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近几十年来，随着互联网和物联网的快速发展，红外探测技术作为一种高新技术，已广泛应用于军事、科研、工业、农业、交通、医疗、安防等领域。红外探测技术的核心是红外探测器，其中热释电红外探测器由于其无需制冷、无需偏压、器件结构简单、宽的光谱响应等特点，因而受到了广泛的关注。热释电红外探测器的发展关键在于热释电材料的研制，其中以弛豫铁电单晶为代表的热释电材料具有高的热释电系数、适中的介电常数、极低的介电损耗，有望成为新一代商用热释电材料。本论文基于弛豫铁电单晶材料开展了热释电红外探测器及其相关应用研究，主要包括三个方面:弛豫铁电单晶的组分调控与性能优化、热释电红外探测器的设计与制备、以及热释电红外探测器在气体传感器和火焰监测系统中的应用研究。 在弛豫铁电单晶材料方面，为了满足不同的应用需求，我们生长了四种具有代表性的弛豫铁电单晶，分别为Mn-PMNT(72/28)、Mn-PIMNT(36/36/28)、Mn-PMNT(62/38)和Mn-PIMNT(29/29/42)。其中Mn-PMNT(72/28)单晶具有极高的热释电性能，热释电系数高达11.8×10-4 C/(m2K)，探测优值为5.36×10-10 m/V，可用于高灵敏度气体分析仪中。Mn-PIMNT(36/36/28)单晶由于In离子的掺入可大幅提高单晶的相变温度，三方-四方相变温度提高到了125℃，较二元Mn-PMNT提高了35℃，大幅提高了单晶的使用温度。四方相Mn-PMNT(62/38)和Mn-PIMNT(29/29/42)无三方-四方相变温度，居里温度分别提高到了175℃和200℃，进一步提高了单晶的使用温度，高相变温度的单晶可用于火焰监测等一些高温环境中。 在红外探测器方面，(1)建立了弛豫铁电单晶大片减薄抛光工艺，利用改进的化学机械抛光方法，可将20mm×20mm的晶片减薄抛光至10-20μm，误差为2μm。通过对灵敏元进行后处理工艺，可将灵敏元的损耗降低至0.2％。通过腐蚀等工艺可进一步将晶片介电损耗降低至0.005％。(2)建立了碳纳米管吸收层喷涂工艺，制备了致密疏松的吸收层，红外吸收系数可达99％以上。(3)建立了热释电红外探测器理论模型，分别推导出了探测器响应率、噪声、比探测率等的表达式，完善了探测器的理论模型。根据PMNT和LT热释电材料性能参数，以及电路参数分别模拟了电压模式探测器和电流模式探测器的响应率、噪声和比探测率。模拟了电压模式和电流模式PMNT探测器和LT探测器的性能，电压模式中PMNT探测器的噪声是LT探测器噪声的1/6，比探测率提高了6倍。而在电流模式中，PMNT探测器的响应率和比探测率与LT探测器相比均提高了6倍。(4)研究了弛豫铁电单晶热释电红外探测器的噪声机制，通过与LT探测器对比，发现两种探测器在10Hz时存在不同的噪声机制，PMNT探测器噪声主要是介电噪声，而LT探测器主要噪声为电阻噪声。(5)为了提高电压模式弛豫铁电单晶热释电红外探测器的响应率，设计了分布式电极结构灵敏元，并研究了不同电极间距灵敏元的综合热释电性能。当灵敏元电极间距为0.5 mm时具有最优的热释电性能，此时探测优值高达39.9×10-5Pa-1/2。利用该灵敏元制备了电压模式探测器，10Hz下响应率和比探测率分别为864 V/W，1.49×109 cmHz1/2/W，是传统面电极结构探测器的4倍和1.5倍。(6)在灵敏元悬空结构方面，利用ANSYS仿真分析对比了环形氧化铝结构、铜柱中心支撑结构、倒金字塔结构的热传导，其中倒金字塔结构热导最小，铜柱中心支撑结构次之，环形氧化铝结构最大。在5.3μW红外光辐射下，倒金字塔结构灵敏元最高温升达到了0.029摄氏度。(7)为了使探测器具有较高的响应率，设计并制备了电流模式探测器。电流模式探测器可通过调节反馈电阻和反馈电容的大小来调节探测器的放大倍数。分别制备了高性能电流模式探测器和低功耗三脚/四脚电流模式探测器，比探测率分别达到了1.5×109 cmHz1/2/W和5×108 cmHz1/2/W。(8)通过调节反馈电容的大小制备了电阻放大和电容放大电流模式探测器，10Hz下响应信号分别为3.55 V和388 mV，探测器的比探测率为1.5×109 cmHz1/2/W。(9)设计并制备了倒金字塔悬空结构探测器，10Hz下响应率达到了669811V/W，比探测率达到了3.32×109 cmHz1/2/W，同时，倒金字塔该结构可有效抑制探测器的颤躁噪声。 在红外探测器应用方面，主要介绍了红外探测器在气体传感器和火焰监测系统中的应用。(1)在气体传感器方面，分别推导了气体传感器气体浓度和最小探测精度的表达式，建立了气体传感器理论模型。设计并制备了双通道热释电红外探测器，利用自制的红外传感器制备了气体传感器原型器件，初步实现了CO2气体的定性测量。(2)在火焰监测系统方面，制备的基于弛豫铁电单晶热释电红外火焰探测器。与国内火焰探测器相比，PMNT探测器信噪比提高了2.7倍。与国外火焰探测器相比，PMNT探测器信噪比提高了2.3倍。