非制冷氧化釩紅外焦平面像元光學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

孔令德，方 輝，楊春麗，黃艷芝，姬玉龍，余連杰，楊文運(yùn)，姬榮斌

?

非制冷氧化釩紅外焦平面像元光學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

孔令德1，方 輝2，楊春麗1，黃艷芝2，姬玉龍1，余連杰1，楊文運(yùn)2，姬榮斌1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 北方廣微科技有限公司，北京 100089）

非制冷氧化釩紅外焦平面像元光學(xué)設(shè)計(jì)旨在提高像元對(duì)紅外輻射的吸收性能。由于非制冷紅外探測(cè)器的工作波段通常在8～14mm范圍內(nèi)，要求像元在這個(gè)波段內(nèi)具有較高的紅外吸收率。采用光學(xué)導(dǎo)納理論，進(jìn)行像元微橋結(jié)構(gòu)多層光學(xué)膜系優(yōu)化設(shè)計(jì)。在器件工藝過程中，調(diào)節(jié)了橋面膜厚和高度，使橋面與Si襯底上金屬反射層之間形成一個(gè)諧振腔結(jié)構(gòu)。通過紅外傅里葉反射光譜和相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試分析驗(yàn)證表明：像元微橋結(jié)構(gòu)光學(xué)設(shè)計(jì)后，增強(qiáng)了非制冷探測(cè)器微橋結(jié)構(gòu)像元在8～14mm波段的紅外吸收率和相對(duì)光譜響應(yīng)。

非制冷氧化釩探測(cè)器；像元光學(xué)設(shè)計(jì)；諧振腔；傅里葉反射光譜；相對(duì)光譜響應(yīng)

0 引言

一般而言，VO非制冷紅外焦平面探測(cè)器響應(yīng)率對(duì)波長是沒有選擇性，但由于熱學(xué)設(shè)計(jì)考慮，需制備成懸空微橋諧振腔結(jié)構(gòu)，同時(shí)微橋面膜層也具有特征吸收峰。所以，響應(yīng)率常隨波長波動(dòng)變化，光學(xué)設(shè)計(jì)的目的在于最大限度提高微橋面在8～14mm波段的紅外吸收能量[1-4]。通?？梢圆捎脙?nèi)諧振腔和外諧振腔兩種方案設(shè)計(jì)微橋面光學(xué)諧振腔增強(qiáng)吸收結(jié)構(gòu)[5-6]。其中，內(nèi)諧振腔結(jié)構(gòu)不必精確控制空氣隙尺寸，也不必在讀出電路上制作全反射電極，但當(dāng)熱敏層材料折射率較低時(shí)，必須制備較厚的熱敏層，不利于減小橋面熱容，不利于獲得較小的像元熱時(shí)間常數(shù)；外諧振腔結(jié)構(gòu)采用較薄的熱敏層材料，以減小橋面熱容，以獲得較小的像元熱時(shí)間常數(shù)。但必須精確控制空氣隙尺寸，并在讀出電路上制作全反射金屬層，精確控制空氣隙尺寸，必須控制犧牲層的厚度[7]。

1 微橋結(jié)構(gòu)像元光學(xué)設(shè)計(jì)理論

像元微橋結(jié)構(gòu)的外諧振腔多層膜系由Air/ SiN(100nm)/ VO(100nm)/ SiN(500nm)/ Air Gap/ Al(100nm)組成（如圖1所示），并通過MEMS器件工藝直接制備在讀出電路表面上。橋面與讀出電路中間空氣隙層由聚酰亞胺犧牲層灰化去除后形成，以減小橋面熱容，提高微橋面的絕熱特性。讀出電路上的金屬Al層為全反射層，由此形成外諧振腔結(jié)構(gòu)。通過Al層的多次全反射和微橋面的多次部分反射、部分吸收特性，增強(qiáng)像元在8～14mm范圍內(nèi)的紅外吸收率。本文采用了光學(xué)導(dǎo)納矩陣法，計(jì)算了該多層膜系的紅外吸收率。

圖1 像元微橋結(jié)構(gòu)多層膜系模型

光學(xué)膜系設(shè)計(jì)的基本理論出發(fā)點(diǎn)是麥克斯韋方程組，若光學(xué)多層膜系中各介質(zhì)層各向同性，Al層基底只有正向波，沒有反向波，則在數(shù)學(xué)上，可以得到膜系的特征矩陣為(1)式：

式中：是各膜層的位相厚度；是各膜層的折射角；是各膜層的有效導(dǎo)納，對(duì)于無吸收或吸收介質(zhì)薄膜其行列式值都等于1，稱為單位模矩陣，而且任意多個(gè)這樣的矩陣乘積的行列式值也等于1。此外，多層膜和基片的組合導(dǎo)納為＝/，入射介質(zhì)為真空，則得到整個(gè)多層膜系統(tǒng)的反射率()、透射率()和吸收率()分別為(2)、(3)、(4)式：

()＝1－()－() (4)

