TCR矯正對非制冷探測器微橋熱導(dǎo)測試的影響

邱宇峰，金 晶，翟厚明

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院電子信息材料系，上海200072;2.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200083)

1 引言

微橋結(jié)構(gòu)的非制冷探測器是當(dāng)今紅外成像領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)［1］。其中，微橋的熱導(dǎo)大小是描述微橋性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它對探測器的響應(yīng)率、響應(yīng)時(shí)間等重要指標(biāo)具有直接影響，因此探測器微橋熱導(dǎo)的精確測量對探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能評估等都具有重要意義。對已有的非制冷探測器，在知道其微橋詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，熱導(dǎo)大小可使用專門仿真軟件進(jìn)行計(jì)算［2－3］。目前，常用測量熱導(dǎo)的方法有微量熱計(jì)法，3ω法以及熱比較法、光熱法、1/R—(－αI2)曲線法等［4］。其中，1/R—(－αI2)曲線法是對微橋結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行測試，更符合器件測試要求。因此，非制冷探測器微橋熱導(dǎo)的測試采用1/R—(－αI2)曲線法較好。

實(shí)驗(yàn)通過烘箱自由降溫，并實(shí)時(shí)采樣記錄溫度和電阻數(shù)值的方法，對探測器微橋像元進(jìn)行了熱導(dǎo)測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明隨著偏置電流的增大，有效熱導(dǎo)和熱導(dǎo)之間的差值隨之增大，有效熱導(dǎo)在電流達(dá)到一定值時(shí)減至負(fù)值，產(chǎn)生“自焚”現(xiàn)象。對比TCR矯正前后的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)偏置電流越大，矯正效果越明顯。TCR矯正的方法可以得到相對更為準(zhǔn)確的熱導(dǎo)數(shù)值，為成品探測器器件的熱導(dǎo)評估以及后續(xù)的材料和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

在非制冷探測器的微橋結(jié)構(gòu)中，微橋熱導(dǎo)主要來自三部分，即G=Gleg+Ggas+Grad，分別是微橋通過支撐橋腿與襯底互連產(chǎn)生的傳導(dǎo)熱導(dǎo)、微橋與周圍氣體接觸產(chǎn)生的傳導(dǎo)熱導(dǎo)以及通過自身輻射產(chǎn)生的輻射熱導(dǎo)。在室溫下測試時(shí)，放置探測器杜瓦真空度低于10Pa，此時(shí)非制冷探測器的熱導(dǎo)主要來自于支撐橋腿的傳導(dǎo)熱導(dǎo)［5－6］。

以VO2薄膜為熱敏材料的非制冷探測器微橋若在電極兩端通以小電流I，當(dāng)微橋處于熱平衡狀況時(shí)有［4，7］:

根據(jù)公式(1)，如果假定電阻溫度系數(shù)α為一定值，則可以畫出1/R隨(－αI2)變化的一條直線，其斜率的倒數(shù)即為微橋熱導(dǎo)。但實(shí)際上其電阻溫度系數(shù)α是隨溫度而變化的量，實(shí)驗(yàn)中提供VO2薄膜的電阻溫度系數(shù)時(shí)，也需要同時(shí)說明獲得該數(shù)值時(shí)的溫度。因此，為了獲得更準(zhǔn)確的非制冷探測器微橋的熱導(dǎo)數(shù)值，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需要對電阻溫度系數(shù)α值進(jìn)行修正。

理想的VO2薄膜在室溫附近使用時(shí)處于半導(dǎo)體相，因此采用半導(dǎo)體材料電阻與溫度關(guān)系式:

根據(jù)電阻溫度系數(shù)α的定義有:

式(3)中的A、B值在接下來的實(shí)驗(yàn)中可以通過數(shù)據(jù)擬合得到，這樣就有了電阻R和電阻溫度系數(shù)α的對應(yīng)關(guān)系。接著將所得的α～R變化曲線中的對應(yīng)數(shù)值逐點(diǎn)代入1/R—(－αI2)關(guān)系圖中。此時(shí)如果把所有1/R—(－αI2)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行直線擬合則會(huì)引入較大的誤差，因此在實(shí)驗(yàn)中依次將電流變化不大的幾個(gè)臨近點(diǎn)進(jìn)行一次直線擬合，得到對應(yīng)不同溫度的準(zhǔn)確熱導(dǎo)值。

