学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

微机械反射式光读出非制冷红外成像阵列器件研究

作　者: 杨广立
导　师: 熊斌
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微机电系统反射式光读出非致冷红外成像阵列器件双材料梁-微镜一体化热-机械灵敏度等效噪声温差
分类号: TN216
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 232次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

近年来，随着MEMS技术的发展，基于MEMS技术的光读出非致冷红外成像器件由于不需要昂贵的致冷设备和复杂的读出电路，成为研究的热点。本文研究了针对8-14μm红外波段的反射式光读出非致冷红外成像阵列器件。像元基本结构为：一个起吸收红外辐射和反射读出可见光作用的微镜、两条对热感应的双材料梁、两条防止热量过快散失的绝热梁和两个起支撑固定作用的锚点。论文首先介绍了像元的理论设计基础。并针对双层材料结构的微镜自身由于双金属效应发生的弯曲，提出了两种具体的像元结构，分别为微镜在双材料梁延长方向上的a像元和在回折方向上的b像元。论文重点研究了了梁长、绝热梁与双材料梁的长度比值和工作气压对像元各性能参数的影响。综合考虑各种影响，对像元结构进行了优化设计。设计出的像元的热-机械灵敏度可达到10^-3rad／K量级，NETD_device也达到了mK量级。并利用ANSYS有限元分析确定了温度补偿梁结构可以降低环境温度变化对像元机械响应的影响。论文还提出一种新颖的带有“双材料梁-微镜一体化”特征结构的像元，这种像元中的BMB-MM结构可实现三种功能：吸收红外辐射、对红外辐射产生机械响应和反射读出可见光。通过研究BMB-MM面积与长宽比和工作气压对各性能参数的影响，对像元进行了设计和优化。与a、b两种像元的比较，这种BMB-MM像元可以得到与之相当的性能，并且具有填充因子高的优势。针对所设计的像元结构，以XeF₂释放结构作为切入点，设计了制作工艺流程。在对相关关键工艺的研究中，主要研究了对像元锚点的保护，SiN_x和Al的应力平衡，XeF₂腐蚀与DRIE刻蚀硅衬底的工艺兼容性等。并测试分析了各关键工艺对像元镜面区域粗糙度的影响。搭建了红外成像器件的性能测试平台，进行了相关测试。并在数值分析中针对测试平台与理论设计的差异作了修正。测量的结果验证了热-机械灵敏度的理论结果和温度补偿结构的作用；各器件对不同温度辐射源的温度响应与理论计算结果在允许的误差范围内相吻合。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章引言  10-28
  1.1 MEMS技术  10-14
    1.1.1 MEMS技术简介  10
    1.1.2 MEMS加工工艺简介  10-14
    1.1.3 MEMS发展趋势  14
  1.2 红外探测技术  14-21
    1.2.1 红外辐射理论的建立和发展  14-16
    1.2.2 红外探测技术的发展  16-21
  1.3 基于MEMS技术的光读出非致冷红外FPA阵列器件  21-25
    1.3.1 双金属效应型  21-24
    1.3.2.载流子-应变型  24-25
    1.3.3 热光效应型  25
  1.4 本论文工作的出发点、论文内容和创新点  25-28
第二章反射式光读出非致冷红外成像阵列器件的理论设计基础  28-43
  2.1 基于反射式非致冷光读出红外成像阵列器件成像系统  28-29
  2.2 像元结构的设计原则  29
  2.3 热-机械响应  29-32
    2.3.1 热-机械灵敏度的分析与优化  30-32
  2.4 器件的红外吸收  32-33
  2.5 热响应特性  33-37
    2.5.1 像元吸收的红外辐射  33-34
    2.5.2 像元向环境释放的热量  34
    2.5.3 像元热导分析  34-36
    2.5.4 温度响应  36-37
    2.5.5 热时间常数  37
  2.6 品质因子  37-38
  2.7 机械-光强响应  38-40
