辐射热计[’<的热学分析##################################################少通过桥腿热量的流失!这两点都有利于提高微桥表面热量的稳定性!有利于探测器的性能的提高!而这种结构在半导体工艺上的难度相比双层结构并未增大"图%!!;!.微测辐射热计三层微桥体结构-!稳态热学理论分析对于非致冷微测辐射热计来说!除吸收红外辐射产生热量外!偏置脉冲电流也会在桥面产生焦耳热"而这种焦耳热是红外辐射产生热量的好多倍!它将对微桥器件有很大的影响!所以在实际分析中我们必须对这两种生热方式都有很好的了解"首先我们基于传热学的理论对微测辐射热计的温度特性进行研究"在未施加偏置脉冲电压时!可以得到探测元在温度为;时的热平衡的简化方程为#-$(S%%;&S4-+%%;&%%N"GfT%a+4&%%&!!施加电脉冲偏置后!上式可以修正为(S%%;&S4-+%%;&%%N"GfT%a+4&-)$%!&式中’像元敏感区具有热容量为(!主要热损耗机理的热传导为+!包括辐射热导+Q_<&IO!固体传导热导+V_1#M;-和对流热导+B_"三部分!<为传热通道的热导率!&(I和O分别为传热通道的宽(高和长!M为辐射面的有效辐射面积!假定...