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寬光譜熱釋電探測器制備與性能研究

發(fā)布時間:2020-04-09 11:48
【摘要】:熱釋電探測器與其他探測器相比具有光譜響應(yīng)寬、價格低、體積小、重量輕、室溫探測等優(yōu)點。近年來在軍事、民用、環(huán)保、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此,制備高性能的熱釋電探測器對我國國家安全及國民經(jīng)濟都具有重要意義。本論文結(jié)合室溫?zé)後岆娞綔y器的發(fā)展前沿,以熱釋電單元探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計、探測器敏感單元制備、探測器制備以及吸收材料等為重點研究目標(biāo),研究并制備了基于超薄鉭酸鋰晶片的熱釋電單元器件,探測器在黑體的激勵下實現(xiàn)紅外波段的室溫探測,在太赫茲源的激勵下實現(xiàn)太赫茲波段的室溫探測。本文的主要研究內(nèi)容和成果分為以下幾個方面:1.熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真設(shè)計了熱釋電探測器敏感元熱力學(xué)結(jié)構(gòu),構(gòu)建了基于鉭酸鋰晶片熱釋電探測器光學(xué)吸收膜系,提高了吸收膜系的輻射吸收率。相對于傳統(tǒng)的熱釋電探測器,采用熱絕緣性能更好的支撐立柱結(jié)構(gòu),一層金屬薄膜用作輻射吸收層增加在敏感元結(jié)構(gòu)頂層,利用金屬薄膜的電阻損耗吸收輻射能量,同時,增加探測單元表面積,利用高表體比金屬薄膜提高輻射的吸收量。設(shè)計了四根支撐立柱的探測單元支撐結(jié)構(gòu),建立了基于此結(jié)構(gòu)的有限元分析模型,對其進(jìn)行熱學(xué)仿真與力學(xué)仿真,研究此支撐結(jié)構(gòu)情況下敏感元溫升變化和形變變化情況。仿真結(jié)果表明:敏感元大小尺寸1.2×1.2mm~2,橋腿寬度150×150μm~2,采用七層結(jié)構(gòu)的敏感元吸收層結(jié)構(gòu)在紅外及太赫茲波段都有良好的溫升曲線。在鉭酸鋰晶片殘余應(yīng)力值為+50MPa時敏感元中心形變量最小,器件的力學(xué)性能達(dá)到最佳。在敏感元光學(xué)仿真分析中,通過對薄膜電導(dǎo)率和厚度的控制來優(yōu)化敏感元結(jié)構(gòu)的吸收率。2.熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)制備制定并實現(xiàn)了七層結(jié)構(gòu)的制備工藝路線,采用IntelliSuite軟件完成各層的設(shè)計,然后采用微機械加工技術(shù)進(jìn)行敏感元結(jié)構(gòu)的制備,得到基于鉭酸鋰晶片的七層敏感單元結(jié)構(gòu)。采用的支撐立柱絕緣性能更好,有利于提高器件的探測響應(yīng)率。用硅片最為襯底,襯底第一面濺射Au,第二面噴涂合成樹脂,采用飛秒激光器加工出支撐立柱,在立柱的表面濺射Au層,用有機立柱作為主要的導(dǎo)熱途徑,通過控制立柱的Au層電阻來控制立柱的熱導(dǎo)。3、熱釋電敏感材料的制備提出了機械研磨拋光加化學(xué)腐蝕的晶片減薄方法。利用基于H_2O_2和KOH的腐蝕溶液對鉭酸鋰晶片進(jìn)行腐蝕減薄,得到厚度為10μm,表面平整,粗糙度較低的鉭酸鋰晶體薄片。對10μm的晶體薄片進(jìn)行了熱釋電系數(shù)測試,得到25℃時熱釋電系數(shù)p=1.81×10~(-4)C/Km~2。4.寬光譜吸收薄膜研究采用鎳鉻納米金屬薄膜作為熱釋電探測器的吸收層薄膜。通過對鎳鉻薄膜的優(yōu)化處理實現(xiàn)了其在紅外及太赫茲波段的寬光譜吸收最大化;瘜W(xué)腐蝕工藝方法處理后的鎳鉻薄膜表面粗糙化,增大了薄膜的有效吸收面積,形成一種增強吸收的吸收膜結(jié)構(gòu);瘜W(xué)腐蝕方法可以制備較小厚度、高表體比的鎳鉻薄膜,有效的增強了鎳鉻納米金屬薄膜輻射吸收性能。5.熱釋電探測器性能測試對制備的寬光譜電流型熱釋電探測器進(jìn)行封裝,完成單元器件測試平臺的設(shè)計與搭建,最后利用此平臺測試器件各項性能。采用黑體輻射源作為器件在紅外波段輻射源,采用高功率太赫茲激光器作為器件在太赫茲波段的輻射源,測試了熱釋電單元探測器的噪聲與響應(yīng)特性,得到器件的電壓響應(yīng)率、噪聲、等效噪聲功率NEP及探測率。測試結(jié)果表明,在10Hz調(diào)制頻率下,紅外波段噪聲等效功率(NEP)達(dá)到0.776×10~(-10)W/Hz~(1/2),探測率達(dá)到1.55×10~9cmHz~(1/2)/W,熱釋電單元探測器在2.56 THz輻射下,10Hz調(diào)制頻率時其噪聲等效功率(NEP)達(dá)到1.34×10~(-10)W/Hz~(1/2),探測率達(dá)到8.97×10~8cmHz~(1/2)/W,其電響應(yīng)時間為1.16ms。
【圖文】:

