红外成像阵列与系统(11)

y
例子 1：对于一个500MHz的SAW谐振振荡器， 当用一个40MHz的高频截止频率 fc 来 测量时， ( ) 曲线拐点为10-3秒 2：在同样下，一个500MHz的微型谐振 器的拐点处的与前面相同，如果使用 40KHz的fc，将会使 降至300微秒

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理论上讲，可以以33毫秒为帧速下依次 激发16×20的单振荡器的子阵列中每个 谐振器，从而需要在240×336阵列激发 252个振荡器。33毫秒内需要测量这320 个谐振器就需要每个谐振器在开关、启 动和测量的时限为103微秒。

各种非致冷红外成像阵列的比较：
1：硅微辐射计阵列 （NETD=0.04K ）
2：铁电体辐射计阵列（NETD=0.05K） 3：低温冷却红外成像阵列碲镉汞、锑化铟、 硅化铂和砷化镓/砷化镓铝(NETD=0.01K)
九：可生产性和其它一些要求
用现存的技术是可以生产小型阵列的 。 在微谐振器大型阵列实现之前，必须克 服几个问题 ：

怎样获得高的吸收率：

1：利用宽吸收范围的红外吸收膜
让膜层的面阻值（188Ω ）占自由空间阻抗（377Ω ） 的一半，能吸收50%的红外辐射（Hadley 和 Dennison， 1947）。25%被反射，25%被透射。


2：建立多个红外吸收通道。
例如：在谐振器的背面加上一层红外反射膜 层 。。
一个三层的吸收材料的组成 ： 第一层：金属膜（377Ω ） 第二层：介质层

d
max
4n

第三层：红外反射层

为了获得良好的谐振器性能，需要获得 更多的能量。
1：沉积红外吸收膜 2：在谐振区外镀上附加的吸收层。



要同时获得足够的红外能量俘获，并得 到高的红外吸收系数，对设计和制备就 会有更高的要求。

在不增加噪声的情况下，是否能降低到 30毫秒取决于谐振频率、驱动水平和测 量的空载时间。 在设计一个扫描式阵列时，需要综合平 衡考虑每个子阵列在驱动信号下的谐振 器数目以及噪声等效温差(NETD)。在子 阵列中谐振器的数目越多，在给定的驱 动水平下的NETD值越高。

六：热隔离

在设计一个微谐振器阵列时，在G和C之 间的取值上的考虑：
三：石英温度计及其温度系数

微型谐振体可由不同的铁电体材料制备 : 例如：1：石英
2：氧化锌
3：砷化镓

很久以前人们就了解了石英谐振器的温 度敏感性（Heising,1946） 石英温度计的优点： 可以在很宽的温度范围内具有百万 量级的绝对精度和10-6度的分辨能力。


石英谐振器的频率的倒数是随温度单调 变化的，其斜率为10-4/K。由于晶体振荡 器具有低噪声性能：1/f噪声会限制对温 度变化的分辨率，如在10MHz下的低噪 声为10-12或更小。因此这种谐振器的噪 声相对于温度起伏10纳度或更小
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七：微谐振器的红外吸收

在谐振器上沉积红外吸收层可以提高整 体的红外吸收能力

一些红外吸收材料: 1：石英
2.5um厚的石英在9.5um和12.5um附近的吸收峰值 大约50% 。

2：真空蒸镀Au 膜
在17nm(34ug/cm2)临界厚度下，大约有0.5的吸收
率

3：镍
8nm的镍薄膜也是一个良好的吸收材料
T


T

C G
C是探测元件的热容



对于一个石英微谐振体红外传感器阵列，决定 其性能的参数是微谐振器的： （1） 频率温度系数 （2） 噪声 （3） 到一个散热器的热传递系数 （4） 热容 （5） 红外吸收系数 （6） 形状 (7) 填充系数（如敏感面积于整个阵列面 积的比值）

2：而100MHz下的第三个谐波和160MHz下的 第五个谐波BAW(SC截面)的谐振器中： 对应噪声最低值为1 . 2 * 10 到 1 . 9 * 10 （Driscoll 和 Hanson,1993）。
20 20

微型谐振器传感器的噪声 会受到的影响：
1：尺寸效应
2：污染物的吸附和反吸附

优点：能获得最佳的隔离效果，在这样 的布局中热量交换只通过辐射进行 。 缺点：其长的时间常数和额外的复杂性 会使该阵列不适合应用在大多数装置里 。


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我们可以制作一个又薄又窄的桥或又薄 又窄的环形围住谐振器，环行由桥与谐 振器相连（并且对多重环是互相连接）。

