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32×32微测辐射热计SEM照片
×200 倍
×500倍
测试系统原理图
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像元编号
像元黑体响应电压 (µ V)
像元响应率 (V/W) 1.52×104 1.23×104 1.11×104 1.46×104 1.42×104 1.35×104 0.99×104 1.44×104 1.56×104 1.28×104
读出电路 X 向电极
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微桥结构设计
• 热学设计 低热导和合适的热响应时间 • 光学设计 提高填充系数和红外吸收率 • 力学设计 确保结构的机械力学稳定性
1. 00 0. 90
吸 0. 70 收 0. 60 率 0. 50 （ 0. 40 ％） 0. 30
0. 20 0. 10 0. 00 1. 0 3. 0 5. 0 7. 0 9. 0 11. 0 13. 0 15. 0
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 2π 1.67μm 1.96
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 1.7 π 1.42μm 2.35
硅 3.4
400μm 4μm 1 8 0.95π 0.798μm 2.35
石英 1.47
400μm 0.5μm 1 8 2π 1.06μm 4.5
性能测试
衍射效率
微测辐射热计物理模型
微测辐射热计热学模型
热绝缘微桥结构
V dV I 0 dR dT I 0 R ＝ dQ dT dQ Geff
微桥结构 50 μm Y 向电极 红外 辐射 0.5μm
Gleg kleg
Aleg l
探测器响应率与探测 器和衬底间的热导G 呈反比，利用微桥结 构降低二者间的热导
• 应力平衡技术
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读出电路芯片制作
光 敏 区 积分 电容 区 时序驱动 和信号读 取区 单个CMOS读出电路芯片照片
CMOS读出电路4英寸晶元照片
互连孔刻蚀
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单片集成优点
•
• • 构 •
低互连成本 高可靠性 可以实现极低热导结
可以制作谐振腔,提高 吸收率 • 芯片成本低
-1
磁控溅射
薄 膜 电 阻 （k 10 Ω）
100
2# TCR=-2.7%K
-1
3# TCR=-2.0%K
-1
4# TCR=-1.1%K
-1
薄 膜 电 阻 （k Ω）
1 20 30 40 50 60 70 80
温度（℃）
温度（℃）
氧化钒薄膜电阻－温度关系曲线
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氧化钒薄膜XRD测试图谱
射
• 制备温度：25~250 ℃ • 薄膜方块电阻：20 ~ 50 kΩ • 薄膜薄膜电阻温度系数：-1%～-3%/K • 均匀性：<5% (4 in，磁控) • 薄膜结构: 混合相VOx或者亚稳态相VO2(B)
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工艺优化（离子束溅射）
B
100
1000
薄 膜 800 电 阻 600 （k Ω）
130.0 120.0 110.0 100.0 90.0 80.0 70.0 *<64.8癋 *>230.0癋 220.0 200.0 180.0 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 *<59.0癋
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TCR
1 dR d ln R R dT dT
成像效果对比
未集成微透镜
集成微透镜
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• 石英衍射微透镜
自对准工艺 (专利ZL02138792.3)
Array: 1500640 Pixel: 25 m 25 m
聚合物微透镜制作技术
• 使用聚合物的理由
第一次光刻胶图形 （ a）
· 第一次离子刻蚀（二相位微透镜）
· 理论衍射效率：４１％
第二次光刻掩模版
第二次光刻胶图形
（b）
· 第二次离子刻蚀（四相位微透镜） · 理论衍射效率：85%
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第三次光刻掩模版
第三次光刻胶图形
（C）
· 第三次离子刻蚀（八相位微透镜） · 理论衍射效率：95%
400 200 0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
薄 80 膜 电 阻 60 （ k 40 Ω ）
20 0 30 35 40 45 50 55 60
氧分压 (%)
屏栅电流（mA）
薄膜方块电阻与氧分压关系曲线
薄膜电阻与屏栅电流关系曲线
氧化钒薄膜电阻温度曲线测试
反应离子束溅射
1# TCR=-3.1%K
20
30
40
50
60
70
衍射角 2θ （°）
衍射角 2θ （°）
混合相VOx
亚稳态相VO2(B)
氧化钒薄膜SEM照片
离子束 (×100,000倍)
磁控 ×80,000倍
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微测辐射热计器件理论
像元A 光敏面Ad 支撑桥腿 四周环境 Grad
红外辐射 红外辐射
探测器
Gleg 硅衬底
读出电路 硅衬底
TCR=-0.0236K－1 R0(20℃)=13.5 kΩ/方 块
LnR(Ω)
室温电阻约15~20 kΩ， 电阻温度系数-2.0%K-1。 与VO2薄膜不同，这 种薄膜在68℃时无半 导体－金属相变，薄 膜电阻的对数与测试 温度的倒数呈近似直 线关系.