形貌,熱釋電探測器,熱釋電,溫度計


電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文的要求,如響應(yīng)更高、響應(yīng)更快、穩(wěn)定性更好、功耗更小、性能更加優(yōu)越。在新的應(yīng)用要求的牽引下,伴隨半導(dǎo)體工藝的快速發(fā)展,熱釋電探測器目前正向著更高響應(yīng)、更快響應(yīng)時間、更高性能以及更低成本的方向發(fā)展?傮w來說,非制冷是目前紅外探測器發(fā)展的主流趨勢,而熱探測器是非制冷探測技術(shù)發(fā)展的主體方向,熱釋電探測器又是熱探測器中重要的一種器件。常用的熱釋電探測器如圖 1-2 所示。在熱釋電探測器的研究過程中,對于熱釋電材料的研究尤為突出,相比于其他熱釋電材料,鉭酸鋰晶體(LiTaO3)介電損耗小,制成的器件具有較大的探測率。是目前熱釋電器件的的發(fā)展主流。而基于鉭酸鋰的熱釋電紅外探測器大多數(shù)為薄膜型熱釋電探測器或復(fù)合結(jié)構(gòu)型熱釋電探測器[100-102],其探測率可以達(dá)到 2.21 109cmHz1/2/W。基于熱釋電薄膜的太赫茲探測器目前較成熟的是熱釋電薄膜太赫茲探測器[103]及基于石墨烯場效應(yīng)晶體管的室溫太赫茲探測器[104],其噪聲等效功率 NEP 達(dá)到 10-10W/Hz1/2。

鉭酸鋰,晶體結(jié)構(gòu),鉭酸鋰晶體


基于鉭酸鋰晶體的熱釋電探測器性能與晶體材料的性能及其晶體的結(jié)構(gòu)有著密不可分的關(guān)系。鉭酸鋰晶體由六角晶胞結(jié)構(gòu)構(gòu)成,在氧八面體中心,陽離子按照-Li-Ta-空位及-Li-Ta的堆疊順序排列且沿C軸方向延續(xù),如圖2-1所示,結(jié)構(gòu)中Ta5+和Li+陽離子相對位置的偏移導(dǎo)致產(chǎn)生熱自發(fā)極化現(xiàn)象[106]。在順電相時,,Li和Ta分別位于氧平面和氧八面體的中心,無自發(fā)極化,在鐵電相時,Li和Ta都沿著C軸發(fā)生了位移,分別偏離了氧平面和氧八面體的中心,產(chǎn)生了自發(fā)極化。鉭酸鋰晶體從順電相到鐵電相的轉(zhuǎn)變居里點溫度為630℃。鉭酸鋰晶體是畸變鈣鈦礦型結(jié)構(gòu),它的晶格是具有氧八面體ABO3結(jié)構(gòu)。從圖2-1可看出,鉭酸鋰是三方晶系,該晶系中每層都由氧原子組成,按六角密堆積結(jié)構(gòu)排列,Li和Ta占據(jù)了氧原子層間的2/3的八面體間隙。其六角晶胞常數(shù)為:aH=5.1543埃
【學(xué)位授予單位】:電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號】:TH74

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3 蔡p樃

本文編號:2620715


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