又由普朗克定律可知，黑體在任意波長下的輻射出射度()為(5)式：

式中：1＝2p2＝3.7418×10－16W×m2；2＝/＝14388mm×K；t為黑體溫度，取為300K。

由此，在忽略成像光學(xué)系統(tǒng)透鏡、器件窗片和有效吸收面積對(duì)紅外輻射的衰減作用條件下，可得微橋像元多層膜系在任意波段內(nèi)吸收的紅外輻射功率abs和平均吸收率eff為(6)、(7)式：

圖2是采用Optilayer光學(xué)膜系設(shè)計(jì)軟件，當(dāng)代入SiN、VO、Al等膜層的紅外光學(xué)色散曲線數(shù)據(jù)和300K黑體紅外波段輻射出射度()理論數(shù)據(jù)后，得到的像元微橋結(jié)構(gòu)多層膜系吸收率曲線圖。

圖2 像元微橋結(jié)構(gòu)不同間隙高度下的吸收率

從圖2中可分析得出：在圖2(a)中，隨著空氣隙層高度由500nm、1000nm、2000nm、2500nm、3000～3500nm，由于Air/SiN(100nm)/VO(100nm)/SiN(500nm)/Air Gap/Al(100nm)多層膜系中各膜層的光學(xué)色散特性，并在外諧振腔的增強(qiáng)吸收作用下，形成了8～14mm波段的兩個(gè)吸收率峰值；在圖2(b)中，通過代入黑體在任意波長下的輻射出射度，計(jì)算得到像元微橋多層膜系結(jié)構(gòu)在8～14mm范圍內(nèi)的平均吸收率，表現(xiàn)為先增加后減小，大約在空氣隙層高度為2500nm左右時(shí)，平均吸收率出現(xiàn)最大值。

2 微橋結(jié)構(gòu)像元光學(xué)設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

一般對(duì)于單一波長的光線來說，當(dāng)空氣隙層間距取/4時(shí)，器件像元多層膜系結(jié)構(gòu)的平均吸收率出現(xiàn)最大值，即對(duì)應(yīng)于空氣隙層高度2500nm時(shí)，反推波長為10mm，這與室溫300K物體輻射功率峰值位置較為一致，正是由于紅外輻射能量分布的色散特性所致。此外，考慮SiN、VO、聚酰亞氨、Al的實(shí)現(xiàn)工藝情況，本文采用了傅里葉反射光譜和相對(duì)光譜測(cè)試驗(yàn)證的方法，驗(yàn)證了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所對(duì)應(yīng)的器件像元紅外吸收特性。

2.1 微橋結(jié)構(gòu)像元傅里葉反射光譜測(cè)試分析

圖3是聚酰亞胺（PI）高度系列像元微橋結(jié)構(gòu)的紅外反射特性曲線，PI層厚度分別為1.2mm、1.6mm、1.8mm、2.2mm、2.5mm時(shí)，實(shí)測(cè)微橋結(jié)構(gòu)像元的傅里葉紅外反射光譜曲線，表征了微橋結(jié)構(gòu)像元在不同空氣隙高度下的長波紅外吸收特性變化規(guī)律，由PI層厚度為1.2mm時(shí)，微橋結(jié)構(gòu)紅外反射率“波谷”值在9.5mm左右，隨PI層厚度增加到2.5mm，微橋結(jié)構(gòu)紅外反射率“波谷”值紅移到10.2mm左右，接近室溫300K物體的紅外輻功率峰值。

2.2 微橋結(jié)構(gòu)像元相對(duì)光譜測(cè)試分析

試驗(yàn)分別采用了傅里葉相對(duì)光譜測(cè)試儀和單色儀相對(duì)光譜測(cè)試儀，分析了PI高度為2.5mm時(shí)，VO非制冷紅外焦平面探測(cè)器像元結(jié)構(gòu)的相對(duì)光譜響應(yīng)特性。此外，器件芯片真空封裝時(shí)，采用了前截止波長7.7±0.2mm、后截止波長12.5～14mm的鍺帶通濾光片。

傅里葉相對(duì)光譜測(cè)試時(shí)，當(dāng)器件工作在30Hz，50Hz，60Hz幀頻時(shí)，器件像元的相對(duì)光譜響應(yīng)測(cè)試曲線一致，測(cè)試像元的前截止波長為7.69mm，后截止波長為13.30mm，峰值響應(yīng)率波長為10.67mm。說明：相對(duì)光譜測(cè)試結(jié)果與器件像元真空封裝鍺窗透過特性直接相關(guān)，而與器件工作幀頻無關(guān)。結(jié)果如圖4所示。

作為對(duì)比測(cè)試，試驗(yàn)同時(shí)采用了單色儀相對(duì)光譜測(cè)試方法，測(cè)試了器件在60Hz工作幀頻時(shí)的相對(duì)光譜曲線，并在5Hz調(diào)制頻率下，檢測(cè)焦平面單個(gè)像元輸出信號(hào)。得到的相對(duì)光譜測(cè)試曲線如圖5所示。

