以高靈敏為特征的氧化釩非致冷紅外探測器的應用

張喬喬　高丹

摘 要：氧化釩非致冷紅外探測器屬于第三代紅外探測器，它廣泛應用于工業、農業、國防、醫療、交通等諸多領域，具有體積小、質量輕、功耗低、非致冷的優勢，研究學者在多年來都致力于提升該非致冷紅外探測器的靈敏度，并通過制備高電阻溫度系數的氧化釩薄膜、摻氮氧化釩薄膜和黑金吸收層，提高非致冷紅外探測器的性能。文章從氧化釩非致冷紅外探測器的工作原理、構造、材料制備、器件性能和測試等方面進行探討，并論述其發展前景。

關鍵詞：氧化釩；非致冷；紅外探測器；高靈敏；器件

1 微機電系統和非致冷紅外探測器概述

微機電系統主要是依據微機電和電化學方法而實現的，其核心元件包括：傳感單元和信號傳輸單元，由這些核心元件制成的傳感器可以傳感一些生物、化學、物理的參量存在和強度，具有靈敏、準確地測量最小樣品量的優點，它們成批地應用于工業領域，常用的傳感器有：光傳感器、生物傳感器、化學傳感器、壓力傳感器，而文章研究的是基于微機電系統中微加工技術的非致冷紅外傳感器。

非致冷紅外探測器廣泛應用于軍事和商務領域，成為了一種高需求技術，它通過微測輻射熱實現傳感功能，吸收紅外能量大小有關的器件溫度變化而引起的電參數的變化實現探測，由于它不是紅外直接探測，因而在具有更小的尺寸、更低的功耗的優勢之下，還有更長的響應延續時間，非致冷紅外探測器的高性能和低功耗優勢，使其在市場研發上達到很高的陣列：50um×50um和25um×25um像元尺寸，噪聲等效溫差可以低于30mK。伴隨著非致冷技術的發展，許多致冷型探測器的紅外成像系統也開始運用非致冷探測器陣列，在更高性能的紅外成像平臺上發揮作用。

2 非致冷紅外探測器的理論基礎

2.1 微測輻射熱計理論

微測輻射熱計是電阻性光敏元，當它接收到紅外輻射時，光敏材料的溫度增高，電阻即發生變化，電路就可以探測到相應電阻變化引起的微弱電流變化，實現探測。其探測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：假設微測輻射熱計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，它們之間的關系式表達為：△R=R△T。

α為電阻溫度系數，則有下列關系表達式：△R=αR△T。（如圖1所示）

2.2 離子束濺射原理

離子束濺射技術源于考夫曼離子火箭發動機原理，它可以實施對離子束的大小和方向的可控狀態，避免了對氧化釩薄膜的玷污。該技術有兩個離子源：一個是用于聚焦；一個是用于清洗，該裝置是正方體結構，在中間旋轉軸的作用下可以任意旋轉靶材架，同時在襯底附近沒有等離子體，不會使襯底溫度過高。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的氧化釩薄膜，具有較高的應用性能。

2.3 磁控濺射技術原理

在制備氧化釩薄膜的過程中，要有適宜的電學性能，還要與紅外焦平面后續的工藝具有兼容性，對于提高氧化釩薄膜電學性能的途徑，目前研究學界認為主要控制后退火工藝或在濺射時提高淀積溫度，而磁控濺射技術則可以相對降低襯底溫度，進行氧化釩薄膜的制備。另外，還可以在磁控濺射技術制備過程中引入少量的氮氣，制備出具有高電阻溫度系數的摻氮氧化釩薄膜，氮氣的增加在允許范圍內可以提高氧化釩薄膜電阻，然而填充的氮氣過多，則又會導致制備出的薄膜為氮氧化釩，不符合標準，同時，氮的含量摻入過高，又會導致釩靶出現氮化現象，使薄膜出現異常。然后，通過將合適氮氣充入條件下制備而成的薄膜，集成在微測輻射熱計中，其測試效果良好，說明磁控濺射技術制備出的薄膜具有良好的探測器兼容性，可以適用于探測器熱敏層。

3 提升高靈敏度非致冷紅外探測器性能的途徑

3.1 有效延長橋腿長度，快速降低熱導效應

光敏材料在理論上會對所接收的熱輻射全部吸收，而實際上卻有部分的熱損失。根據非致冷紅外探測器的熱導方式可知，具體用于熱導減小的方法有：采用陣列式結構減少與空氣對流的熱導、進行真空封裝減少與空氣對流的熱導、減少橋腿和襯底之間的熱絕緣面積而減少熱導。其中主要的熱導因素是橋腿長度、材料厚度和與襯底接觸的截面積，可以有效地通過延長橋腿長度，而減少熱導。

3.2 提高填充系數，增加熱導吸收

從理論而言，提高填充系數的意義是可以提高探測能力，目前，光子探測器的填充系數可以達到100%，而非致冷紅外探測器卻在30%以上，少數能夠超過60%。當前，可以通過體硅工藝和表面工藝提高填充系數。

3.3 提高熱敏薄膜的電阻溫度系數

這是紅外探測器中的一個重要測量參數，由于氧化釩材料自身就具備較高的負電阻溫度系數，它的大小可以直接影響到探測器的靈敏度，其值越高，則探測器的靈敏度越高，其值越低，則探測器的靈敏度越低。因此，氧化釩材料極其適合于用作紅外探測器的熱敏材料。在具體制備過程中，可以從兩個方面提升氧化釩薄膜的電阻溫度系數：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構；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，隨著材料科學的發展，氧化鋁薄膜也進入了研究者的視線，它以其高透射性、化學穩定性、高絕緣性的化學物理特質，而應用于紅外吸收的生活和工業各個領域。

3.5 采取真空封裝，制備紅外探測器

進行真空封裝需要適宜的匹配設計和工藝加工流程：（1）器件級封裝；（2）系統封裝。封裝過程主要采用真空回流焊工藝和真空電阻焊工藝，期間要注意的事項有：空腔的透過屬性、密封質量和熱傳導環境等。

4 結束語

基于MEMS技術和光電子技術之下，非致冷紅外探測傳感器的性能成為研究學界的熱點問題，通過對傳感材料的設計、原理應用和器件制備、測試等過程，可以提高氧化釩非致冷紅外探測器的性能，并以“微測輻射熱計”理論、離子束濺射原理、磁控濺射技術原理為技術基礎，制備出高靈敏度、兼容性好、粘附性強的紅外探測氧化釩薄膜，并探究非致冷紅外探測器的性能提升路徑。然而，在非致冷紅外探測的研究之中，仍需進一步論證如何降低制備溫度、延長薄膜的存儲時效性和耐老性能等。

參考文獻

[1]陳濤.具有相變特性的氧化釩薄膜制備與光學特性研究[D].天津大學，2011.

[2]羅振飛.氧化釩薄膜的制備及其電學、光學特性研究[D].電子科技大學，2012.