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Vol.4No.5May.010CMOS非制冷红外传感器的热学设计
Vol. 4 No.5/ May. 010 CMOS非制冷红外传感器的热学设计 陈蓉 俞挺 摘 要 对于非制冷红外传感器来说,器件的总热导同时影响着响应率和热响应速度,是一个至关重要的量。本文基于 0.18μm的标准CMOS工艺,以易与IC工艺兼容的二极管型非制冷红外传感器为研究目标,首先分析几个重要结构参数对 象元热学特性的影响,其次利用有限元仿真软件ANSYS对象元的温度分布和瞬态热响应进行仿真,以仿真结果为参考对象 元的几个重要结构参数进行优化,最终得到一组性能较优的结构参数。 关键词 CMOS;红外传感器;热学设计;有限元 1 引言 红外传感器根据工作原理的不同可分为光子型红 得到了性能较优的结构参数。 外传感器和非制冷红外传感器-[1]。光子型红外传感器 2 非制冷红外传感器的结构原理和性 采用窄禁带半导体材料,利用光电效应实现红外光信 号向电信号的转换。光子型红外传感器存在着两大弊 能参数 端:一是它工作在低温环境下,需要笨重、复杂的制 2.1 红外传感器的原理和结构 冷设备,使器件难以小型化;另外,窄禁带半导体材 料价格昂贵、制备困难,不能与CM0S工艺兼容,使 二极管型红外传感器是一种利用PN结良好的温 光子型红外传感器的价格昂贵。相比之下,非制冷红 度特性,通过探测二极管两端的电压变化来感知红外 外传感器不需要复杂的制冷设备因而具有体积小,价 辐射的新型传感器。这种红外传感器的制作工艺采用 格便宜的优势。 单片集成且与CMOS工艺完全兼容,后处理工艺非常 简单,成本相对较低,非常适合大批量的生产[4]。 按照信号读出方式的不同,非制冷红外传感器 可以分为电学读出方式和光学读出方式[2]。其中电学 红外焦平面上的象元通过表面的红外吸收层吸收 读出方式是一种比较常见的传统信号读出方式,也是 红外辐射,引起象元温度上升,象元中的温度敏感单 目前非制冷红外传感器使用的主流读出方式。再根据 元(二极管)通过自身的温度电压特性将象元的温升信 红外传感器敏感元的不同物理机理,电学读出又可分 号转化为电信号并输出。 为:热敏电阻型、热释电型、热电堆型、二极管型、 热电容型等[2]。光学读出方式的非制冷红外传感器是 一种新型的双材料悬臂梁结构传感器。但目前此类红 外传感器的研究尚处于实验室阶段。国外主要研究单 位有美国Oak Ridge(橡树岭)国家实验室、加利福尼 亚大学、美国Sarcon微系统公司等[3]。 本文以易与IC工艺兼容的二极管型非制冷红外传 感器为研究目标,基于0.18μm的标准CMOS工艺, 图1 非制冷红外传感器象元结构图 对象元的结构设计进行了研究。对于热传感器来说, 图1所示的微桥结构是同类型传感器的一个主流 器件的总热导是一个至关重要的量,在象元的薄膜体 结构。红外焦平面由一系列这样的象元组成面阵列, 系确立之后,其总热导的大小取决于结构设计。本文 每个象元由矩形敏感区域和支撑臂组成,悬空于衬底 针对几个重要结构参数对热学特性的影响进行了详细 之上。携带自身温度信息的目标物体发射的红外线经 的阐述,并利用有限元仿真软件ANSYS对象元受热达 过红外成像系统被敏感区域上层的红外吸收层吸收, 到稳态后的温度分布状态和瞬态热响应进行了仿真, 敏
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