摘 要: 通过红外热释电探测器工作原理的分析，采用合适的半导体加工工艺将铌酸锂晶体母材减薄，并对减薄后铌酸锂晶片进行溅射镀膜将其制成红外敏感单元 选用 放大器与匹配的电阻电容组成前置放大电路，对热释电信号进行放大和转换; 根据红外光谱吸收原理，在敏感单元前封装了窄带滤光片从而提高了敏感单元选择吸收的性能 将敏感单元前置放大电路和窄带滤波片三部分封装在一个壳体内，红外探测器制作成功 设计了信号调理电路，对从探测器得到的热释电信号进行二次放大和滤波; 搭建了探测器响应测试系统，对探测器的性能进行测试，测试验证了该探测器设计的合理性
关键词: 铌酸锂晶片; 热释电探测器; 红外吸收; 电路设计;
热释电红外探测器是一种利用材料热释电效应制成的热型探测器，它不响应于恒定强度入射的光辐射，只对交变的光辐射有响应［］红外热释电探测器因其响应速度快，光谱响应范围宽，并且该探测器制作工艺相对简单，所以近些年受到了人们的极大关注，同时热释电探测器在防入侵系统自动化控制和光谱吸收型气体检测方面也有巨大的应用，其发展前景十分可观［］
铌酸锂( ，简称 ) 晶体是一种重要的具有多功能声光 铁电压电及非线性等特点的晶体材料［］，该晶体具有较高的热释电系数，较高的居里温度( ) ，相对低的介电常数，而且化学物理性能稳定，所以被广泛用作红外探测器敏感元件 本文主要介绍铌酸锂探测器的制备以及后续电路的设计，随后搭建测试系统并对探测器的性能进行测试
热释电红外探测器工作原理分析
热释电晶体材料具有强烈的自发极化特性，但这些材料通常并不显示出外电场，或是通过内部自由电荷的分布抵消内电矩或是通过捕获大气中的浮游电荷保持平衡［］当热释电材料吸收非恒定强度的红外辐射后，随之产生温度变化在这些材料表面内部会产生电荷强弱的变化，由于表面上的电荷变化速率要远小于内部电荷的变化速率，内外层电荷会出现失步 现象，即在表面电荷重新达到平衡的短暂时间内，将出现独立的电荷［］，如果在晶体的上下表面镀膜上电极并接上负载就会有电流通过
用交变频率为 的红外光照射铌酸锂晶体，其温度和自发极化强度［］会按照频率 而变化，通过上下电极接通电阻为 的负载，产生的电流可以表示为:( )为热释电晶体的极化矢量; 为晶体的热释电系数; 为晶体的温度变化率
由此可以写出这种热释电红外探测器加在负载电阻 上的电压:( )( )从式( ) 可以看出，热释电探测器的响应正比于热释电系数和温度变化率 热释电系数 取决于材料 本 身 的 特 性，所 以 ，而 材 料 的 热容 ，既而 晶片的热 容 正 比 于 晶片的厚度，所以减薄晶片厚度有助于提高输出电压
探测器敏感单元的制备
减薄铌酸锂晶片铌酸锂晶片具有热释电效应，普通的铌酸锂晶片厚度为 ，把这样的晶片制成热释电探测器的敏感单元，因为热容很大，信号响应时间较长并且信号也很微弱，不便于检测在实际应用中晶片能够检测到热释电效应时，晶片的厚度在几十 以下，所以在应用中铌酸锂晶片要减薄 目前，普遍的减薄方法主要有: 铣磨离子束刻蚀湿法刻蚀等［］兼顾材料节省和较快的加工速度，本设计中采用铣磨的方法对晶片进行减薄［］晶片要从 减薄到几十 ，在研磨清洗等过程中很容易破碎，所以选择用硅做衬底，在研磨减薄前我们把 晶片和硅片键合在一起来增加器件的成品率［］采用间接键合的方法，利用焊锡片作为中间层，通过加热处理将硅片和晶片键合到一块图 描述了敏感单元的减薄抛光键合剥离镀膜加工工艺流程减薄后晶片性能测试与结果分析晶片表面粗糙度测试减薄 抛光过的铌酸锂晶片表面的粗糙度情况直接决定着红外探测器的优劣 