也可以做成圆形的谐振器 如下图

石英晶体可以作为稳定的机械谐振器 通过热电体性质和高Q值来决定振荡电路 产生的频率。


石英谐振器用于频率控制器中的 原因：
1：精确度高（14个数量级）
2：石英截面角可以提供频率零值温度系 数

一个石英晶体在厚度模式下 的振动频率
f
v 2d

1 2d
c ij

等式中的每一项都与温度有关。但是，在一定截面角下，Cij消除 了等式中其它项的温度系数 。 在一定角度下，有可能获得陡峭且单调的温度—频率特性，从而 用作热辐射计和红外（IR）探测器。石英常用且具有良好特性的 截面有这些：AT截面，BT截面，SC截面，AC截面等等

解决办法： 假设噪声最低值比及理想算出的差十 倍。 例如： 19 20 1 . 2 * 10 ——〉 1 . 2 * 10

厚度小于2um的微型谐振器中 的噪声：
主要噪声是温度变化引起的噪声；它是由热量传递时量子本身的 特性引起的；也就是说在热量交换时伴随着光子和声子的发射和 吸收。

八:微谐振器阵列的预期性能

扫描型阵列和凝视型阵列工作的微谐振 器的性能 的不同：
1：扫描型阵列，微谐振器受到周期性激励， 也就是说在两次测量之间存在延迟时间。 2：凝视型阵列，所有的微谐振器受到激励， 并进行连续测量。

下图给出了在两个条件下的NETD与微谐 振器频率的函数关系。 (a):扫描性阵列 (b):凝视型阵列

NETD与微谐振器频率的函数关系：
在r=1下，对600MHz的微谐振器阵列的噪声等效温差（NETD）与G
（和 ）的函数关系
240×336象素的阵列分别在100MHz、200MHz、600MHz、1.0GHz、
1.4GHz及1.8GHz的典型参数值比较
：
————————————————————————————————— 频率 NETD（K） （MHz） ————————— 圆片尺寸 桥长 r=1000 r=1 （cm×cm） （um） ————————————————————————————————— 100 0.011 0.0047 —— 1.3 200 0.012 0.0050 —— 2.7 600 0.013 0.0059 6.4*9.0 8.1 1000 0.014 0.0068 3.9*3.0 13.6 1400 0.015 0.0076 2.8*3.9 19.4 1800 0.016 0.0083 2.2*3.0 25.3 —————————————————————————————————
第九章 石英微谐振器在非致冷红外成 像阵列的应用
目录







1：引言 2：用作红外传感器的石英微谐振器 3：石英温度计及它们的温度系数 4：振荡器的噪声 5：频率测量 6：热隔离 7：微谐振器的红外吸收 8：微谐振器阵列的预期性能 9：可产性和其他一些要求 10：总结和讨论
一：引言
二：用作红外传感器的石英微谐振器

任何热探测器的性能主要由以下决定 ： 1：稳态响应 ：
T
P
P G
P 是从热量源中吸收的能量，T 是由 增加的温 度， G 是敏感元件到一个热量散热器之间的热 传递系数。

2:探测器的噪声相对于T产生的信号，它会限 制T的最小探测能力。 3:探测元的时间常数

1：要使红外探测器对给定的红外源有最大响应， 应该使敏感元件到散热器之间的热传导G最低 。 P T （ ） G 2：但是在给定的电容C下将G降至最低会使 C 最大。 （ G ） 3：减小C会使 减小，但会增加温度起伏噪 声
T

微谐振器热隔离的方式： 1：将微谐振器悬浮在真空中，并与电极 的激励源结合。 2：在微谐振器的腐蚀期间获得所需的热 隔离效果 。 3：用自由排列的薄膜条状的机械支撑。


1：需要新技术 2：需要低的缺陷密度的石英 3：有效地维持表面平行 4：红外吸收薄膜和谐振器电极的安排上需要 仔细设计
十：总结和讨论

高频微谐振器阵列有潜力成为高性能的传感器。
1：必须找出每个微谐振器对散热器的热导和振荡器热 容之间的合适的平衡点 2：谐振器的驱动水平和噪声特性之间的平衡
由该噪声引起的平均温度起伏：
T k BT
2
C 这种温度变化噪声本身也是一种频率噪声，通过微谐振器的温度系
数，该噪声附加到其它振荡器的噪声源上。
五：频率测量



在一个普通的晶体振荡器中，可以以多快速度 测量频率是由谐振器的噪声特性函数确定的。 最短测量时间是在无损分辨率的情况下用于频 率测量。 它是 y ( ) 曲线上的弯曲点对应的 值；也就是说，它是噪声最低值较低的的极限 值。 在这个极限值下，其它的噪声源，如白噪声或 Johnson噪声就开始超出频率噪声的闪烁点，致 使 ( ) 随着 降低而上升。
3：也必须找出性能指标、原片尺寸和制备难易程度之 间的平衡




微型谐振器的晶体截面 的选择： 可在一个宽的变化范围内选择 ，只要它 能制成薄膜且具有良好的温度灵敏 。 一些可能的截面：AC截面，LC截面，Y截 面，SC截面和NLSC截面等。