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實驗室，上海200083)

1 引言

微橋結(jié)構(gòu)的非制冷探測器是當今紅外成像領(lǐng)域中的研究熱點［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)時間等重要指標具有直接影響，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、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行計算［2－3］。目前，常用測量熱導(dǎo)的方法有微量熱計法，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。

實驗通過烘箱自由降溫，并實時采樣記錄溫度和電阻數(shù)值的方法，對探測器微橋像元進行了熱導(dǎo)測試。實驗結(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)在電流達到一定值時減至負值，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)改進提供指導(dǎo)。

2 實驗原理

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，放置探測器杜瓦真空度低于10Pa，此時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，當微橋處于熱平衡狀況時有［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)。但實際上其電阻溫度系數(shù)α是隨溫度而變化的量，實驗中提供VO2薄膜的電阻溫度系數(shù)時，也需要同時說明獲得該數(shù)值時的溫度。因此，為了獲得更準確的非制冷探測器微橋的熱導(dǎo)數(shù)值，在進行數(shù)據(jù)處理時需要對電阻溫度系數(shù)α值進行修正。

理想的VO2薄膜在室溫附近使用時處于半導(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值在接下來的實驗中可以通過數(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)值逐點代入1/R—(－αI2)關(guān)系圖中。此時如果把所有1/R—(－αI2)數(shù)據(jù)點進行直線擬合則會引入較大的誤差，因此在實驗中依次將電流變化不大的幾個臨近點進行一次直線擬合，得到對應(yīng)不同溫度的準確熱導(dǎo)值。

器件工作時，考慮偏置電流引入的焦耳熱，熱傳導(dǎo)方程為［4］:

上式右邊第一項是偏置電流引起的焦耳熱，第二項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。因為i、R都是溫度T的函數(shù)，根據(jù)實際測試連接方式，上式右邊第一項可以重寫為:

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:

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

其中:

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

3 實驗過程

3.1 實驗條件及設(shè)備

實驗中測試所用器件為實驗室制得的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，微橋支撐橋腿由機械強度很高、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是實驗電路圖。

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

實驗中使用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，實驗時每隔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，本實驗采用烘箱自由降溫并實時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)定時開始采集數(shù)據(jù)，每隔5 s同時記錄一組電阻、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 實驗結(jié)果及分析

測試時使用機械泵+分子泵機組可將杜瓦腔體抽至高真空(數(shù)表顯示2×10－3Pa)，實際上，當真空度優(yōu)于10 Pa時，空氣熱導(dǎo)幾乎可忽略不計。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，薄膜電阻因為自熱效應(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，電阻隨之變化的T～R關(guān)系圖。實際處理數(shù)據(jù)時，把每0.1℃記錄的多組電阻測試值取平均數(shù)作為該溫度的實際對應(yīng)值，為使數(shù)據(jù)點清晰可辨，圖中數(shù)據(jù)散點的間隔為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，若不進行 TCR矯正，取材料在300 K，即27℃時的數(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

通過對比兩條實心點數(shù)據(jù)線以及空心點數(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)值在各個溫度段都有所減小，其結(jié)果更為接近實際值。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，在實驗中，最大有效熱導(dǎo)矯正比例達到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，當為負的時候，薄膜將會因過熱而損壞，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)計和使用時應(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進行變化矯正，使得最后的測試結(jié)果更為準確。通過對實驗室制得的器件像元進行測試并分析了有效熱導(dǎo)，在本次實驗中最大熱導(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)計中有實際使用價值。

致 謝:衷心感謝上海硅酸鹽研究所金平實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，推動了本文實驗的進行。

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