鈮酸鋰晶片熱釋電紅外探測器設(shè)計(jì)及性能測試*

劉 崗，梁 庭* ，林斯佳，李 穎，劉 俊

(1．中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051;2．中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

熱釋電紅外探測器是一種利用材料熱釋電效應(yīng)制成的熱型探測器，它不響應(yīng)于恒定強(qiáng)度入射的光輻射，只對交變的光輻射有響應(yīng)[1]。紅外熱釋電探測器因其響應(yīng)速度快，光譜響應(yīng)范圍寬，并且該探測器制作工藝相對簡單，所以近些年受到了人們的極大關(guān)注，同時(shí)熱釋電探測器在防入侵系統(tǒng)、自動化控制和光譜吸收型氣體檢測方面也有巨大的應(yīng)用，其發(fā)展前景十分可觀[2]。

鈮酸鋰(LiNbO3，簡稱LN)晶體是一種重要的具有多功能聲光、鐵電、壓電及非線性等特點(diǎn)的晶體材料[3]，該晶體具有較高的熱釋電系數(shù)，較高的居里溫度(1 260℃)，相對低的介電常數(shù)，而且化學(xué)物理性能穩(wěn)定，所以被廣泛用作紅外探測器敏感元件。本文主要介紹鈮酸鋰探測器的制備以及后續(xù)電路的設(shè)計(jì)，隨后搭建測試系統(tǒng)并對探測器的性能進(jìn)行測試。

1 熱釋電紅外探測器工作原理分析

熱釋電晶體材料具有強(qiáng)烈的自發(fā)極化特性，但這些材料通常并不顯示出外電場，或是通過內(nèi)部自由電荷的分布抵消內(nèi)電矩或是通過捕獲大氣中的浮游電荷保持平衡[4]。當(dāng)熱釋電材料吸收非恒定強(qiáng)度的紅外輻射后，隨之產(chǎn)生溫度變化在這些材料表面、內(nèi)部會產(chǎn)生電荷強(qiáng)弱的變化，由于表面上的電荷變化速率要遠(yuǎn)小于內(nèi)部電荷的變化速率，內(nèi)、外層電荷會出現(xiàn)“失步”現(xiàn)象，即在表面電荷重新達(dá)到平衡的短暫時(shí)間內(nèi)，將出現(xiàn)獨(dú)立的電荷[5]，如果在晶體的上下表面鍍膜上電極并接上負(fù)載就會有電流通過。

用交變頻率為w的紅外光照射鈮酸鋰晶體，其溫度和自發(fā)極化強(qiáng)度[6]會按照頻率w而變化，通過上下電極接通電阻為R的負(fù)載，產(chǎn)生的電流可以表示為:

P為熱釋電晶體的極化矢量;ρ=dP/dT為晶體的熱釋電系數(shù);dT/dt為晶體的溫度變化率。

由此可以寫出這種熱釋電紅外探測器加在負(fù)載電阻R上的電壓:

從式(2)可以看出，熱釋電探測器的響應(yīng)正比于熱釋電系數(shù)和溫度變化率。熱釋電系數(shù)ρ取決于材料本身的特性，所以 V∝dT/dt，而材料的熱容H∝dt/dT，既而V∝1/H。晶片的熱容正比于晶片的厚度，所以減薄晶片厚度有助于提高輸出電壓。

2 探測器敏感單元的制備

2．1 減薄鈮酸鋰晶片

鈮酸鋰晶片具有熱釋電效應(yīng)，普通的鈮酸鋰晶片厚度為500 μm，把這樣的晶片制成熱釋電探測器的敏感單元，因?yàn)闊崛莺艽螅盘栱憫?yīng)時(shí)間較長并且信號也很微弱，不便于檢測。

在實(shí)際應(yīng)用中晶片能夠檢測到熱釋電效應(yīng)時(shí)，晶片的厚度在幾十μm以下，所以在應(yīng)用中鈮酸鋰晶片要減薄。目前，普遍的減薄方法主要有:銑磨、離子束刻蝕、濕法刻蝕等[7]。兼顧材料節(jié)省和較快的加工速度，本設(shè)計(jì)中采用銑磨的方法對晶片進(jìn)行減薄[8]。LN 晶片要從 500 μm 減薄到幾十 μm，在研磨、清洗等過程中很容易破碎，所以選擇用硅做襯底，在研磨減薄前我們把LN晶片和硅片鍵合在一起來增加器件的成品率[9]。采用間接鍵合的方法，利用焊錫片作為中間層，通過加熱處理將硅片和LN晶片鍵合到一塊。