圖5中，測(cè)試像元的前截止波長為7.65mm，后截止波長為12.94mm。峰值響應(yīng)波長為10.14mm。對(duì)比兩種測(cè)試方法得到的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用單色儀相對(duì)光譜測(cè)試方法，由于硅碳棒處于900℃左右高溫，使得波長偏短部分輻射能量增加明顯，截止波長向短波方向偏移，特別是后截止波長向短波方向偏移較大。同時(shí)11mm以后波段，由于像元信號(hào)電壓減到1mV以下，信噪比低，顯示鋸齒狀相對(duì)光譜響應(yīng)曲線。

圖3 聚酰亞胺（PI）高度系列像元微橋結(jié)構(gòu)的紅外反射率曲線

圖4 像元微橋結(jié)構(gòu)傅里葉相對(duì)光譜測(cè)試結(jié)果圖

圖5 像元微橋結(jié)構(gòu)單色儀相對(duì)光譜測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

在8～14mm段出現(xiàn)的像元反射率曲線“波谷”和相對(duì)光譜響應(yīng)曲線“波峰”，正是由于微橋光學(xué)設(shè)計(jì)中諧振腔作用，增強(qiáng)了像元結(jié)構(gòu)在該波段的吸收系數(shù)所致。采用Optilayer光學(xué)膜系設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行了像元微橋結(jié)構(gòu)光學(xué)設(shè)計(jì)，當(dāng)微橋面高度為2.5mm時(shí)，像元在8～14mm波段范圍內(nèi)的平均紅外吸收率達(dá)到最高值約50%；采用紅外傅里葉反射光譜測(cè)試，當(dāng)微橋面高度由1.2mm增加到2.5mm時(shí)，微橋結(jié)構(gòu)紅外反射率“波谷”值紅移到10.2mm左右；采用了傅里葉相對(duì)光譜測(cè)試儀和單色儀相對(duì)光譜測(cè)試儀測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)像元PI高度2.5mm時(shí)，相對(duì)光譜響應(yīng)率“波峰”位置在10mm左右，這與反射率“波谷”值較為一致。由此，當(dāng)設(shè)計(jì)微橋面高度（即PI高度）為2.5mm時(shí)，既使得非制冷探測(cè)器微橋結(jié)構(gòu)像元在8～14mm波段的平均紅外吸收率達(dá)到最高值，又使得10mm左右的相對(duì)光譜響達(dá)到最高值，有利于提高對(duì)室溫300K物體在輻射功率峰值10mm左右的光譜響應(yīng)率。

[1] Fraenkel A. SCD's Uncooled Detectors and Video Engines for a Wide Range of Applications[C]//, 2011, 8012: 801204-1- 801204-8.

[2] Frank Niklaus. Performance model for uncooled infrared bolometer arrays and performance predictions of bolometers operating at atmospheric pressure[J]., 2008, 51: 168-177.

[3] Naoki Oda. Uncooled bolometer-type Terahertz focal plane array and camera for real-time imaging[J]., 2010, 11(7): 496-509.

[4] Hocker G Benjamin. Thermal isolation microstructrue: US 5,534,111 [P]. 1996-06-09.

[5] Rub M. the geometric design of microbolometer elements for uncooled focal plane arrays [C]//, 2007, 6542: 654223-1-654223 -10.

[6] Seniz E. A detailed analysis for the absorption coefficient of multilevel uncooled infrared detedtors[C]//, 2011, 8012: 80121R-1-80121R -8.

[7] 雷述宇, 方輝, 劉俊, 等. 國產(chǎn)640×512非制冷氧化釩紅外焦平面探測(cè)器的研制[J]. 紅外技術(shù), 2013, 35(12): 759-763.

Uncooled VOInfrared Focal Plane Array Pixel Optical Design and Experiment Results

KONG Ling-de1，F(xiàn)ANG Hui2，YANG Chun-li1，HUANG Yan-zhi2，JI Yu-long1，YU Lian-jie1，YANG Wen-yun2，JI Rong-bin1

(1.,650223,；2..,100089,)

An uncooled VOinfrared focal plane array pixel optical design is proposed to improve infrared absorption coefficient of pixel microbridge. 8-14mm bands are generally used for the uncooled IR detector, an high IR absorption coefficient of pixel is needed. In this paper, we carry out optical simulation and optimization of pixel microbridge model of layer stacks. We adjust the pixel microbridge film thicknesses and air gap highnesses to form a syntonic cavity between the microbridge and the Al reflective film during the preparing processes. The optical design of pixel microbridge improved infrared absorption coefficient of pixel microbridge and relative spectral response in 8-14mm band, based on infrared Fourier reflection spectroscopy and relative spectral response test.

uncooled VOinfrared focal plane array，pixel optical design，syntonic cavity，infrared Fourier reflection spectroscopy，relative spectral response

TN215

A

1001-8891(2015)02-0097-04

2014-12-29；

2015-01-21.

孔令德（1981-），男，云南人，昆明物理研究所在讀博士研究生。主要從事非制冷紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性研究工作。E-mail： konglingde24@163.com。