非制冷氧化钒红外焦平面像元光学设计与试验验证

孔令德，方 辉，杨春丽，黄艳芝，姬玉龙，余连杰，杨文运，姬荣斌



非制冷氧化钒红外焦平面像元光学设计与试验验证

孔令德1，方 辉2，杨春丽1，黄艳芝2，姬玉龙1，余连杰1，杨文运2，姬荣斌1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 北方广微科技有限公司，北京 100089）

非制冷氧化钒红外焦平面像元光学设计旨在提高像元对红外辐射的吸收性能。由于非制冷红外探测器的工作波段通常在8～14mm范围内，要求像元在这个波段内具有较高的红外吸收率。采用光学导纳理论，进行像元微桥结构多层光学膜系优化设计。在器件工艺过程中，调节了桥面膜厚和高度，使桥面与Si衬底上金属反射层之间形成一个谐振腔结构。通过红外傅里叶反射光谱和相对光谱响应测试分析验证表明：像元微桥结构光学设计后，增强了非制冷探测器微桥结构像元在8～14mm波段的红外吸收率和相对光谱响应。

非制冷氧化钒探测器；像元光学设计；谐振腔；傅里叶反射光谱；相对光谱响应

0 引言

一般而言，VO非制冷红外焦平面探测器响应率对波长是没有选择性，但由于热学设计考虑，需制备成悬空微桥谐振腔结构，同时微桥面膜层也具有特征吸收峰。所以，响应率常随波长波动变化，光学设计的目的在于最大限度提高微桥面在8～14mm波段的红外吸收能量[1-4]。通常可以采用内谐振腔和外谐振腔两种方案设计微桥面光学谐振腔增强吸收结构[5-6]。其中，内谐振腔结构不必精确控制空气隙尺寸，也不必在读出电路上制作全反射电极，但当热敏层材料折射率较低时，必须制备较厚的热敏层，不利于减小桥面热容，不利于获得较小的像元热时间常数；外谐振腔结构采用较薄的热敏层材料，以减小桥面热容，以获得较小的像元热时间常数。但必须精确控制空气隙尺寸，并在读出电路上制作全反射金属层，精确控制空气隙尺寸，必须控制牺牲层的厚度[7]。

1 微桥结构像元光学设计理论

像元微桥结构的外谐振腔多层膜系由Air/ SiN(100nm)/ VO(100nm)/ SiN(500nm)/ Air Gap/ Al(100nm)组成（如图1所示），并通过MEMS器件工艺直接制备在读出电路表面上。桥面与读出电路中间空气隙层由聚酰亚胺牺牲层灰化去除后形成，以减小桥面热容，提高微桥面的绝热特性。读出电路上的金属Al层为全反射层，由此形成外谐振腔结构。通过Al层的多次全反射和微桥面的多次部分反射、部分吸收特性，增强像元在8～14mm范围内的红外吸收率。本文采用了光学导纳矩阵法，计算了该多层膜系的红外吸收率。

图1 像元微桥结构多层膜系模型

光学膜系设计的基本理论出发点是麦克斯韦方程组，若光学多层膜系中各介质层各向同性，Al层基底只有正向波，没有反向波，则在数学上，可以得到膜系的特征矩阵为(1)式：

式中：是各膜层的位相厚度；是各膜层的折射角；是各膜层的有效导纳，对于无吸收或吸收介质薄膜其行列式值都等于1，称为单位模矩阵，而且任意多个这样的矩阵乘积的行列式值也等于1。此外，多层膜和基片的组合导纳为＝/，入射介质为真空，则得到整个多层膜系统的反射率()、透射率()和吸收率()分别为(2)、(3)、(4)式：

()＝1－()－() (4)

又由普朗克定律可知，黑体在任意波长下的辐射出射度()为(5)式：

式中：1＝2p2＝3.7418×10－16W×m2；2＝/＝14388mm×K；t为黑体温度，取为300K。

由此，在忽略成像光学系统透镜、器件窗片和有效吸收面积对红外辐射的衰减作用条件下，可得微桥像元多层膜系在任意波段内吸收的红外辐射功率abs和平均吸收率eff为(6)、(7)式：

图2是采用Optilayer光学膜系设计软件，当代入SiN、VO、Al等膜层的红外光学色散曲线数据和300K黑体红外波段辐射出射度()理论数据后，得到的像元微桥结构多层膜系吸收率曲线图。

图2 像元微桥结构不同间隙高度下的吸收率

从图2中可分析得出：在图2(a)中，随着空气隙层高度由500nm、1000nm、2000nm、2500nm、3000～3500nm，由于Air/SiN(100nm)/VO(100nm)/SiN(500nm)/Air Gap/Al(100nm)多层膜系中各膜层的光学色散特性，并在外谐振腔的增强吸收作用下，形成了8～14mm波段的两个吸收率峰值；在图2(b)中，通过代入黑体在任意波长下的辐射出射度，计算得到像元微桥多层膜系结构在8～14mm范围内的平均吸收率，表现为先增加后减小，大约在空气隙层高度为2500nm左右时，平均吸收率出现最大值。

