基于热光效应的微机械非致冷光学读出红外成像阵列研究

红外成像技术在军事、民用领域应用十分广泛，面对西方国家的禁运、限运政策，自主研发高性价比的红外成像器件显得十分急切。本项目提出研制一种基于热光效应的微机械非致冷光学读出红外成像阵列（TO-MEMS-ORUIRIA），它基于热光材料折射率的变化对读出光反射光强进行调制而实现红外探测，勿需致冷和读出电路；无可动部件，震动噪声小；光学系统易小型化。热导和红外辐射利用率是影响器件性能的重要因素，本项目通过特殊的隔热柱结构设计，使其高度达几十微米，有效降低了器件热导；通过在多层介质膜中设计专门的红外吸收层和去除像素正下方硅衬底，显著提高了器件在8-14μm波段的红外辐射利用率。研究内容主要包括：TO-MEMS-ORUIRIA红外成像机理、优化设计及制作技术研究；制备TO-MEMS-ORUIRIA并进行性能测试。项目的开展将突破TO-MEMS-ORUIRIA在设计和制作等方面的关键基础技术。

红外成像技术在军事、民用领域应用十分广泛，面对西方国家的禁运、限运政策，自主研发高性价比的红外成像器件显得十分急切。本项目研制了一种基于热光效应的微机械非致冷光学读出红外成像阵列（TO-MEMS-ORUIRIA），它基于热光材料折射率的变化对读出光反射光强进行调制而实现红外探测，勿需致冷和读出电路。主要研究内容及结果包括：.1、提出了一种新的TO-MEMS-ORUIRIA结构设计：通过特殊的隔热柱结构设计，使其高度达几十微米，有效降低了器件热导，避免了多层介质膜与衬底的粘附，提高了器件的填充因子；通过在多层介质膜中设计专门的红外吸收层，显著提高了器件在8-14μm波段的红外辐射利用率。.2、深入研究了TO-MEMS-ORUIRIA的成像机理，弄清了影响器件关键性能参数（红外吸收率，热光灵敏度，像素温度响应，热响应时间，噪声等效温差）的因素。.3、深入研究了等离子增强化学气相沉积（PECVD）淀积工艺参数与介质薄膜复折射率、表面粗糙度以及薄膜应力之间关系，优化了工艺条件。.4、通过理论分析、仿真模拟并考虑到工艺制作等问题，确定了膜系结构：<HL>230.1H<LH>216L。.5、攻克了TO-MEMS-ORUIRIA工艺制备中的关键问题，比如锚的制备，衬底腐蚀面平整性等问题，最终制备出了具有平整像素结构的TO-MEMS-ORUIRIA芯片。.6、设计的器件在8-14μm波段平均红外吸收效率65.3%，与Aegis半导体公司的器件比较平均红外吸收效率提高了21%；关键性能指标热光灵敏度的理论值和测试值分别为6.38%K-1、5%K-1；制备的器件阵列规模为120×160；实验表明TO-MEMS-ORUIRIA对人体红外辐射有响应。.上述研究表明TO-MEMS-ORUIRIA有望发展成为一种高性价比的红外探测器。