TCR矫正对非制冷探测器微桥热导测试的影响

邱宇峰，金 晶，翟厚明

(1.上海大学材料科学与工程学院电子信息材料系，上海200072;2.中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室，上海200083)

1 引言

微桥结构的非制冷探测器是当今红外成像领域中的研究热点［1］。其中，微桥的热导大小是描述微桥性能的关键参数之一，它对探测器的响应率、响应时间等重要指标具有直接影响，因此探测器微桥热导的精确测量对探测器结构设计、性能评估等都具有重要意义。对已有的非制冷探测器，在知道其微桥详细结构参数的情况下，热导大小可使用专门仿真软件进行计算［2－3］。目前，常用测量热导的方法有微量热计法，3ω法以及热比较法、光热法、1/R—(－αI2)曲线法等［4］。其中，1/R—(－αI2)曲线法是对微桥结构直接进行测试，更符合器件测试要求。因此，非制冷探测器微桥热导的测试采用1/R—(－αI2)曲线法较好。

实验通过烘箱自由降温，并实时采样记录温度和电阻数值的方法，对探测器微桥像元进行了热导测试。实验结果说明随着偏置电流的增大，有效热导和热导之间的差值随之增大，有效热导在电流达到一定值时减至负值，产生“自焚”现象。对比TCR矫正前后的数值，发现偏置电流越大，矫正效果越明显。TCR矫正的方法可以得到相对更为准确的热导数值，为成品探测器器件的热导评估以及后续的材料和结构改进提供指导。

2 实验原理

在非制冷探测器的微桥结构中，微桥热导主要来自三部分，即G=Gleg+Ggas+Grad，分别是微桥通过支撑桥腿与衬底互连产生的传导热导、微桥与周围气体接触产生的传导热导以及通过自身辐射产生的辐射热导。在室温下测试时，放置探测器杜瓦真空度低于10Pa，此时非制冷探测器的热导主要来自于支撑桥腿的传导热导［5－6］。

以VO2薄膜为热敏材料的非制冷探测器微桥若在电极两端通以小电流I，当微桥处于热平衡状况时有［4，7］:

根据公式(1)，如果假定电阻温度系数α为一定值，则可以画出1/R随(－αI2)变化的一条直线，其斜率的倒数即为微桥热导。但实际上其电阻温度系数α是随温度而变化的量，实验中提供VO2薄膜的电阻温度系数时，也需要同时说明获得该数值时的温度。因此，为了获得更准确的非制冷探测器微桥的热导数值，在进行数据处理时需要对电阻温度系数α值进行修正。

理想的VO2薄膜在室温附近使用时处于半导体相，因此采用半导体材料电阻与温度关系式:

根据电阻温度系数α的定义有:

式(3)中的A、B值在接下来的实验中可以通过数据拟合得到，这样就有了电阻R和电阻温度系数α的对应关系。接着将所得的α～R变化曲线中的对应数值逐点代入1/R—(－αI2)关系图中。此时如果把所有1/R—(－αI2)数据点进行直线拟合则会引入较大的误差，因此在实验中依次将电流变化不大的几个临近点进行一次直线拟合，得到对应不同温度的准确热导值。

器件工作时，考虑偏置电流引入的焦耳热，热传导方程为［4］:

上式右边第一项是偏置电流引起的焦耳热，第二项为探测单元吸收的辐射能，我们引入“有效热导”来简化上式。因为i、R都是温度T的函数，根据实际测试连接方式，上式右边第一项可以重写为:

根据电阻温度系数的定义，热传导方程可以改写为:

在稳态条件下，即只有很小的电流偏置引入焦耳热，无入射辐射时:

式中，T0是环境温度;T1为焦耳热作用下探测器像元达到的稳定温度;G0为T0下的热导。此时热传导方程可以简化为:

其中:

Ge是计入实际测试电流热效应后的参数，称之为有效热导。

3 实验过程

3.1 实验条件及设备

实验中测试所用器件为实验室制得的1×160非制冷探测器线列微桥像元，图1为微桥像元在光学显微镜下的俯视照片。微桥桥面尺寸为80 μm ×77 μm，微桥支撑桥腿由机械强度很高、热导较低的Si3N4薄膜及金属电极材料构成。为了降低微桥热导，提高器件响应率，微桥桥腿长宽比约为40/1。

图1 非制冷探测器微桥像元显微照片Fig.1 The photograph of the uncooled detector microbridge pixel under microscope

被测探测器芯片用50 μm硅铝丝键压于双列直插的28脚金属管座上，管座可安装在真空杜瓦中，真空杜瓦可被抽真空，其极限真空度优于1×10－3Pa。

图2是实验电路图。

图2 I-V测试示意图Fig.2 Schematic diagram for I-V test

实验中使用keithley2602精密数字电源。施加在微桥压脚两端的电压变化范围为10～300 mV，实验时每隔10 mV调整一次电压，并记录回路电流。

为了得到式(2)中的材料参数，需要测试微桥的电阻～温度对应关系。为了获得较高的温控及测量精度，本实验采用烘箱自由降温并实时采样记录温度和电阻数值的方法，具体操作为:将被测器件置于烘箱中，将烘箱温度升到60℃左右后关掉电源使其自由降温，到50℃温度稳定时开始采集数据，每隔5 s同时记录一组电阻、温度数值，直到温度降到室温附近(25℃)。电阻的读取使用Fluke45数字万用表，并利用VB语言编写的一个串口通信数据采集程序，通过Fluke45数字万用表的RS232串口与PC通讯，设定每隔5 s读取一次电阻数值并记录于Excel文档中;温度的读取使用具有自动数据记录功能的Fluke289数字万用表，该表带有可测温的热电偶探头，将热电偶探头伸入烘箱中，悬空置于待测器件附近，获得并记录温度数值。