圖1描述了敏感單元的減薄、拋光、鍵合、剝離、鍍膜加工工藝流程。

2．2 減薄后晶片性能測試與結(jié)果分析

2．2．1 晶片表面粗糙度測試

減薄、拋光過的鈮酸鋰晶片表面的粗糙度情況直接決定著紅外探測器的優(yōu)劣。晶片表面的平整度影響著其熱釋電性能，粗糙度越大得到的熱釋電信號就會嘈雜無序，并且還決定后續(xù)電極層和晶片的粘合度，很可能會在尖峰的部位出現(xiàn)無薄膜的現(xiàn)象，再嚴(yán)重的話將會對晶片的熱釋電性能造毀滅性的影響。

運(yùn)用原子力顯微鏡(AFM)對減薄后的鈮酸鋰晶片進(jìn)行觀察和分析，圖2為LN晶片二維、三維形貌圖，圖3為晶片表面高度分析圖。

圖1 鈮酸鋰晶片加工工藝流程

圖2 LN晶片二維、三維形貌圖

通過AFM觀察得到的面粗糙度分析報(bào)告可知LN晶片表面平均粗糙度只有1．25 nm，表面形貌最大的峰峰值是19．9 nm。由于我們沉積的電極金屬薄膜在1 μm以上，所以LN晶片這個(gè)粗糙度值對探測器性能的影響可以忽略。

圖3 LN晶片表面高度分析圖

2．2．2 晶片介電常數(shù)測試

介電常數(shù)作為熱釋電材料的重要參數(shù)[10]，其大小決定了晶片本身儲能釋放電荷的能力，鈮酸鋰晶體在減薄拋光后其介電常數(shù)有沒有受到損傷有必要對其進(jìn)行驗(yàn)證。

為了得到晶片減薄后的介電常數(shù)，我們搭建了介電常數(shù)測試系統(tǒng)，其主要是由材料特性分析儀、微電流測試儀、自動溫控儀和計(jì)算機(jī)組成。圖4和圖5分別是減薄前后LN晶片相對介電常數(shù)隨溫度變化的曲線。

圖4 減薄前LN晶片相對介電常數(shù)

圖5 減薄后LN晶片相對介電常數(shù)

從圖中可以看出，LN晶片的相對介電常數(shù)會隨溫度的升高而升高，LN晶片減薄前100°和150°對應(yīng)的相對介電常數(shù)是27．3和30．1，LN晶片減薄后100°和150°對應(yīng)的相對介電常數(shù)是22．5和24．6。相比較之下，LN晶片減薄后相對介電常數(shù)減小，這也說明介電常數(shù)會隨著這LN晶片的減薄而減小，也就是說鈮酸鋰晶片的熱釋電現(xiàn)象會隨著其厚度變小響應(yīng)更加明顯，這也是鈮酸鋰晶片減薄的意義所在。

2．3 制備電極層

在減薄好的LN晶片上下表面進(jìn)行鍍膜，做出上下電極。常用的鍍膜方法有:真空蒸發(fā)、分子束外延、濺射、化學(xué)氣相沉積、朗繆爾布洛吉特法等[11]。本設(shè)計(jì)選擇濺射的工藝方法對鈮酸鋰晶片進(jìn)行鍍膜:濺射工藝一般用于沉積金屬電極，濺射出的靶原子凝結(jié)能量高，得到的金屬薄膜和晶片間的粘合力大，并且濺射技術(shù)可控性高，工藝流程簡便。

常用的電極材料有金、鋁、銅、鎳鉻合金等。我們首先要考慮的是各種靶材和LN晶片黏附性的強(qiáng)弱，其次是在加工完成后的穩(wěn)定性，還有就是導(dǎo)熱性和熱容以及吸收紅外輻射的能力。表1是幾種金屬材料的物理屬性以及和鈮酸鋰晶片黏附性的比較。

