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微热敏器件的关键是热隔离结构的设计与工艺实现。典型的热隔离结构是采用湿法、干法或者键合工艺实现的悬空薄膜或者悬空薄膜梁结构。本论文详细研究了两种典型带热隔离结构的微热敏器件的模拟仿真及工艺设计:非制冷红外焦平面阵列探测器件(简称红外探测器,IRFPA)、微型热剪切应力传感器件;成功研制出基于真空键合工艺的微型热剪切应力传感器件。
本论文完成的主要工作包括:
1)将热力学模型运用到光学读出方式下带有间隔镀金热隔离结构的薄膜镂空式IRFPA中,设计并模拟验证了其热学性能及热机械性能,结合成像实验结果,通过数值模拟、有限元模拟,验证了该模型的有效性和适用性,为该器件的设计提供了理论依据。同时,针对基于牺牲层工艺的全镂空双层红外焦平面阵列结构,对其热学性能及热机械性能进行了有限元模拟,预见该结构能实现小像素、大阵列以及mk级的NETD探测能力。
2)提出了用于模拟光学读出方式下带有间隔镀金热隔离结构的薄膜镂空式IRFPA热响应时间的电路模型,并通过有限元模拟,结合成像实验结果,验证了该模型的有效性和适用性,为该器件的设计优化提供了手段。
3)进行了高g惯性载荷下非制冷红外成像系统的失效分析。通过有限元模拟,设计的光学读出方式下带有新型间隔镀金热隔离结构的薄膜镂空式非制冷红外成像系统的抗冲击能力达到在448g;不考虑其它外围信号处理系统的情况下,其焦平面阵列阵元的抗冲击能力可达到27159,已经足够满足高g惯性下的军事运用需求。
4)提出了采用基于硅衬底下凸点制作及释放牺牲层的方法,并运用于基于牺牲层工艺的热剪切应力传感器的设计与制作中。
5)设计并研制了环已烷固态升华释放的实验型设备,该设备能应用于牺牲层的释放,为科研提供一定的实验手段,但还有待进一步的完善。
6)针对牺牲层工艺另一瓶颈问题—牺牲层(SiO2)腐蚀速率慢及腐蚀自终止问题,通过实验分析了影响腐蚀速率快慢的因素,理论上分析了其腐蚀机理,进行了实验研究,提出了可行性的解决方案。
7)成功研制出基于真空键合工艺的微型热剪切应力传感器件,其热敏电阻的电阻温度系数达0.33%/℃,其反映绝热性能的热阻达5362℃/W。