  2.8 噪声等效温差  40-41
    2.8.1 像元的噪声  40-41
    2.8.2 LED光源噪声  41
    2.8.3 CCD的噪声源  41
    2.8.4 系统噪声  41
  本章小结  41-43
第三章红外成像阵列器件的设计  43-63
  3.1 像元结构  43
  3.2 像元性能分析与设计优化  43-52
    3.2.1 像元温度场和热-机械灵敏度的ANSYS模拟  43-46
    3.2.2 热响应特性  46-49
    3.2.3 机械-光强响应  49-50
    3.2.4 噪声等效温差  50-52
  3.3 像元尺寸的设计及其性能参数  52-54
  3.4 带温度补偿结构的像元  54-62
    3.4.1 带温度补偿结构的像元的热-机械灵敏度  55-57
    3.4.2 环境温度的变化对像元的影响  57-59
    3.4.3 温度补偿像元的各性能参数的分析  59-61
    3.4.4 带温度补偿结构的像元尺寸与各性能参数的总结  61-62
  本章小结  62-63
第四章 "双材料梁-微镜-体化"红外成像阵列器件的设计  63-74
  4.1 像元的设计与性能分析  63-71
    4.1.1 热-机械响应特性  64-65
    4.1.2 热响应特性  65-68
    4.1.3 机械-光强响应  68-69
    4.1.4 像元的噪声等效温差(NETD_(device))  69-71
    4.1.5 填充因子  71
  4.2 像素单元尺寸优化设计与相关性能参数  71-73
  本章小结  73-74
第五章器件的工艺致作与关键工艺的研究  74-106
  5.1 器件的工艺流程设计  74-76
  5.2 保护锚点的工艺  76-79
    5.2.1 深槽宽度的控制  77-78
    5.2.2 深槽的填充  78-79
  5.3 PECVD SIN_x薄膜材料的生长及其相关参数的控制  79-87
    5.3.1 基于双频射频放电的PECVD原理  79-80
    5.3.2 SiN_x材料的应力调节  80-86
    5.3.3 SiN_x薄膜红外吸收  86-87
  5.4 Al膜的溅射及其相关性质的研究  87-95
    5.4.1 直流磁控溅射的工作原理  88
    5.4.2 Al和Al-1%Si材料的溅射条件和对沉积速率的影响  88-90
    5.4.3 应力控制研究  90-93
    5.4.4 Al和Al-1%Si的反射率  93-95
  5.5 SIN_x和Al的应力匹配  95-98
    5.5.1 应力平衡理论与两种材料沉积条件的选择  95
    5.5.2 释放后的像元表面轮廓  95-98
  5.6 背面刻蚀和XEF_2释放  98-101
  5.7 工艺对微镜粗糙度的影响  101-104
  5.8 器件的尺寸与阵列规模  104
  本章小结  104-106
第六章器件的性能测试  106-121
  6.1 测试系统的设计与搭建  106-108
  6.2 热-机械响应的测试  108-112
    6.2.1 热-机械灵敏度测试  108-111
    6.2.2 温度补偿结构的作用的测试  111-112
  6.3 器件对红外辐射的响应的测试  112-120
    6.3.1 器件相关热性能在常压空气中的修正  113
    6.3.2 器件接收到的红外辐射能量计算的修正  113-115
    6.3.3 对不同温度红外源的机械响应  115-120
  本章小结  120-121
第七章结论  121-124
附录各像元的弹性系数和谐振频率  124-131
  1.a、b两种像元的弹性系数  124-125
  2.a′像元的弹性系数和谐振频率  125-127
  3.b′像元的弹性系数和谐振频率  127-129
  4.BMB-MM结构的像元的弹性系数和谐振频率  129-131
参考文献  131-138
攻读博士学位期间发表的论文与成果  138-139
个人简历  139-140
致谢  140-141

微机械反射式光读出非制冷红外成像阵列器件研究

内容摘要

全文目录

相似论文