發(fā)布時(shí)間：2018-04-18 10:38

  本文選題：熱電堆 + 雙端梁結(jié)構(gòu)　； 參考：《中北大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：紅外探測技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域中有著廣泛而重要的應(yīng)用。紅外探測技術(shù)的核心是紅外探測器。熱電堆紅外探測器是紅外探測器中的重要一種,是根據(jù)賽貝克效應(yīng)原理工作的,由于其室溫工作非制冷、光譜響應(yīng)范圍寬、無需斬波、成本低、輸出電路簡單等優(yōu)勢已成為當(dāng)前紅外技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本論文以紅外探測器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀為起點(diǎn),總結(jié)分析出當(dāng)前熱電堆紅外探測器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備加工工藝方面存在的問題；另以紅外輻射理論為切入點(diǎn),熱電堆紅外探測器工作原理為手段,深入分析器件的結(jié)構(gòu)和材料組成等相關(guān)參數(shù)分別對探測器性能的影響；最后基于以上分析和總結(jié)提出一種高占空比的MEMS熱電堆紅外探測器,具體情況如下：(1)針對傳統(tǒng)的基于四端梁結(jié)構(gòu)的熱電堆紅外探測器占空比低的問題,論文提出一種基于雙端梁結(jié)構(gòu)的熱電堆紅外探測器,與傳統(tǒng)的基于四端梁結(jié)構(gòu)的探測器相比,基于雙端梁結(jié)構(gòu)的探測器器件尺寸可進(jìn)一步縮小同時(shí)保持相對較高的響應(yīng)率和探測率；(2)建立了基于熱導(dǎo)通-電絕緣結(jié)構(gòu)的熱電堆紅外探測器理論分析模型,從理論角度分析出接觸熱阻會降低探測器的性能。利用氮化硅(SiNx)材料高熱導(dǎo)-電絕緣的特性,在探測器熱結(jié)與吸收區(qū)之間及冷結(jié)與熱沉之間設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了雙熱導(dǎo)通結(jié)構(gòu),提高探測器的性能；(3)論文中的熱電堆紅外探測器采用氟化氙(XF2)干法各向同性刻蝕技術(shù)以形成微絕熱腔體結(jié)構(gòu),然而此技術(shù)在過釋放時(shí)容易導(dǎo)致探測器冷結(jié)和輸出電極懸空而損壞器件,針對此問題在探測器中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種刻蝕阻擋結(jié)構(gòu)以防止此情況的發(fā)生：經(jīng)過以上努力,最終完成探測器的版圖設(shè)計(jì)和流片加工工作,測試結(jié)果顯示論文所提出的熱電堆紅外探測器的響應(yīng)率和探測率遠(yuǎn)高于已報(bào)道的的基于四端梁結(jié)構(gòu)的探測器,其響應(yīng)率、探測率和響應(yīng)時(shí)間分別達(dá)1151.14 V/W、4.15×108 cm Hz1/2/W、14.46 ms。同時(shí)論文對探測器的真空特性和溫度響應(yīng)特性也進(jìn)行了測試,測試結(jié)果顯示探測器具有較寬的響應(yīng)范圍和較高的溫度響應(yīng)靈敏度,因此該探測器也可作為真空度和溫度傳感器使用。此外利用等離子體再聚合技術(shù)制備出了不同形貌的納米纖維森林結(jié)構(gòu)；并探索了基于等離子體再聚合技術(shù)制備的黑硅作為紅外吸收層材料的可行性,這種方法流程簡單,又具有高度的靈活性、可調(diào)控性和可重復(fù)性,并且還與熱電堆紅外探測器的加工工藝有著高度的兼容性。
[Abstract]:Infrared detection technology has a wide range of important applications in military and civil fields.The core of infrared detection technology is infrared detector.Thermoelectric stack infrared detector is an important kind of infrared detector, which works according to the principle of Seebeck effect. Because of its uncooled temperature, wide spectrum response range, no chopping and low cost,The advantages of simple output circuit have become one of the research hotspots in the field of infrared technology.Based on the development of infrared detectors at home and abroad, this paper summarizes and analyzes the problems existing in the structure design and fabrication process of infrared detectors in thermoelectric reactor, and takes the infrared radiation theory as the breakthrough point.Based on the working principle of the thermoelectric reactor infrared detector, the influence of the structure and material composition of the device on the detector performance is analyzed. Finally, based on the above analysis and summary, a high duty cycle MEMS thermoelectric reactor infrared detector is proposed.The specific situation is as follows: (1) aiming at the problem of low duty cycle of traditional thermoelectric stack infrared detector based on four-end beam structure, this paper proposes a dual-end structure based thermoelectric reactor infrared detector, which is compared with the traditional four-end beam structure detector.A theoretical analysis model of thermoelectric stack infrared detector based on thermal-on-electric insulation structure is established, which can further reduce the size of detector devices and maintain a relatively high responsivity and detectivity.From the theoretical point of view, the contact thermal resistance will reduce the performance of the detector.Based on the characteristics of high thermal conductivity and electrical insulation of silicon nitride (SiNx) material, a double thermal conduction structure is designed and realized between the thermal junction and absorption zone of the detector and between the cold junction and the heat sink.In this paper, the thermoelectric stack infrared detector adopts xenon fluoride XF2) dry isotropic etching technique to form a micro-adiabatic cavity structure.However, this technique can easily cause the detector cold junction and the output electrode to be suspended and damage the device when it is overreleased. To solve this problem, a etching barrier structure is designed and implemented in the detector to prevent this from happening.Finally, the layout design of the detector and the fabrication of the wafer are finished. The test results show that the response rate and detection rate of the infrared detector proposed in this paper is much higher than that of the reported detector based on the four-end beam structure, and the response rate of the detector is much higher than that of the infrared detector based on the four-end beam structure.The detectivity and response time are 1151.14 V / W / W = 4.15 脳 10 ~ 8 cm Hz / 2 / W ~ (14. 46) Ms respectively.At the same time, the vacuum and temperature response characteristics of the detector are also tested. The test results show that the detector has a wide response range and a higher temperature response sensitivity.Therefore, the detector can also be used as vacuum and temperature sensors.In addition, nanofiber forest structures with different morphologies were prepared by plasma repolymerization, and the feasibility of using black silicon prepared by plasma repolymerization as infrared absorption layer material was explored.It also has high flexibility, controllability and repeatability, and has high compatibility with the processing technology of thermoelectric stack infrared detector.
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN215

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本文編號：1768005