以高靈敏為特征的氧化釩非致冷紅外探測(cè)器的應(yīng)用

張喬喬　高丹

摘 要：氧化釩非致冷紅外探測(cè)器屬于第三代紅外探測(cè)器，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療、交通等諸多領(lǐng)域，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、非致冷的優(yōu)勢(shì)，研究學(xué)者在多年來(lái)都致力于提升該非致冷紅外探測(cè)器的靈敏度，并通過(guò)制備高電阻溫度系數(shù)的氧化釩薄膜、摻氮氧化釩薄膜和黑金吸收層，提高非致冷紅外探測(cè)器的性能。文章從氧化釩非致冷紅外探測(cè)器的工作原理、構(gòu)造、材料制備、器件性能和測(cè)試等方面進(jìn)行探討，并論述其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：氧化釩；非致冷；紅外探測(cè)器；高靈敏；器件

1 微機(jī)電系統(tǒng)和非致冷紅外探測(cè)器概述

微機(jī)電系統(tǒng)主要是依據(jù)微機(jī)電和電化學(xué)方法而實(shí)現(xiàn)的，其核心元件包括：傳感單元和信號(hào)傳輸單元，由這些核心元件制成的傳感器可以傳感一些生物、化學(xué)、物理的參量存在和強(qiáng)度，具有靈敏、準(zhǔn)確地測(cè)量最小樣品量的優(yōu)點(diǎn)，它們成批地應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，常用的傳感器有：光傳感器、生物傳感器、化學(xué)傳感器、壓力傳感器，而文章研究的是基于微機(jī)電系統(tǒng)中微加工技術(shù)的非致冷紅外傳感器。

非致冷紅外探測(cè)器廣泛應(yīng)用于軍事和商務(wù)領(lǐng)域，成為了一種高需求技術(shù)，它通過(guò)微測(cè)輻射熱實(shí)現(xiàn)傳感功能，吸收紅外能量大小有關(guān)的器件溫度變化而引起的電參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)探測(cè)，由于它不是紅外直接探測(cè)，因而在具有更小的尺寸、更低的功耗的優(yōu)勢(shì)之下，還有更長(zhǎng)的響應(yīng)延續(xù)時(shí)間，非致冷紅外探測(cè)器的高性能和低功耗優(yōu)勢(shì)，使其在市場(chǎng)研發(fā)上達(dá)到很高的陣列：50um×50um和25um×25um像元尺寸，噪聲等效溫差可以低于30mK。伴隨著非致冷技術(shù)的發(fā)展，許多致冷型探測(cè)器的紅外成像系統(tǒng)也開(kāi)始運(yùn)用非致冷探測(cè)器陣列，在更高性能的紅外成像平臺(tái)上發(fā)揮作用。

2 非致冷紅外探測(cè)器的理論基礎(chǔ)

2.1 微測(cè)輻射熱計(jì)理論

微測(cè)輻射熱計(jì)是電阻性光敏元，當(dāng)它接收到紅外輻射時(shí)，光敏材料的溫度增高，電阻即發(fā)生變化，電路就可以探測(cè)到相應(yīng)電阻變化引起的微弱電流變化，實(shí)現(xiàn)探測(cè)。其探測(cè)器的像元膜可以選擇不同的氮化硅、二氧化硅和氧化釩熱敏電阻材料，以氧化釩熱敏電阻材料為例：假設(shè)微測(cè)輻射熱計(jì)光敏材料的溫度在吸收紅外輻射后變化值為△T，氧化釩薄膜電阻變化值為△R，它們之間的關(guān)系式表達(dá)為：△R=R△T。

α為電阻溫度系數(shù)，則有下列關(guān)系表達(dá)式：△R=αR△T。（如圖1所示）

2.2 離子束濺射原理

離子束濺射技術(shù)源于考夫曼離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)原理，它可以實(shí)施對(duì)離子束的大小和方向的可控狀態(tài)，避免了對(duì)氧化釩薄膜的玷污。該技術(shù)有兩個(gè)離子源：一個(gè)是用于聚焦；一個(gè)是用于清洗，該裝置是正方體結(jié)構(gòu)，在中間旋轉(zhuǎn)軸的作用下可以任意旋轉(zhuǎn)靶材架，同時(shí)在襯底附近沒(méi)有等離子體，不會(huì)使襯底溫度過(guò)高。利用離子束濺射和后退火兩步法可以制備出具有較高電阻溫度系數(shù)的氧化釩薄膜，具有較高的應(yīng)用性能。