器件工作時(shí)，考慮偏置電流引入的焦耳熱，熱傳導(dǎo)方程為［4］:

上式右邊第一項(xiàng)是偏置電流引起的焦耳熱，第二項(xiàng)為探測單元吸收的輻射能，我們引入“有效熱導(dǎo)”來簡化上式。因?yàn)閕、R都是溫度T的函數(shù)，根據(jù)實(shí)際測試連接方式，上式右邊第一項(xiàng)可以重寫為:

根據(jù)電阻溫度系數(shù)的定義，熱傳導(dǎo)方程可以改寫為:

在穩(wěn)態(tài)條件下，即只有很小的電流偏置引入焦耳熱，無入射輻射時(shí):

式中，T0是環(huán)境溫度;T1為焦耳熱作用下探測器像元達(dá)到的穩(wěn)定溫度;G0為T0下的熱導(dǎo)。此時(shí)熱傳導(dǎo)方程可以簡化為:

其中:

Ge是計(jì)入實(shí)際測試電流熱效應(yīng)后的參數(shù)，稱之為有效熱導(dǎo)。

3 實(shí)驗(yàn)過程

3.1 實(shí)驗(yàn)條件及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中測試所用器件為實(shí)驗(yàn)室制得的1×160非制冷探測器線列微橋像元，圖1為微橋像元在光學(xué)顯微鏡下的俯視照片。微橋橋面尺寸為80 μm ×77 μm，微橋支撐橋腿由機(jī)械強(qiáng)度很高、熱導(dǎo)較低的Si3N4薄膜及金屬電極材料構(gòu)成。為了降低微橋熱導(dǎo)，提高器件響應(yīng)率，微橋橋腿長寬比約為40/1。

圖1 非制冷探測器微橋像元顯微照片F(xiàn)ig.1 The photograph of the uncooled detector microbridge pixel under microscope

被測探測器芯片用50 μm硅鋁絲鍵壓于雙列直插的28腳金屬管座上，管座可安裝在真空杜瓦中，真空杜瓦可被抽真空，其極限真空度優(yōu)于1×10－3Pa。

圖2是實(shí)驗(yàn)電路圖。

圖2 I-V測試示意圖Fig.2 Schematic diagram for I-V test

實(shí)驗(yàn)中使用keithley2602精密數(shù)字電源。施加在微橋壓腳兩端的電壓變化范圍為10～300 mV，實(shí)驗(yàn)時(shí)每隔10 mV調(diào)整一次電壓，并記錄回路電流。

為了得到式(2)中的材料參數(shù)，需要測試微橋的電阻～溫度對應(yīng)關(guān)系。為了獲得較高的溫控及測量精度，本實(shí)驗(yàn)采用烘箱自由降溫并實(shí)時(shí)采樣記錄溫度和電阻數(shù)值的方法，具體操作為:將被測器件置于烘箱中，將烘箱溫度升到60℃左右后關(guān)掉電源使其自由降溫，到50℃溫度穩(wěn)定時(shí)開始采集數(shù)據(jù)，每隔5 s同時(shí)記錄一組電阻、溫度數(shù)值，直到溫度降到室溫附近(25℃)。電阻的讀取使用Fluke45數(shù)字萬用表，并利用VB語言編寫的一個(gè)串口通信數(shù)據(jù)采集程序，通過Fluke45數(shù)字萬用表的RS232串口與PC通訊，設(shè)定每隔5 s讀取一次電阻數(shù)值并記錄于Excel文檔中;溫度的讀取使用具有自動(dòng)數(shù)據(jù)記錄功能的Fluke289數(shù)字萬用表，該表帶有可測溫的熱電偶探頭，將熱電偶探頭伸入烘箱中，懸空置于待測器件附近，獲得并記錄溫度數(shù)值。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測試時(shí)使用機(jī)械泵+分子泵機(jī)組可將杜瓦腔體抽至高真空(數(shù)表顯示2×10－3Pa)，實(shí)際上，當(dāng)真空度優(yōu)于10 Pa時(shí)，空氣熱導(dǎo)幾乎可忽略不計(jì)。圖3直觀顯示出了真空對于降低熱導(dǎo)的作用，由于真空環(huán)境下熱導(dǎo)的降低，薄膜電阻因?yàn)樽詿嵝?yīng)而減小的趨勢很明顯。

