CMOSéžåˆ¶å†·çº¢å¤–ä¼ æ„Ÿå™¨çš„çƒ­å­¦è®¾è®¡ - ä¸­å›½ç§‘å­¦é™¢æ·±åœ³å ˆè¿›æŠ€æœ¯ç ”ç©¶é™¢

Vol. 4 No.5/ May. 2010G rad 代 表 象 元 表 面 与 环 境 间 的 热 辐 射 产 生 的 热导 , 表 达 式 为G导 设 定 了 下 限 。3rad= 4σεADT, 它 给 象 元 的 总 热G gas 来 自 周 围 空 气 的 热 对 流 和 传 导 , 在 足 够 高 的真 空 封 装 条 件 下 ,G gas 可 以 忽 略 。 一 般 对 于 有 限 空 间的 自 由 换 热 , 当 两 物 面 之 间 的 距 离 小 于 1 毫 米 时 , 以热 传 导 为 主 。 本 文 中 设 计 的 悬 空 结 构 与 衬 底 之 间 的 距离 仅 为 10μm-20μm, 所 以 热 传 导 引 起 的 热 传 递 远 大于 热 对 流 , 经 过 估 算 G gas 非 常 大 。 采 用 真 空 封 装 可 以将 G gas 降 至 最 低 , 使 总 热 导 仅 由 悬 臂 的 热 导 及 象 元 与环 境 的 热 辐 射 决 定 。 通 常 , 红 外 传 感 象 元 都 采 用 真 空封 装 , 此 时 将 结 构 参 数 代 入 各 公 式 , 可 以 得 到 象 元 总热 导 率 的 表 达 式 为 :G k s k s D w A T3= 2(1 1+2 2) / (2 + 5 ) + 4σεD(2)2.2.2 入 射 的 红 外 功 率 引 起 的 热 敏 区 域 的 温 升 △T由 △T 的 定 义 可 知 , 当 象 元 温 度 上 升 △T 时 , 象 元从 环 境 中 吸 收 的 热 功 率 和 损 失 到 环 境 中 的 热 功 率 正 好相 等 , 我 们 称 象 元 此 时 达 到 了 稳 态 热 平 衡 。 此 时 象元 与 环 境 之 间 的 热 交 换 存 在 着 这 样 一 种 关 系 :△E×AD=△T×G, 即 :∆ E × A∆ T = D(3)G式 中 ∆ E 为 单 位 红 外 吸 收 层 表 面 的 热 流 率 。当 物 体 的 温 度 达 到 稳 态 平 衡 时 , 我 们 可 以 利 用 这个 式 子 反 推 求 得 物 体 的 总 热 导 。dL πε a∆ E = × (6)dT F24 no将 公 式 (6) 代 入 公 式 (4) 计 算 得 到 :dL πε a 2× × D2dT 4Fno∆ T = 2( k s + k s ) / (2 D + 5 w ) + 4 σε A T1 1 2 2D3(7)综 合 以 上 分 析 将 公 式 (5) 和 公 式 (7) 代 入 公 式 (1) 和公 式 (2), 分 别 得 到 :R =dVd+ Ibia∗αdT32 AD(( k1s1 + k2s2) / (2D + 5 w) + 4 σε ADT)1 1 2 2i=1(8)∑ ρiVi cii=n(9)τ = C / G =32( k s + k s ) / (2D + 5 w) + 4σεA Ti=1假 定 目 标 温 度 上 升 10K, 用 MATLAB 软 件 作 图 可∑ ρiVi cii=n以 分 别 得 到 结 构 参 数 与 ∆ T 和 τ的 = C关 / G系 = 曲 线 , 如 图 4 所2( k1s1 + k2s2) / (2D + 5 w) + 4σεADT示 :DρiVi cii=n(a) 吸 收 层 边 长 与 ∆ T , τ的 = C关 / 系 G 曲 = 线2( k s + k s ) / (2D + 5 w) + 4σεA T1 1 2 2i=1∑3D根 据 辐 射 度 学 基 础 理 论 , 当 目 标 温 度 变 化 dT时 , 红 外 吸 收 层 上 热 流 率 的 变 化 量 dE 为 :2dE dL επ D dL επ= × = ×2 2dT dT l dT Fno4 4 − 1(4)其 中 F no 为 红 外 光 学 系 统 的 F 数 通 