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当前社会已进入信息社会。红外领域的信息获取-红外探测技术大量应用于预警、制导、夜视、跟踪及空间技术、天文、医学等领域,需求规模在不断扩大。正是在这种需求规模的不断驱动下,红外探测器的开发研制和工业生产都有了突飞猛进的发展。
红外探测器分为光子探测器和热探测器两种,光子探测器的主要优点是探测灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应率,但光子探测器一般需要在低温下工作,探测波段较窄；热探测器的主要优点是响应波段宽,可以在室温工作,使用简单,但热探测器由于宏观样品的加热与冷却是一个缓慢的过程,因此响应时间较长,探测灵敏度低,一般应用于低频调制的场合。
鉴于以上两种探测器的局限性,本实验室创新性地提出,采用热容量低、对特定红外波段具有强烈吸收能力的气体介质作为敏感源,利用微机械技术形成具有弹性薄膜的微型密闭腔体,通过腔体内气体分子的无辐射驰豫过程将所吸收的辐射能量部分地转变为气体介质自身的热能,引起其运动状态产生变化、导致弹性薄膜向外偏转,从而实现具有无需制冷、快速响应、高灵敏及波长选择性等特点的新型红外探测器件。本探测器是MEMS技术与Golay cell红外探测器的结合。它的优势源于采用气体直接吸收红外射线。
本文系统地研究了器件的结构、制备工艺、封装测试。主要内容如下：
1.介绍了室温红外探测技术,MEMS技术以及基于MEMS技术的各种红外探测器。
2.讨论了探测器的结构设计,在几个假设的基础上对吸收腔对红外信号的热响应过程进行了分析计算,得到了一些有用的结论,对吸收腔的设计提出了一些有用的规则。
3.发现了薄膜制备过程中多次深腐蚀造成的薄膜表面微蚀孔问题,这是影响特气直接吸收红外探测器的致命因素,通过实验分析找到了解决方法,制备了表面特性良好的超薄薄膜。分析了薄膜的初始应力对机械灵敏度的影响,通过计算分析了吸收腔的热变化对薄膜形变的控制,发现初始应力的减小是提高气动室温红外探测器灵敏度的最有效方法。
4.改进了器件的封装(主要是粘合工艺)和封气工艺,完成了吸收腔的密封；提出了检测封装情况的方便有效检测方法,减少了很多盲目测试,使测试更有目的性；改进了封装结构,使封装更方便,成品率和重复性有了很大提升。
5.成功制备了红外探测器,进行了激光和黑体测试。激光测试灵敏度提高了近20倍,能测试到响应的最小激励信号为2.SmW;第一次得到了明显的黑体响应,距离600K黑体3cm时,其波形保持良好。对黑体测试的结果分析印证了分析理论的正确。
6.提出了特气直接吸收红外探测器的发展向：灵敏度方面,要尽量减少薄膜的初始应力尽量提高薄膜的宽厚比：应用方面,提出平衡式双腔结构,使器件能在很宽的环境温度、压强范围内正常工作。