灵敏度可调的光学读出非制冷热像元设计

周玉修,程 融,刘坚强,曾 玮,孙光厚,李 铁

(1.九江学院理学院,江西 九江 332005;2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室,上海 200050)

·红外材料与器件·

灵敏度可调的光学读出非制冷热像元设计

周玉修1,程 融1,刘坚强1,曾 玮1,孙光厚1,李 铁2

(1.九江学院理学院,江西 九江 332005;2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所 传感技术联合国家重点实验室,上海 200050)

设计了一种可见光反射型光学读出非制冷热像元结构。理论分析表明热像元的热-机械灵敏度达到0.043 deg·K-1,在热像元面积比已有报道减小75%的情况下,热-机械灵敏度反而提高至少79%。通过改变弯折梁底层金膜的面积来调节热像元的灵敏度,使其可在2.36×10-6rad·m2·W-1和9.21×10-6rad·m2·W-1之间变化。ANSYS仿真结果和理论结果吻合较好,验证了设计的正确性。

成像系统；非制冷红外热像元；光学读出；灵敏度；响应时间

Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050,China)

1 引 言

红外探测器在军事、民用的许多领域有着广泛的应用[1-3]。相对以碲镉汞(HgCdTe)为代表的量子型红外探测技术[4],热型红外焦平面阵列技术[5-8]有着室温工作,低成本、小型化的优点。同电学读出方式相比,光学读出的热型探测器有灵敏度高、重量轻、能耗小、价格低等优点[9-11]。

国内外相关研究人员开发了不同的光读出红外焦平面阵列[12-14],但阵列的热像元存在着结构复杂、制造困难、灵敏度低等问题。在阵列周期不变的条件下,热像元的灵敏度很难改变。

本文提出一种灵敏度可调、工艺简单的光读出非制冷热像元结构,并通过对弯折梁底层金膜面积的调节来改变可动微镜的灵敏度。有限元仿真结果同理论结果吻合很好,验证了设计的正确性。本研究对高性能低成本光学读出非制冷热成像系统的制造和应用有着直接的指导意义。

2 热像元的设计与理论分析

2.1 热像元的设计

热像元结构如图1所示,单元大小为100 μm×100 μm(含硅框架),主要包括弯折梁和可动微镜两部分,弯折梁和腐蚀槽的宽度均为2 μm。结构支撑层为1 μm厚的SiN,SiN的下表面有0.1 μm厚的薄层Au膜,阴影部分梁的上面有0.9 μm厚的Au层。SiN膜吸收红外辐射,微镜区域的薄层Au膜用来反射可见光。辅助腐蚀槽可以减少热像元的腐蚀时间,提高工艺良率。

图1 热像元的结构图

热像元的灵敏度S定义为在单位功率密度的红外辐射下可动微镜的偏转角度：

S=H×ST

(1)

其中,H为温度响应灵敏度,即单位功率密度的红外辐射下可动微镜的温升值;ST为热-机械灵敏度,指单位温升引起的微镜偏转角度。

2.2 可动微镜的温度响应灵敏度

可动微镜的热流方程为：

(2)

式中,C为可动微镜的热容;Tm为微镜温度;Ta为环境温度。Gtotal是可动微镜的总热导[14];qm是可动微镜吸收的辐射功率。

热平衡时,由上式可得可动微镜的温度改变：

(3)

(4)

计算得热像元的温度响应灵敏度H=3.13×10-3K·m2·W-1。

2.3 热像元的热-机械灵敏度与灵敏度

热像元的热-机械灵敏度定义为温升后微镜角度的偏转值同温度改变量的比值：

(5)

对于双层材料梁,温度的变化会使梁发生弯曲,梁自由端的角度变化[14]：

(6)

三层材料梁的热-机械方程比较复杂。由于本设计中底层Au很薄,可将三层梁结构等效简化为双层梁结构后再进行计算,如图2所示。

图2 三层梁等效成双层梁的示意图

在每段弯折梁中三层梁和双层梁对微镜的偏转效果是累加的,经过理论计算可得微镜的总偏角:

Δθ=Δθ3layer+Δθ2layer=7.53×10-4ΔT。

可得热像元的热-机械灵敏度ST=7.53×10-4rad·K-1=0.043deg·K-1,同文献[14]相比(像素元大小200μm×200μm,两种像素元的热-机械灵敏度分别为0.024deg·K-1与0.016deg·K-1),本文设计的热像元面积减小了75%,热-机械灵敏度却增加了至少79%,可以在减小非制冷热像元阵列面积的同时提升热成像的性能。

热像元的灵敏度S=2.36×10-6rad·m2·W-1,即在1000 W·m-2的红外辐射下,微镜的偏转角度可达2.36×10-3rad,即0.135deg。

2.4 热像元的时间常数

热像元的时间常数是决定图像帧频的重要因素。由可动微镜的热流方程(2)可得：

(7)