晶片表面的平整度影响着其热释电性能，粗糙度越大得到的热释电信号就会嘈杂无序，并且还决定后续电极层和晶片的粘合度，很可能会在尖峰的部位出现无薄膜的现象，再严重的话将会对晶片的热释电性能造毁灭性的影响运用原子力显微镜( ) 对减薄后的铌酸锂晶片进行观察和分析，图 为 晶片二维三维形貌图，图 为晶片表面高度分析图通过 观察得到的面粗糙度分析报告可知晶片表面平均粗糙度只有 ，表面形貌最大的峰峰值是 由于我们沉积的电极金属薄膜在 以上，所以 晶片这个粗糙度值对探测器性能的影响可以忽略晶片介电常数测试介电常数作为热释电材料的重要参数［］，其大小决定了晶片本身储能释放电荷的能力，铌酸锂晶体在减薄抛光后其介电常数有没有受到损伤有必要对其进行验证为了得到晶片减薄后的介电常数，我们搭建了介电常数测试系统，其主要是由材料特性分析仪微电流测试仪自动温控仪和计算机组成 图 和图分别是减薄前后 晶片相对介电常数随温度变化的曲线从图中可以看出， 晶片的相对介电常数会随温度的升高而升高， 晶片减薄前 和 对应的相对介电常数是 和 ，晶片减薄后和 对应的相对介电常数是 和 相比较之下，晶片减薄后相对介电常数减小，这也说明介电常数会随着这 晶片的减薄而减小，也就是说铌酸锂晶片的热释电现象会随着其厚度变小响应更加明显，这也是铌酸锂晶片减薄的意义所在制备电极层在减薄好的 晶片上下表面进行镀膜，做出上下电极 常用的镀膜方法有: 真空蒸发分子束外延溅射化学气相沉积朗缪尔布洛吉特法等［］本设计选择溅射的工艺方法对铌酸锂晶片进行镀膜: 溅射工艺一般用于沉积金属电极，溅射出的靶原子凝结能量高，得到的金属薄膜和晶片间的粘合力大，并且溅射技术可控性高，工艺流程简便常用的电极材料有金铝铜镍铬合金等 我们首先要考虑的是各种靶材和 晶片黏附性的强弱，其次是在加工完成后的稳定性，还有就是导热性和热容以及吸收红外辐射的能力 表 是几种金属材料的物理属性以及和铌酸锂晶片黏附性的比较表 金属材料的特性材料熔点 热导率( )电导率( )黏附力( 与 晶片)优秀好好优秀从表 可知，上述几种金属材料和 晶片的黏附力都不错，因为其价格太高考虑到成本问题弃用; 在空气中容易氧化，形成的铝膜电极不够稳定放弃使用 因其导热率低，能使敏感单元接收到的热量不会过快的传导出去，并且粘附力很优秀，所以选择选择镍铬( ) 材料作为下电极 金属的热导率和电导率都比其他金属要好，能使接收到的热量及时传到到电极下面的敏感单元，并且粘附力也不错，所以选择 材料作为敏感单元的上电极通过减薄和溅射镀膜，将铌酸锂母材制备成探测器的敏感单元探测器封装设计通过上述方法可以制备出探测器的敏感单元，为了提高其热吸收性能和选择吸收红外辐射能力，在敏感单元的前端封装一片窄带滤波片 采用环氧树脂将滤光片封装在壳体的顶端，这样的结构构成了一个窗口使红外辐射能选择性地通过，传达到铌酸锂敏感单元上制作好的敏感单元具有热释电效应，在交变红外光照射下会有热释电电流出现 热释电信号为电流信号，信号一般都很微弱，要想进行信号处理必须要经过前置放大电路放大［］铌酸锂敏感单元的源内阻非常大，能达到 左右，所以信号前置放大电路要有非常高的输入内阻 选择合适的元件与源内阻匹配进行信号放大，本 设 计 选 择型结型场效应管，结型场效应管具有内阻大噪声低和输入电流小等优势 敏感单元的前置放大电路使用源极跟随器结构 源极跟随器具有结构简便 噪声小等特点，适合在集成探测器中使用，其电路结构如下图 所示，敏感单元等效为一个交变电流源( ) ， 是输入电阻，是滤波电容，是负载电阻 敏感单元信号前置放大电路滤光片都被真空封装在一个 型的金属管内，从而红外探测器制备完成，图 