1/T (K)
氧化钒热敏薄膜制备
• 两种制备方法：反应离子束溅射和磁控溅
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微纳光电子系统
第二章 微纳光电器件简介
内 容
VO2薄膜材料及其应用 微透镜与红外CCD集成技术 微小型光学扫描器及其应用 MEMS红外气体传感器

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1. VOx薄膜材料及其应用
1959年美国贝尔实验室Morin发现钒的金属氧化物具有电 阻温度相变特性；目前该材料的相变机理至今仍然未完 全掌握。 该材料在相变过程中，许多物理参数，如电阻率，光学 折射率都发生了突变，具有非常广泛的器件应用前景。 金属钒的8℃附近，最接近室温;当温度 低于68℃时，VO2呈现半导体相，材料电阻率为10 Ω · cm 量级；当温度高于68℃时，VO2呈现金属相，电阻率下降 至10-3 Ω · cm左右。在很小的温度范围内(0.1℃），电阻 率变化了4-5个数量级。与此同时，材料的光学特性在相 变时也发生了突变，从低温半导体相对红外光的高透射 转变为高温金属相对红外光的高反射.
套刻误差的影响
菲涅耳透镜存在δ 对准误差
存在套刻误差的微透镜
在横向误差（包括线宽误差和对准误 差）和深度误差中，以对准误差的影响 最大 衍射效率随对准误差衰减速度很快。
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离子束刻蚀
反应离子刻蚀
集成技术

PtSi红外CCD: 256× 256元, 528× 528元
- 单元尺寸: 40 m × 40m, 30 m × 30 m;
V4O9
100000
低温 低速
V2O5 VO2 VO2 VO2 VO2 VO2 VO2 Si VO2 VO2 VO2 Si V2O3 VO2 VO2 VO2
中温,中速
12000
Si VO2(B)
9000
10000
6000
1000
3000
VO2(B) VO2(B)
100
0
20
30
40
50
60
70
80
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应用 -- 国防、军事
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消防
医疗
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医疗 SARS
工业设备预知性检测及维护 -- 电子
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工业设备预知性检测及维护 -- 土木、建筑
工业设备预知性检测及维护 -- 电气设备
*>138.4癋
*>57.0癈 56.0 54.0 52.0 50.0 48.0 46.0 44.0 42.0 40.0 38.0 36.0 34.0 32.0 30.0 28.0 26.0 24.0 *<23.0癈
B (1,3) B (2,3) B (3,11) B (3,23) B (4,30) B (10,30) B (12,31) B (20,23) B (30,23) B (32,10)
76 61.5 55.5 73 71 67.5 49.5 72 78 64
2. 微透镜与红外CCD集成技术
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像元噪声电压 (µ V) 10.2 11.3 8.9 11.5 12.1 12.6 11.2 7.6 9.0 8.5
噪声等效功率 （W） 6.7×10-10 9.2×10-10 8.0×10-10 7.9×10-10 8.5×10-10 9.3×10-10 11.3×10-10 5.3×10-10 5.8×10-10 6.6×10-10
基本工艺：
涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、刻蚀、去胶 优化涂胶工艺，减少边缘 凸起效应、几何效应和伯努 利效应； 提高刻蚀重复性；
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影响衍射效率的因素
光刻工艺中的线宽误差、图样对准误差、随机刻蚀深 度误差、轮廓倾斜、第二种淀积材料的重叠将会在面 浮雕结构上造成同心峰或同心谷，减少衍射效率 。 在横向误差（包括线宽误差和对准误差）和深度误差中， 以对准误差的影响最大。当相对深度误差小于10%时， 非涅尔衍射微透镜的衍射效率下降低于3%，而当大于 10%时，衍射效率下降很快。