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本文首次提出将氧化钒微测辐射热计用于红外气体检测,针对这种应用设计和制备了微测辐射热计初样器件,并成功应用于CO<,2>气体检测实验,为氧化钒微测辐射热计在气体检测方面的应用研究奠定了基础。
采用与MEMS工艺兼容的射频反应溅射室温沉积和低温退火方法制备了二氧化钒薄膜。通过优化制备参数如氧分压、沉积温度、退火条件等,制得的二氧化钒薄膜具有较高的电阻温度系数(-4%/℃)和适中的电阻率(~100kΩ/□)。特别是采用与传统退火方式明显不同的快速升降温退火法,实现了对薄膜电阻的精确控制,简化了退火过程。
针对器件在红外气体检测方面的应用特点,着重分析了敏感面积和器件性能关系;兼顾器件力学、热学、电学和红外吸收性能,设计了多种不同敏感面积、悬臂结构和电极形式的器件;设计了器件版图,研究了MEMS关键工艺和优化制备工艺过程,制备出多种结构的氧化钒微测辐射热计初样器件。
对各种器件的特性参数如响应率、探测率、响应时间及器件输出信噪比进行了测试,研究了偏置电压、调制频率及电阻对器件性能的影响。不同结构器件的性能比较结果表明,具有较大敏感面积的300μm×300μm悬臂结构器件和1400μm×1400μm悬膜器件更适合于气体检测实验。本文研制的微测辐射热计响应率和响应时间与目前用于气体检测的其它热探测器相当,可以满足气体检测要求。
将氧化钒微测辐射热计用于CO<,2>气体测试实验。采用数字锁相技术和阵列器件差分技术减小了器件自身噪声及系统噪声,提高了气体检测性能;器件不需真空封装也可以检测气体,因此有利于降低红外气体传感器的成本;通过0~5000ppm浓度范围的气体测试实验,获得的信号相对标准差最大值约为1.3%,气体检测精度约为7.8%。