表1 金屬材料的特性

從表1可知，上述幾種金屬材料和LN晶片的黏附力都不錯(cuò)，Au因?yàn)槠鋬r(jià)格太高考慮到成本問題棄用;Al在空氣中容易氧化，形成的鋁膜電極不夠穩(wěn)定放棄使用。Cr20Ni80因其導(dǎo)熱率低，能使敏感單元接收到的熱量不會過快的傳導(dǎo)出去，并且粘附力很優(yōu)秀，所以選擇選擇鎳鉻(Cr20Ni80)材料作為下電極。Cu金屬的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都比其他金屬要好，能使接收到的熱量及時(shí)傳到到電極下面的敏感單元，并且粘附力也不錯(cuò)，所以選擇Cu材料作為敏感單元的上電極。

通過減薄和濺射鍍膜，將鈮酸鋰母材制備成探測器的敏感單元。

3 探測器封裝設(shè)計(jì)

通過上述方法可以制備出探測器的敏感單元，為了提高其熱吸收性能和選擇吸收紅外輻射能力，在敏感單元的前端封裝一片窄帶濾波片。采用環(huán)氧樹脂將濾光片封裝在殼體的頂端，這樣的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了一個(gè)窗口使紅外輻射能選擇性地通過，傳達(dá)到鈮酸鋰敏感單元上。

制作好的敏感單元具有熱釋電效應(yīng)，在交變紅外光照射下會有熱釋電電流出現(xiàn)。熱釋電信號為電流信號，信號一般都很微弱，要想進(jìn)行信號處理必須要經(jīng)過前置放大電路放大[12]。鈮酸鋰敏感單元的源內(nèi)阻非常大，能達(dá)到100 MΩ左右，所以信號前置放大電路要有非常高的輸入內(nèi)阻。選擇合適的元件與源內(nèi)阻匹配進(jìn)行信號放大，本設(shè)計(jì)選擇2SK545型結(jié)型場效應(yīng)管，結(jié)型場效應(yīng)管具有內(nèi)阻大、噪聲低和輸入電流小等優(yōu)勢。敏感單元的前置放大電路使用源極跟隨器結(jié)構(gòu)。源極跟隨器具有結(jié)構(gòu)簡便、噪聲小等特點(diǎn)，適合在集成探測器中使用，其電路結(jié)構(gòu)如下圖6所示，敏感單元等效為一個(gè)交變電流源I(Jw)，Rd是輸入電阻，Cd是濾波電容，Ri是負(fù)載電阻。敏感單元、信號前置放大電路、濾光片都被真空封裝在一個(gè)TO－18型的金屬管內(nèi)，從而紅外探測器制備完成，圖7為其實(shí)物圖。

圖6 前置放大電路

圖7 紅外探測器實(shí)物

4 信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

經(jīng)過前置放大電路的轉(zhuǎn)換和放大，熱釋電信號也只有幾毫伏，并且和各種頻率的噪聲摻雜在一塊，要想直觀的觀察和測量需要進(jìn)一步的放大和濾波。

在本設(shè)計(jì)中采用TI公司的LM358雙路精密運(yùn)算放大器，LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于單電源使用，也適用于雙電源工作模式。放大電路輸入端Active為從敏感單元提取到的熱釋電電壓信號。

熱釋電信號首先經(jīng)過隔直電容C1，濾除原始信號中的不穩(wěn)定的直流偏置電壓。通過調(diào)整滑動變阻器R5的阻值可以改變放大器增益，進(jìn)而得到一個(gè)合適的放大倍數(shù)，放大器放大倍數(shù)由式(3)表示。該信號調(diào)理電路是一個(gè)帶通濾波放大器，高通截止頻率為:f1=1/2πR2C1;低通截止頻率為:f2=1/2πR3C2。圖8為該信號調(diào)理電路。

利用仿真軟件Tina-TI仿真出信號調(diào)理電路幅頻特性曲線，從圖9中可以看出，該電路對3 Hz～4 Hz的信號具有很好選擇放大功能。

圖8 信號調(diào)理電路

圖9 信號調(diào)理電路幅頻特性曲線

5 熱釋電紅外探測器性能測試

探測器接收的紅外輻射信號由黑體爐提供，黑體爐加熱到600℃[12]，在黑體爐后加一個(gè)斬波器，黑體爐的輻射通過斬波器可以為探測器提供交變的紅外輻射信號。黑體爐在斬波器的作用下提供的信號經(jīng)過濾光片照射到探測器的敏感單元，敏感單元由于溫度的變化產(chǎn)生熱釋電電流，通過前置放大電路可以把微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為放大的更直觀的電