圖3 空氣以及真空中電阻隨電壓的變化比較Fig.3 Comparision of the R-V relation in atmosphere and in vacuum

圖4為微橋在25～50℃變化時(shí)，電阻隨之變化的T～R關(guān)系圖。實(shí)際處理數(shù)據(jù)時(shí)，把每0.1℃記錄的多組電阻測試值取平均數(shù)作為該溫度的實(shí)際對應(yīng)值，為使數(shù)據(jù)點(diǎn)清晰可辨，圖中數(shù)據(jù)散點(diǎn)的間隔為0.5℃。

圖4 像元電阻溫度關(guān)系Fig.4 Relationship between resistance and temperature of the pixel

由此對于以VO2為熱敏材料的微橋，其擬合所得材料參數(shù)A、B 分 別 為:A =1.30458 ×10－5，B=4.21882 ×103。

則式(2)可寫為:

一般情況下，若不進(jìn)行 TCR矯正，取材料在300 K，即27℃時(shí)的數(shù)據(jù)。對于我們的氧化釩薄膜，利用式(3)有α=－0.0468。把電壓10～30 mV時(shí)擬合到的熱導(dǎo)作為G0，利用式(9)，T1是不同偏壓下薄膜的實(shí)際中心溫度，表1列出了部分的測試數(shù)據(jù)，ΔT=T1－T0，熱導(dǎo)測試結(jié)果如圖5所示。

表1 熱導(dǎo)測試數(shù)據(jù)Tab.1 Thermal conductance testing data

圖5 熱導(dǎo)測試結(jié)果Fig.5 Thermal conductance testing result

通過對比兩條實(shí)心點(diǎn)數(shù)據(jù)線以及空心點(diǎn)數(shù)據(jù)線，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過TCR矯正后的熱導(dǎo)值比之不經(jīng)矯正的數(shù)值在各個(gè)溫度段都有所減小，其結(jié)果更為接近實(shí)際值。在測試過程中，通過微橋像元的電流越大，其矯正效果越明顯，在實(shí)驗(yàn)中，最大有效熱導(dǎo)矯正比例達(dá)到20.08%。此外分別對比兩條方框形數(shù)據(jù)線和三角形數(shù)據(jù)線，看出有效熱導(dǎo)與熱導(dǎo)之間的差值隨著偏置電流的變大急劇增加。單就有效熱導(dǎo)Ge來看，其隨著薄膜溫度的提高一直在減小，當(dāng)為負(fù)的時(shí)候，薄膜將會(huì)因過熱而損壞，稱為“自焚”，對于我們的器件，自焚現(xiàn)象發(fā)生在77℃附近。自焚現(xiàn)象在器件設(shè)計(jì)和使用時(shí)應(yīng)避免。

4 結(jié)論

提出了一種非制冷探測器微橋像元的熱導(dǎo)測試方法，該方法在原有的1/R—(－αI2)曲線測試方法基礎(chǔ)上對TCR值α進(jìn)行變化矯正，使得最后的測試結(jié)果更為準(zhǔn)確。通過對實(shí)驗(yàn)室制得的器件像元進(jìn)行測試并分析了有效熱導(dǎo)，在本次實(shí)驗(yàn)中最大熱導(dǎo)矯正比例為20.08%，有效熱導(dǎo)和熱導(dǎo)之間的差值隨偏置電流的增大急劇增加，實(shí)際工作中應(yīng)避免因電流過大而導(dǎo)致的有效熱導(dǎo)減為負(fù)值的“自焚”現(xiàn)象。采用TCR矯正的微橋熱導(dǎo)測試方法可以得到更接近實(shí)際值的熱導(dǎo)數(shù)據(jù)，在非制冷探測器的熱導(dǎo)參數(shù)評估與設(shè)計(jì)中有實(shí)際使用價(jià)值。

致 謝:衷心感謝上海硅酸鹽研究所金平實(shí)教授和曹遜博士在非制冷探測器流片中給予的幫助，生長了高TCR的氧化釩薄膜;此外還分享了TCR測試方法，推動(dòng)了本文實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。

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