常 取 1.0, 吸 收 层在 8-14μm 波 段 的 吸 收 系 数 ε 约 为 0.33 [5,6] ,L 为 光 照度 , 由 普 朗 克 定 律 有 :λ12dλL = 2hcεt∫ 5(5)λ exp hc kT λ −1λ2( ( t ) )在 8-14μm 波 段 , 查 表 计 算 可 以 得 到 ,300k 时 ,dL/dT=8.4×10 -5 (W/cm 2 .sr.K)假 定 目 标 温 度 变 化 aK, 单 位 面 积 上 被 红 外 吸 收层 吸 收 的 热 流 率 变 化 量 约 为 :ρiVi cii n(b) 多 晶 硅 宽 度 与 ∆ T , τ = C / G =i=1的 关 系 曲2(线k1s1 + k2s2) ∑/ (2ρD + 5 w) + 4σεADTiVi cii=n图 4 结 构 参 数 与 ∆ T , τ的 = C关 / 系 G 曲 = 线i=12( k1s1 + k2s2) / (2D + 5 w) + 4σεADT∑ ρiVi cii=n由 图 4 可 以 看 出 : 由 于 ∆ T 和 τ 都 = C与 / G总 = 热 导 成 反2( k1s1 + k2s2) / (2D + 5 w) + 4σε比 , 所 以 它 们 随 结 构 参 数 的 变 化 趋 势 是 相 同 。(1) 增大 吸 收 层 边 长 时 , 一 方 面 , 通 过 红 外 吸 收 产 生 的 热 能增 多 , 所 以 象 元 温 升 增 大 ; 另 一 方 面 , 增 大 吸 收 层 边长 时 象 元 的 总 热 容 变 大 , 所 以 热 时 间 常 数 也 变 大 ;(2) 多 晶 硅 的 越 宽 , 象 元 的 总 热 导 越 大 , 所 以 热 时 间常 数 和 象 元 温 升 都 减 小 。i=1∑

CMOS 非 制 冷 红 外 传 感 器 的 热 学 设 计显 然 , 吸 收 层 边 长 和 多 晶 硅 的 臂 宽 都 对 象 元 的 热性 能 起 着 决 定 性 的 影 响 , 但 是 , 吸 收 层 面 积 的 变 化 对象 元 总 面 积 产 生 的 影 响 非 常 大 , 相 对 而 言 , 多 晶 硅 的臂 宽 的 变 化 仅 仅 只 对 热 导 其 决 定 性 的 作 用 , 所 以 在 对象 元 进 行 热 学 设 计 时 , 多 晶 硅 的 臂 宽 是 最 重 要 也 是 最好 的 被 设 计 对 象 。3 有 限 元 热 仿 真 及 结 构 优 化3.1 有 限 元 热 仿 真为 了 直 观 精 确 的 得 到 象 元 上 温 度 的 分 布 状 态 ,以 及 温 度 随 时 间 的 热 响 应 特 性 , 本 节 简 要 介 绍 利 用ANSYS 进 行 有 限 元 仿 真 ( 稳 态 和 瞬 态 ) 的 方 法 , 对 比 仿真 结 果 与 理 论 计 算 结 果 之 间 的 差 异 并 分 析 原 因 , 利 用多 组 仿 真 结 果 对 几 个 重 要 结 构 参 数 进 行 优 化 。本 小 节 以 图 3 所 示 仿 真 结 构 尺 寸 ( D = 3 0 u m ,w=2um, b=1um, n-well=20um) 为 例 , 对 ANSYS 稳 态 、瞬 态 热 仿 真 的 方 法 进 行 介 绍 。 仿 真 基 于 以 下 几 个 假设 :(1) 假 设 127nw 的 恒 定 功 率 被 像 元 吸 收 [4] , 且 吸 收层 表 面 的 红 外 吸 收 均 匀 ;(2) 由 于 Si 的 良 好 散 热 性 , 假设 衬 底 温 度 始 终 等 于 环 境 温 度 ;(3) 仿 真 环 境 为 温 度为 300K 的 真 空 状 态 。图 5 象 元 几 何 模 型对 流 三 种 热 载 荷 。 具 体 如 下 :a. 在 红 外 吸 收 层 上 加 载 热 流 率 载 荷 模 拟 红 外 吸 收 的 热效 应 。b. 在 象 元 所 有 表 面 建 立 表 面 效 应 单 元 surf152 施 加 辐 射率 载 荷 ( 和 热 对 流 系 数 ) 模 拟 热 辐 射 ( 和 空 气 对 流 )。