为其实物图信号调理电路设计经过前置放大电路的转换和放大，热释电信号也只有几毫伏，并且和各种频率的噪声掺杂在一块，要想直观的观察和测量需要进一步的放大和滤波在本设计中采用 公司的 双路精密运算放大器， 内部包括有两个独立的 高增益内部频率补偿的双运算放大器，适合于单电源使用，也适用于双电源工作模式 放大电路输入端为从敏感单元提取到的热释电电压信号热释电信号首先经过隔直电容 ，滤除原始信号中的不稳定的直流偏置电压 通过调整滑动变阻器 的阻值可以改变放大器增益，进而得到一个合适的放大倍数，放大器放大倍数由式( ) 表示 该信号调理电路是一个带通滤波放大器，高通截止频率 为: ; 低 通 截 止 频 率 为:图 为该信号调理电路［( ) ( ) ］ ( )利用仿真软件 仿真出信号调理电路幅频特性曲线，从图 中可以看出，该电路对的信号具有很好选择放大功能热释电红外探测器性能测试探测器接收的红外辐射信号由黑体炉提供，黑体炉加热到［］，在黑体炉后加一个斩波器，黑体炉的辐射通过斩波器可以为探测器提供交变的红外辐射信号 黑体炉在斩波器的作用下提供的信号经过滤光片照射到探测器的敏感单元，敏感单元由于温度的变化产生热释电电流，通过前置放大电路可以把微弱的电流信号转换为放大的更直观的电压信号; 而后经过信号调理电路，将最终得到的热释电信号通过示波器显示出来热释电红外探测器输出信号的强弱受入射红外辐射频率的影响很大，当入射辐射频率较低时，输出信号的幅值受入射辐射的影响比较小 由于热释电探测器敏感元自身具有一定的热容，随着红外入射频率的逐渐增加，其升温和降温的频率小于了入射辐射的频率，热释电探测器输出的信号就会逐渐变小，直至消失 在我们测试时，入射辐射从 开始调节逐渐增加到 ，探测器输出信号的幅值就如图 所示，一直在下降 由图 可知，斩波器的调制频率不适合太高，综合第 节关于信号调理电路幅频特性分析，把斩波器的频率定为由第 节的理论分析可知，探测器敏感元的厚度对探测器的探测率影响很大，在一定范围内，晶片越薄输出响应越大 为此，专门在相同工艺条件下制作了三组敏感单元，敏感元面积均为，厚度分别为: 将三组厚度不同的片子做成红外探测器，并同时放在我们搭建的信号响应测试系统下给予相同的辐射条件进行测试 给红外探测器提供一个频率为 ，峰峰值为 的红外辐射信号，探测器接受到红外辐射后经过前置放大电路信号调理电路后在示波器上显示热释电信号 厚的铌酸锂晶片制作成的探测器敏感单元响应的峰峰值分别是 测试结果表明: 在相同辐射条件下，晶片越薄探测器的输出的响应越大，在 到 的晶片厚度范围内，晶片减薄的厚度和输出峰峰值响应增加的大小成正比 测试结果和上文的分析相一致，随着晶片厚度的减小输出峰峰响应呈线性增大趋势( 如图 所示) ，从而也验证了铌酸锂晶片减薄的意义后经过多次重复测量，发现该热释电信号重复性很好，信号的峰峰值和频率一直很稳定，测试结果说明: 该设计切实可行，热释电信号经过提取滤波放大后得到了可以测量的水平，具有很强的实际运用意义，并且也证明了我们对铌酸锂母材做的各种工艺加工并没有对铌酸锂晶体的热释电特性造成损伤
结论
本文成功的设计并制作了铌酸锂薄片热释电红外探测器 通过设计前置信号提取放大电路和调理电路将热释电电流进行转换 放大滤波，使对热释电信号的测量变得更加准确 方便和直观而后搭建了探测器响应测试系统，对制作的热释电探测器的性能进行测试，测试结果显示所研制探测器输出信号响应明显，并且该信号具有较高的稳定性和重复性，验证了整个器件设计的合理性 这些研究为今后红外探测器的加工工艺优化 应用 测试等具有一定参考价值
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