壓信號;而后經(jīng)過信號調(diào)理電路，將最終得到的熱釋電信號通過示波器顯示出來。

熱釋電紅外探測器輸出信號的強(qiáng)弱受入射紅外輻射頻率的影響很大，當(dāng)入射輻射頻率較低時(shí)，輸出信號的幅值受入射輻射的影響比較小。由于熱釋電探測器敏感元自身具有一定的熱容，隨著紅外入射頻率的逐漸增加，其升溫和降溫的頻率小于了入射輻射的頻率，熱釋電探測器輸出的信號就會逐漸變小，直至消失。在我們測試時(shí)，入射輻射從1 Hz開始調(diào)節(jié)逐漸增加到8 Hz，探測器輸出信號的幅值就如圖10所示，一直在下降。由圖10可知，斬波器的調(diào)制頻率不適合太高，綜合第4節(jié)關(guān)于信號調(diào)理電路幅頻特性分析，把斬波器的頻率定為3 Hz。

由第1節(jié)的理論分析可知，探測器敏感元的厚度對探測器的探測率影響很大，在一定范圍內(nèi)，晶片越薄輸出響應(yīng)越大。為此，專門在相同工藝條件下制作了三組敏感單元，敏感元面積均為5 mm×5 mm，厚度分別為:120 μm、80 μm、40 μm。將三組厚度不同的片子做成紅外探測器，并同時(shí)放在我們搭建的信號響應(yīng)測試系統(tǒng)下給予相同的輻射條件進(jìn)行測試。給紅外探測器提供一個(gè)頻率為3 Hz，峰峰值為5 V的紅外輻射信號，探測器接受到紅外輻射后經(jīng)過前置放大電路、信號調(diào)理電路后在示波器上顯示熱釋電信號。120 μm、80 μm、40 μm 厚的鈮酸鋰晶片制作成的探測器敏感單元響應(yīng)的峰峰值分別是108 mV、413 mV、630 mV。測試結(jié)果表明:在相同輻射條件下，晶片越薄探測器的輸出的響應(yīng)越大，在40 μm到120 μm的晶片厚度范圍內(nèi)，晶片減薄的厚度和輸出峰峰值響應(yīng)增加的大小成正比。測試結(jié)果和上文的分析相一致，隨著晶片厚度的減小輸出峰峰響應(yīng)呈線性增大趨勢(如圖11所示)，從而也驗(yàn)證了鈮酸鋰晶片減薄的意義。

圖10 紅外探測器幅頻特性曲線

圖11 不同晶片厚度輸出響應(yīng)擬合曲線

后經(jīng)過多次重復(fù)測量，發(fā)現(xiàn)該熱釋電信號重復(fù)性很好，信號的峰峰值和頻率一直很穩(wěn)定，測試結(jié)果說明:該設(shè)計(jì)切實(shí)可行，熱釋電信號經(jīng)過提取、濾波、放大后得到了可以測量的水平，具有很強(qiáng)的實(shí)際運(yùn)用意義，并且也證明了我們對鈮酸鋰母材做的各種工藝加工并沒有對鈮酸鋰晶體的熱釋電特性造成損傷。

6 結(jié)論

本文成功的設(shè)計(jì)并制作了鈮酸鋰薄片熱釋電紅外探測器。通過設(shè)計(jì)前置信號提取放大電路和調(diào)理電路將熱釋電電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、濾波，使對熱釋電信號的測量變得更加準(zhǔn)確、方便和直觀。而后搭建了探測器響應(yīng)測試系統(tǒng)，對制作的熱釋電探測器的性能進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示所研制探測器輸出信號響應(yīng)明顯，并且該信號具有較高的穩(wěn)定性和重復(fù)性，驗(yàn)證了整個(gè)器件設(shè)計(jì)的合理性。這些研究為今后紅外探測器的加工工藝優(yōu)化、應(yīng)用、測試等具有一定參考價(jià)值。

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