c. 支 撑 臂 末 端 和 环 境 温 度 设 置 为 300K。3.1.2 稳 态 仿 真 结 果图 6 所 示 为 稳 态 仿 真 得 到 的 结 果 , 即 象 元 达 到 热平 衡 后 表 面 的 温 度 分 布 云 图 。3.1.1 前 处 理(1) 选 择 合 适 的 单 元 , 定 义 材 料 的 热 性 能 参 数 。 为 了使 分 析 结 果 更 加 直 观 精 确 , 我 们 使 用 三 维 热 仿真 , 同 时 选 择 节 点 较 少 的 solid70 单 元 来 减 少 求 解的 计 算 量 , 另 外 选 择 表 面 效 应 单 元 surf152 模 拟 热辐 射 。 接 着 输 入 材 料 的 热 性 能 参 数 。表 2 ANSYS 仿 真 中 用 到 的 材 料 参 数图 6 稳 态 仿 真 结 果稳 态 分 析 的 结 果 显 示 了 象 元 表 面 的 温 度 分 布 情况 : 象 元 敏 感 区 域 温 度 约 上 升 0.615K, 吸 收 层 和 敏 感区 域 温 度 分 布 得 非 常 均 匀 , 几 乎 所 有 的 温 度 梯 度 都 分布 在 两 个 支 撑 臂 上 。3.1.3 瞬 态 仿 真 结 果根 据 时 间 常 数 的 定 义 , 我 们 给 象 元 持 续 施 加 0.5秒 的 热 流 率 待 温 度 稳 定 之 后 , 撤 走 热 源 , 得 到 象 元 上不 同 的 点 的 温 度 随 时 间 变 化 的 曲 线 如 图 7 所 示 。(2) 根 据 象 元 结 构 建 立 三 维 几 何 模 型 , 如 图 5 所 示 。(3) 划 分 网 格 。 根 据 象 元 的 结 构 特 点 , 我 们 采 用 网 格自 由 划 分 。(4) 施 加 边 界 条 件 。 根 据 象 元 和 环 境 之 间 的 三 种 换 热方 式 , 我 们 对 象 元 施 加 了 热 流 率 , 热 辐 射 率 和 热图 7 瞬 态 仿 真 结 果

Vol. 4 No.5/ May. 2010从 瞬 态 分 析 的 结 果 中 提 取 时 间 参 数 , 经 过 计 算 可以 得 到 象 元 的 热 时 间 常 数 约 为 30ms。 仿 真 结 果 与 相同 条 件 下 的 参 考 文 献 [4] 中 的 测 试 结 果 基 本 吻 合 。3.2 结 构 参 数 的 优 化率 , 我 们 分 别 针 对 象 元 的 结 构 参 数 进 行 了 优 化 , 优 化后 的 结 构 参 数 如 下 : 当 D=30μm,b=1μm,w=2μm ∑ ρiVi cii=n时 , 仿 真 得 到 :△T=18mK, τ=24.5ms。= C / G =2( k s + k s ) / (2D + 5 w) + 4σεA T4 小 结1 1 2 2i=1D3本 文 主 要 工 作 如 下 :(a)(1) 着 重 分 析 了 象 元 的 热 导 模 型 , 通 过 对 象 元 的热 容 和 热 导 的 分 析 , 建 立 了 几 个 重 要 结 构 参 数 与 象 元i=1温 升 和 热 时 间 常 数 之 间 的 关 系 , 分 别 分 析 了 吸 收 层 边 ∑ ρiVi cii=n长 , 多 晶 硅 宽 度 和 开 口 宽 度 对 △T 和 τ的 = C影 / G响 = 及2(原k s因+。k s ) / (2D + 5 w) + 4σ1 1 2 2(2) 介 绍 对 象 元 进 行 稳 态 、 瞬 态 有 限 元 热 仿 真 的方 法 , 再 次 利 用 仿 真 结 果 分 析 了 结 构 结 果 对 比 , 分 析二 者 产 生 差 异 的 原 因 。 最 后 总 结 了 一 组 相 对 优 化 的 结构 参 数 。 当 D=30μm,b=1μm,w=2μm ∑ ρ 时 , 仿 真 得iVi cii=n到 :△T=18mK, τ=24.5ms。= C / G =32( k s + k s ) / (2D + 5 w) + 4σεA T1 1 2 2参 考 文 献i=1D[1] 谭 吉 春 , 夜 视 技 术 , 北 京 : 国 防 工 业 出 版 社 ,1999.