[发明专利]基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法

说明书

本发明提供一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法。该发明结合掺杂钛酸锶材料的高电阻温度系数(TCR)与高热电赛贝克系数两个特点，在对微区热扰动的探测中，同时测量以下两个物理量：1)由热扰动引起的掺杂钛酸锶热敏电阻阻值的改变；2)由热扰动引起微小温差下引起的赛贝克电压。通过利用该两个物理量改变量的综合表征与判断结合数学上的交叉验证从而实现对热扰动信号的精准锁定与探测。该方法可实现对微小热扰动信号的精准探测，在红外探测、微测辐射热、温度探测与传感方面具有可观的应用价值与宽广的应用前景。

技术领域

本发明属于微区热扰动探测、微测辐射热计、红外探测等领域，具体地涉及一种基于掺杂钛酸锶基氧化物的微区热扰动双向锁定探测方法。

背景技术

开发对微区热扰动的精准探测方法在军民两个方面的探测领域具有重要的应用价值。例如，红外探测器就是将不可见的红外辐射转换成可测量的电信号的器件【1-25】。1800年，Herschel发现太阳光谱中红外线用的涂黑水银计，算是最早的红外探测器。此后，自二次世界大战以来，不断出现新器件，到今天探测器的制备已成为涉及物理、材料等基础科学和光、机、微电子和计算机等多领域的综合科学技术。目前获得应用的微区热探测技术主要包括：热释电探测、微测辐射热计、热电堆和高莱管、热胀冷缩效应的液态的水银计、共振频率对温度的敏感的石英共振器非制冷红外探测、材料的电阻或介电常数的热敏效应等技术【1-5】。其中，基于氧化钒红外热敏电阻材料的微测辐射热计焦平面阵列探测技术以其可实现集成电路技术、表面微加工技术和薄膜沉积技术等有机结合，无需制冷，可实现了器件单片集成，具有低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优点而成为当前红外热成像技术中最引人注目的突破之一【5-20】。

在红外微测辐射热计技术中，通过利用热敏材料的电阻阻值对应于入射辐射引起的温升而灵敏改变的特性可以在室温下实现对于红外线的探测与红外成像【6-30】。其包括以下三个过程：1)吸收辐射的红外光，并将光能转换成热；2)由于红外线的吸收与热效应使热敏电阻温度升高；3)由于温度变化使得热敏电阻的电阻率改变，从获得可探测电压变化信号。为提高探测灵敏度，需要尽量减少热敏电阻的热容量，并尽可能增加热敏材料的电阻温度系数。

目前研究报导的非制冷红外焦平面技术的热敏薄膜材料主要包括：氧化钒、多晶硅、多晶锗硅和Ti等【6-10】。其中，Ti的电阻温度系数(TCR)偏低，而多晶硅和多晶锗硅薄膜热敏电阻由于形成温度过高，因此限制其在单片系统中得到应用。与之相比，就是具有一些过渡金属的氧化物(Mn、Fe、Co、Ni、Cu和V等元素)具有较高的TCR【11】。而其中，氧化钒薄膜以其具有高的TCR(2.0％/K左右)，合适的电阻率，低的热导率，制备工艺与硅兼容等优点为目前最广泛使用的非制冷红外微测辐射热计热敏材料。例如，以美国 Honeywell公司为首的西方国家研发部门充分利用以VO2、V2O5为基的混合多晶氧化钒薄膜具有较高的电阻温度系数(TCR)以及与Si 集成电路工艺兼容等特点，研制出非制冷氧化钒微测辐射热计红外焦平面。其主要技术路线在于用Si集成电路的微细加工技术，在Si CMOS读出电路上形成微桥结构，利用微桥上的氧化钒薄膜作为热敏电阻来探测红外辐射。

基于氧化钒热敏电阻的微测辐射热计的两个关键性参数是氧化钒薄膜的电阻温度系数(TCR)和象元热阻【12-14】。目前大多数文献【15-18】报导的氧化钒薄膜的典型TCR的值为1.5％-2.5％K^-1。这使得当目标场景红外入射在测辐射热计上时，温度的升高使其电阻有明显的变化，从而有大的信号输出。而国内在氧化钒热敏电阻方面同样开展了积极研究【19-25】，目前报道中所实现的氧化钒薄膜TCR最高值已超过5％K^-1。

然而不可否认的是，目前对于微区热扰动的现有探测方法大多局限于对热扰动下单一物理变量的探测，而较少利用热扰动引起多种物理性能变化的综合探测。对于热扰动引起多种物理性能变化的综合探测与交叉验证，可以从根本上实现提高测量精度的提高。

参考文献：