3.2 实验结果及分析

测试时使用机械泵+分子泵机组可将杜瓦腔体抽至高真空(数表显示2×10－3Pa)，实际上，当真空度优于10 Pa时，空气热导几乎可忽略不计。图3直观显示出了真空对于降低热导的作用，由于真空环境下热导的降低，薄膜电阻因为自热效应而减小的趋势很明显。

图3 空气以及真空中电阻随电压的变化比较Fig.3 Comparision of the R-V relation in atmosphere and in vacuum

图4为微桥在25～50℃变化时，电阻随之变化的T～R关系图。实际处理数据时，把每0.1℃记录的多组电阻测试值取平均数作为该温度的实际对应值，为使数据点清晰可辨，图中数据散点的间隔为0.5℃。

图4 像元电阻温度关系Fig.4 Relationship between resistance and temperature of the pixel

由此对于以VO2为热敏材料的微桥，其拟合所得材料参数A、B 分 别 为:A =1.30458 ×10－5，B=4.21882 ×103。

则式(2)可写为:

一般情况下，若不进行 TCR矫正，取材料在300 K，即27℃时的数据。对于我们的氧化钒薄膜，利用式(3)有α=－0.0468。把电压10～30 mV时拟合到的热导作为G0，利用式(9)，T1是不同偏压下薄膜的实际中心温度，表1列出了部分的测试数据，ΔT=T1－T0，热导测试结果如图5所示。

表1 热导测试数据Tab.1 Thermal conductance testing data

图5 热导测试结果Fig.5 Thermal conductance testing result

通过对比两条实心点数据线以及空心点数据线，发现经过TCR矫正后的热导值比之不经矫正的数值在各个温度段都有所减小，其结果更为接近实际值。在测试过程中，通过微桥像元的电流越大，其矫正效果越明显，在实验中，最大有效热导矫正比例达到20.08%。此外分别对比两条方框形数据线和三角形数据线，看出有效热导与热导之间的差值随着偏置电流的变大急剧增加。单就有效热导Ge来看，其随着薄膜温度的提高一直在减小，当为负的时候，薄膜将会因过热而损坏，称为“自焚”，对于我们的器件，自焚现象发生在77℃附近。自焚现象在器件设计和使用时应避免。

4 结论

提出了一种非制冷探测器微桥像元的热导测试方法，该方法在原有的1/R—(－αI2)曲线测试方法基础上对TCR值α进行变化矫正，使得最后的测试结果更为准确。通过对实验室制得的器件像元进行测试并分析了有效热导，在本次实验中最大热导矫正比例为20.08%，有效热导和热导之间的差值随偏置电流的增大急剧增加，实际工作中应避免因电流过大而导致的有效热导减为负值的“自焚”现象。采用TCR矫正的微桥热导测试方法可以得到更接近实际值的热导数据，在非制冷探测器的热导参数评估与设计中有实际使用价值。

致 谢:衷心感谢上海硅酸盐研究所金平实教授和曹逊博士在非制冷探测器流片中给予的帮助，生长了高TCR的氧化钒薄膜;此外还分享了TCR测试方法，推动了本文实验的进行。

［1］ LEI Yagui，WANG Rongrui，CHEN Miaohai.Development of foreign uncooled IRFPA detectors［J］.Laser ＆ Infrared，2007，37(9):802 －805.(in Chinese)雷亚贵，王戎瑞，陈苗海.国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展［J］.激光与红外，2007，37(9):802－805.

［2］ Zerov V Y，Malyarov V G，et al.Calculational modelling of the main characteristics of an uncooled linear microbolometer array［J］.Journal of Optical Technology，2004，71(3):153－157.

［3］ LI Ge，YUAN Ningyi，et al.Thermal simulation of micromachined bridge and self-heating for uncooled VO2infrared mocrobolometer［J］.Sensors and Actuators A，2006，126(2):430 －435.

［4］ LIU Weiguo，JIN Na.Integrated uncooled thermal imaging detector array［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2004:19 －21，341 －345.(in Chinese)刘卫国，金娜.集成非制冷热成像探测阵列［M］.北京:国防工业出版社，2004:19 －21，341－345.

［5］ MANG Ouyang，Jin-Shown Shie.Measurement of effective absorptance on microbolometers［J］.Instrumentation and measurement，IEEE，2006，55(3):1012 －1016.

［6］ LIU Ziji，L Jian，ZHENG Xing，et al.An improved test and analyze method for microbolometer thermal performances［J］.J.Infrared Millim.Waves，2012，31(2):183 －187.(in Chinese)刘子骥，吕坚，郑兴，等.一种优化的微测热辐射计热学参数性能测试分析方法［J］.红外与毫米波学报，2012，31(2):183 －187.

［7］ M du Plessis，J Schoeman，et al.The electro-thermal properties of integrated circuit microbolometers［C］.SAIEE Africa Research Journal，2011，102(2):40 －48.