2 微桥结构像元光学设计试验验证

一般对于单一波长的光线来说，当空气隙层间距取/4时，器件像元多层膜系结构的平均吸收率出现最大值，即对应于空气隙层高度2500nm时，反推波长为10mm，这与室温300K物体辐射功率峰值位置较为一致，正是由于红外辐射能量分布的色散特性所致。此外，考虑SiN、VO、聚酰亚氨、Al的实现工艺情况，本文采用了傅里叶反射光谱和相对光谱测试验证的方法，验证了不同结构设计时所对应的器件像元红外吸收特性。

2.1 微桥结构像元傅里叶反射光谱测试分析

图3是聚酰亚胺（PI）高度系列像元微桥结构的红外反射特性曲线，PI层厚度分别为1.2mm、1.6mm、1.8mm、2.2mm、2.5mm时，实测微桥结构像元的傅里叶红外反射光谱曲线，表征了微桥结构像元在不同空气隙高度下的长波红外吸收特性变化规律，由PI层厚度为1.2mm时，微桥结构红外反射率“波谷”值在9.5mm左右，随PI层厚度增加到2.5mm，微桥结构红外反射率“波谷”值红移到10.2mm左右，接近室温300K物体的红外辐功率峰值。

2.2 微桥结构像元相对光谱测试分析

试验分别采用了傅里叶相对光谱测试仪和单色仪相对光谱测试仪，分析了PI高度为2.5mm时，VO非制冷红外焦平面探测器像元结构的相对光谱响应特性。此外，器件芯片真空封装时，采用了前截止波长7.7±0.2mm、后截止波长12.5～14mm的锗带通滤光片。

傅里叶相对光谱测试时，当器件工作在30Hz，50Hz，60Hz帧频时，器件像元的相对光谱响应测试曲线一致，测试像元的前截止波长为7.69mm，后截止波长为13.30mm，峰值响应率波长为10.67mm。说明：相对光谱测试结果与器件像元真空封装锗窗透过特性直接相关，而与器件工作帧频无关。结果如图4所示。

作为对比测试，试验同时采用了单色仪相对光谱测试方法，测试了器件在60Hz工作帧频时的相对光谱曲线，并在5Hz调制频率下，检测焦平面单个像元输出信号。得到的相对光谱测试曲线如图5所示。

图5中，测试像元的前截止波长为7.65mm，后截止波长为12.94mm。峰值响应波长为10.14mm。对比两种测试方法得到的结果可以发现，采用单色仪相对光谱测试方法，由于硅碳棒处于900℃左右高温，使得波长偏短部分辐射能量增加明显，截止波长向短波方向偏移，特别是后截止波长向短波方向偏移较大。同时11mm以后波段，由于像元信号电压减到1mV以下，信噪比低，显示锯齿状相对光谱响应曲线。

图3 聚酰亚胺（PI）高度系列像元微桥结构的红外反射率曲线

图4 像元微桥结构傅里叶相对光谱测试结果图

图5 像元微桥结构单色仪相对光谱测试结果

3 结论

在8～14mm段出现的像元反射率曲线“波谷”和相对光谱响应曲线“波峰”，正是由于微桥光学设计中谐振腔作用，增强了像元结构在该波段的吸收系数所致。采用Optilayer光学膜系设计软件，进行了像元微桥结构光学设计，当微桥面高度为2.5mm时，像元在8～14mm波段范围内的平均红外吸收率达到最高值约50%；采用红外傅里叶反射光谱测试，当微桥面高度由1.2mm增加到2.5mm时，微桥结构红外反射率“波谷”值红移到10.2mm左右；采用了傅里叶相对光谱测试仪和单色仪相对光谱测试仪测试分析发现，当像元PI高度2.5mm时，相对光谱响应率“波峰”位置在10mm左右，这与反射率“波谷”值较为一致。由此，当设计微桥面高度（即PI高度）为2.5mm时，既使得非制冷探测器微桥结构像元在8～14mm波段的平均红外吸收率达到最高值，又使得10mm左右的相对光谱响达到最高值，有利于提高对室温300K物体在辐射功率峰值10mm左右的光谱响应率。

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Uncooled VOInfrared Focal Plane Array Pixel Optical Design and Experiment Results

KONG Ling-de1，FANG Hui2，YANG Chun-li1，HUANG Yan-zhi2，JI Yu-long1，YU Lian-jie1，YANG Wen-yun2，JI Rong-bin1

(1.,650223,；2..,100089,)

An uncooled VOinfrared focal plane array pixel optical design is proposed to improve infrared absorption coefficient of pixel microbridge. 8-14mm bands are generally used for the uncooled IR detector, an high IR absorption coefficient of pixel is needed. In this paper, we carry out optical simulation and optimization of pixel microbridge model of layer stacks. We adjust the pixel microbridge film thicknesses and air gap highnesses to form a syntonic cavity between the microbridge and the Al reflective film during the preparing processes. The optical design of pixel microbridge improved infrared absorption coefficient of pixel microbridge and relative spectral response in 8-14mm band, based on infrared Fourier reflection spectroscopy and relative spectral response test.

uncooled VOinfrared focal plane array，pixel optical design，syntonic cavity，infrared Fourier reflection spectroscopy，relative spectral response

TN215

A

1001-8891(2015)02-0097-04

2014-12-29；

2015-01-21.

孔令德（1981-），男，云南人，昆明物理研究所在读博士研究生。主要从事非制冷红外焦平面器件结构设计、可靠性研究工作。E-mail： konglingde24@163.com。