[2] 何 伟 , 焦 斌 斌 , 薛 惠 琼 , 欧 毅 , 陈 大 鹏 , 叶 甜 春 , 非 制 冷 红外 焦 平 面 阵 列 进 展 , 电 子 工 业 专 用 设 备 ,2008,37(5):18-23.[3] 刘 卫 国 , 金 娜 , 集 成 非 制 冷 热 成 像 探 测 阵 列 [M]. 北 京 : 国防 工 业 出 版 社 ,2004.(b)图 8 吸 收 层 边 长 (a) 和 多 晶 硅 宽 度 (b) 与 热 学 特 性 关 系 曲 线通 过 前 面 的 分 析 我 们 知 道 , 开 口 宽 度 对 象 元 热 学的 影 响 并 不 大 , 而 且 通 常 在 工 艺 可 行 的 情 况 下 设 计 的越 小 越 好 , 所 以 这 里 取 开 口 宽 度 w=2um。为 了 验 证 吸 收 层 边 长 和 多 晶 硅 的 宽 度 对 热 学 特 性的 影 响 , 我 们 进 行 了 多 组 仿 真 , 整 理 后 得 到 其 与 象 元温 升 和 时 间 常 数 之 间 的 关 系 曲 线 如 图 8 所 示 。对 比 图 4 和 图 8 可 以 看 到 , 两 组 曲 线 图 的 变 化 趋势 完 全 符 合 , 但 是 象 元 温 升 和 热 时 间 常 数 的 取 值 却 存在 着 较 大 的 偏 差 。 这 是 因 为 对 象 元 热 导 的 理 论 推 导 太过 理 想 化 , 许 多 细 节 无 法 考 虑 。 例 如 : 在 实 际 情 况中 , 支 撑 臂 上 会 存 在 一 定 的 温 度 梯 度 分 布 , 温 度 梯 度的 存 在 会 减 小 支 撑 臂 的 热 阻 , 所 以 理 论 计 算 得 到 的 总热 导 往 往 会 大 。 相 对 而 言 , 有 限 元 仿 真 时 可 以 将 支 撑臂 划 分 为 有 限 个 单 元 再 进 行 求 解 , 可 以 充 分 考 虑 更 多细 节 问 题 , 所 以 结 果 更 精 确 。[4] S. Eminoglu, D. Tezcan, M. Tanrikulu, T. Akin, “Low-costun-cooled infrared detectors in CMOS process,” Sensors andActuators A, Phys., vol. 109, no. 1/2, pp. 102–113, Dec. 2003.[5] D.S. Tezcan, F. Kocer, T. Akin, “An un-cooled microbolometerinfrared detector in any standard CMOS technology,” Solid-StateSensors and Actuators (TRANSDUCERS’99), Sendai, Japan, 7–10 June 1999, pp. 610–613.[6] D.S. Tezcan, S. Eminoglu, O.S. Akar, T. Akin, “A low cost uncooledinfrared microbolometer focal plane array using theCMOS n-well layer,” in: Presented at the 14th IEEE InternationalMicro-electromechanical Systems Conference (MEMS 2001),Interlaken, Switzerland, 21–25 January 2001, pp. 566–56.作 者 简 介陈 蓉 女 , 客 座 学 生 , 深 圳 大 学 在 读 硕 士 , 研 究 方 向 :MEMS。俞挺 男 , 助 理 研 究 员 , 中 国 科 学 院 深 圳 先 进 技 术 研 究院 , 研 究 方 向 :MEMS。在 满 足 热 时 间 常 数 不 大 于 30ms 和 象 元 总 尺 寸小 于 50μm×50μm 的 情 况 下 , 为 了 尽 量 获 得 高 响 应10