时间常数：

(8)

由式(8)可知,热响应时间常数与总的热导成反比。计算得热像元的时间常数τ=7.44 ms,即热像元的响应频率f=1/τ=134 Hz,足以满足热成像需要(响应频率大于30Hz)。

2.5 热像元灵敏度的调节与优化

由以上分析可知,我们可以通过改变微镜热导来实现对热像元灵敏度的调节。在原始方案(方案1)的基础上,通过将部分双层梁下面的Au层去掉来减小热导,增加微镜的温度响应灵敏度,提高热像元的灵敏度。但由式(8)可得,减小热导的同时也会增加微镜的响应时间。热像元灵敏度的提高是以牺牲响应速度为代价的。

下面讨论三种新的设计方案。如图3所示,方案2、方案3和方案4中每侧弯折梁中分别去掉1段,2段和3段梁下面的底层Au,其面积分别为21.8μm2,69.6μm2,149.4μm2。

图3 四种不同的热像元设计方案(a)～(d)分别代表方案1～方案4,其中灰色部分为去掉底层Au膜后的单层SiN梁

图4列举了四种设计方案的灵敏度及响应速度的对比,可见随着热导的不断减小(从设计方案1到设计方案4),灵敏度有明显的增加,但响应速度明显变慢。方案4的灵敏度高达9.21×10-6rad·m2·W-1,响应时间增加为25.3ms,响应速度下降到39.5Hz。图5显示了四种设计方案的温度响应灵敏度和热-机械灵敏度,随着热导的减小,温度响应增加明显,但热-机械灵敏度变化不大,说明灵敏度的增加主要来源于温度响应灵敏度的增加,而薄层金层面积的改变对热-机械灵敏度的影响很小。

针对不同的应用场合,我们可以采用不同的设计方案。在响应速度要求高的场合使用设计方案1,而在灵敏度要求高的场合使用方案4,在一般的场合下也可以使用方案2或3,在灵敏度和响应速度之间取得折衷。

图4 不同设计方案的热像元灵敏度与响应速度

图5 不同设计方案的热像元温度响应灵敏度和热-机械灵敏度

3 热像元性能的有限元仿真

通过ANSYS有限元仿真得到的热像元稳态温度分布及z方向形变如图6所示(以方案1为例),进而可以通过微镜偏转的角度得到热像元的灵敏度。由于仿真中并未考虑辐射热导,最后结果还需要加入辐射热导进行修正。不同方案热像元的灵敏度仿真结果如图7所示,可见仿真值和理论值非常接近,相对误差小于6%,验证了设计的正确性。

图6 在1000W/m2的热流功率密度下热像元

图7 ANSYS仿真得到的热像元灵敏度以及与理论计算值的对比

4 结 论

设计了灵敏度可调的光-机械非致冷热像元。理论计算表明热像元的热-机械灵敏度高达0.043 deg·K-1,在热像元面积比已有报道[14]减小75%的情况下,热-机械灵敏度反而提高至少79%,灵敏度达到2.36×10-6rad·m2·W-1,时间常数仅为7.44 ms,响应频率高达134 Hz。通过去掉部分弯折梁下面的Au层,灵敏度增加到9.21×10-6rad·m2·W-1,但响应频率降为39.5 Hz。不同方案热像元灵敏度的ANSYS仿真值和理论值非常接近,相对误差在6%之内,验证了设计的正确性。本研究对高性能低成本的非制冷热成像系统的设计、制备及应用有一定的指导意义。

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Design of optical-readout uncooled thermal imaging pixel with adjustable sensitivity

ZHOU Yu-xiu1,CHENG Rong1,LIU Jian-qiang1,ZENG Wei1,SUN Guang-hou1,LI Tie2

(1.Department of Science,Jiujiang University,Jiujiang 332005,China;2.State Key laboratories of Transducer Technology,Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology,

A design of optical readout uncooled thermal imaging pixel is proposed. The theoretical analysis shows that,thermal-mechanical sensitivity reaches 0.043 deg·K-1and increases by 79% at least when the pixel size decreased by 75% compared with reported ones. Sensitivity can be adjusted from 2.36×10-6rad·m2·W-1to 9.21×10-6rad·m2·W-1by changing the size of the bottom gold layer on the folded cantilever. Finite element simulations by ANSYS are in good agreement with theoretical results,which verifies the validity of the design.

imaging systems;uncooled thermal imaging pixel;optical readout;sensitivity;response time

1001-5078(2015)02-0158-05

国家自然科学基金(No.11264021);江西省青年科学基金(No.20132BAB216011);九江学院科研项目(No.2013KJ16)资助。

周玉修(1984-)，男，讲师，博士，主要从事微纳及红外敏感器件相关研究。E-mail：zhouyuxiu@139.com

2014-06-19;

2014-07-17

TN215

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.009