2.3 磁控濺射技術(shù)原理

在制備氧化釩薄膜的過(guò)程中，要有適宜的電學(xué)性能，還要與紅外焦平面后續(xù)的工藝具有兼容性，對(duì)于提高氧化釩薄膜電學(xué)性能的途徑，目前研究學(xué)界認(rèn)為主要控制后退火工藝或在濺射時(shí)提高淀積溫度，而磁控濺射技術(shù)則可以相對(duì)降低襯底溫度，進(jìn)行氧化釩薄膜的制備。另外，還可以在磁控濺射技術(shù)制備過(guò)程中引入少量的氮?dú)猓苽涑鼍哂懈唠娮铚囟认禂?shù)的摻氮氧化釩薄膜，氮?dú)獾脑黾釉谠试S范圍內(nèi)可以提高氧化釩薄膜電阻，然而填充的氮?dú)膺^(guò)多，則又會(huì)導(dǎo)致制備出的薄膜為氮氧化釩，不符合標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，氮的含量摻入過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致釩靶出現(xiàn)氮化現(xiàn)象，使薄膜出現(xiàn)異常。然后，通過(guò)將合適氮?dú)獬淙霔l件下制備而成的薄膜，集成在微測(cè)輻射熱計(jì)中，其測(cè)試效果良好，說(shuō)明磁控濺射技術(shù)制備出的薄膜具有良好的探測(cè)器兼容性，可以適用于探測(cè)器熱敏層。

3 提升高靈敏度非致冷紅外探測(cè)器性能的途徑

3.1 有效延長(zhǎng)橋腿長(zhǎng)度，快速降低熱導(dǎo)效應(yīng)

光敏材料在理論上會(huì)對(duì)所接收的熱輻射全部吸收，而實(shí)際上卻有部分的熱損失。根據(jù)非致冷紅外探測(cè)器的熱導(dǎo)方式可知，具體用于熱導(dǎo)減小的方法有：采用陣列式結(jié)構(gòu)減少與空氣對(duì)流的熱導(dǎo)、進(jìn)行真空封裝減少與空氣對(duì)流的熱導(dǎo)、減少橋腿和襯底之間的熱絕緣面積而減少熱導(dǎo)。其中主要的熱導(dǎo)因素是橋腿長(zhǎng)度、材料厚度和與襯底接觸的截面積，可以有效地通過(guò)延長(zhǎng)橋腿長(zhǎng)度，而減少熱導(dǎo)。

3.2 提高填充系數(shù)，增加熱導(dǎo)吸收

從理論而言，提高填充系數(shù)的意義是可以提高探測(cè)能力，目前，光子探測(cè)器的填充系數(shù)可以達(dá)到100%，而非致冷紅外探測(cè)器卻在30%以上，少數(shù)能夠超過(guò)60%。當(dāng)前，可以通過(guò)體硅工藝和表面工藝提高填充系數(shù)。

3.3 提高熱敏薄膜的電阻溫度系數(shù)

這是紅外探測(cè)器中的一個(gè)重要測(cè)量參數(shù)，由于氧化釩材料自身就具備較高的負(fù)電阻溫度系數(shù)，它的大小可以直接影響到探測(cè)器的靈敏度，其值越高，則探測(cè)器的靈敏度越高，其值越低，則探測(cè)器的靈敏度越低。因此，氧化釩材料極其適合于用作紅外探測(cè)器的熱敏材料。在具體制備過(guò)程中，可以從兩個(gè)方面提升氧化釩薄膜的電阻溫度系數(shù)：其一，還原混合相氧化釩薄膜中釩的氧化物，將其還原成純的二氧化釩結(jié)構(gòu)；其二，制備具有金屬摻雜特性的釩金屬靶材。

3.4 選擇適宜的吸收層，提高吸收效率

在紅外吸收中常用的紅外吸收材料有：黑金、黑鎳、合金等薄膜，隨著材料科學(xué)的發(fā)展，氧化鋁薄膜也進(jìn)入了研究者的視線，它以其高透射性、化學(xué)穩(wěn)定性、高絕緣性的化學(xué)物理特質(zhì)，而應(yīng)用于紅外吸收的生活和工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域。

3.5 采取真空封裝，制備紅外探測(cè)器

進(jìn)行真空封裝需要適宜的匹配設(shè)計(jì)和工藝加工流程：（1）器件級(jí)封裝；（2）系統(tǒng)封裝。封裝過(guò)程主要采用真空回流焊工藝和真空電阻焊工藝，期間要注意的事項(xiàng)有：空腔的透過(guò)屬性、密封質(zhì)量和熱傳導(dǎo)環(huán)境等。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于MEMS技術(shù)和光電子技術(shù)之下，非致冷紅外探測(cè)傳感器的性能成為研究學(xué)界的熱點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)傳感材料的設(shè)計(jì)、原理應(yīng)用和器件制備、測(cè)試等過(guò)程，可以提高氧化釩非致冷紅外探測(cè)器的性能，并以“微測(cè)輻射熱計(jì)”理論、離子束濺射原理、磁控濺射技術(shù)原理為技術(shù)基礎(chǔ)，制備出高靈敏度、兼容性好、粘附性強(qiáng)的紅外探測(cè)氧化釩薄膜，并探究非致冷紅外探測(cè)器的性能提升路徑。然而，在非致冷紅外探測(cè)的研究之中，仍需進(jìn)一步論證如何降低制備溫度、延長(zhǎng)薄膜的存儲(chǔ)時(shí)效性和耐老性能等。

參考文獻(xiàn)

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