微測輻射熱計紅外焦平面結構設計建模與仿真.pdf

1、為了適應氧化釩微測輻射熱計非制冷紅外焦平面探測器快速增長的軍用及民用領域工程應用需求，本文針對微測輻射熱計結構特點，重點研究了其結構設計、建模和仿真方法，包括微測輻射熱計版圖設計、工藝流程設計、材料參數(shù)庫建立、三維建模、有限元設計仿真、宏模型提取、IP核(Intellectual Property core)建立、與讀出集成電路(ROIC)的系統(tǒng)級仿真及相關仿真結果的試驗驗證工作等內容。相關研究內容主要分為六部分。
　　一、微測輻

2、射熱計的版圖設計、工藝流程設計、三維建模和專用材料參數(shù)庫的開發(fā)。通過版圖設計和可視化工藝流程設計，建立了精確的、具有完備結構的微測輻射熱計三維有限元模型；采用 UltraEdit軟件開發(fā)了專用材料參數(shù)庫，確保在有限元仿真中可調用材料實際參數(shù)，保證了仿真結果的可靠性和精度。
　　二、微測輻射熱計器件級設計、建模及等效電路分析。根據(jù)微測輻射熱計紅外焦平面探測器指標要求、工藝線實際加工能力，進行了器件級設計及建模，設計多種不同線寬的25

3、×25μm2微測輻射熱計結構，并通過初步理論計算為進一步的設計提供了參考依據(jù)，從而提高設計效率。同時根據(jù)熱電等效理論，研究了微測輻射熱計的等效電路模型，為系統(tǒng)級仿真奠定基礎。
　　三、微測輻射熱計紅外吸收分析、力學有限元分析。建立紅外吸收等效模型，采用光學導納矩陣法分析了其紅外吸收率，設計出紅外吸收率大于90％的紅外膜系方案；分析了力學載荷及其邊界條件，并進行有限元力學分析，為制備小形變及低應力器件提供了優(yōu)良的膜系力學匹配方案。<

4、br>　　四、微測輻射熱計熱傳導分析，電學、熱電耦合有限元分析。研究了微測輻射熱計中的熱傳導問題，并求解其熱電耦合場下的熱傳導方程，明確了有限元仿真中的邊界條件。通過電學有限元分析，得到微測輻射熱計三維模型的電阻值及其電阻溫度系數(shù)。通過動態(tài)熱電耦合有限元分析，提取了器件的熱導值和熱容值；上述工作為系統(tǒng)級仿真提供了關鍵的四大熱、電參數(shù)。
　　五、微測輻射熱計宏模型提取、IP核建立、與其讀出集成電路的系統(tǒng)級仿真和探測器性能計算。采用

5、Verilog-AMS語言，將包含有限元仿真所提取四大關鍵熱、電參數(shù)的等效電路，描述為微測輻射熱計降階宏模型；隨后在集成電路軟件Cadence軟件中進行必要的封裝和接口定義，建立了微測輻射熱計的IP核；并在其后端讀出集成電路的仿真中，調用該IP核，成功實現(xiàn)了微測輻射熱計與讀出電路的系統(tǒng)級仿真，獲取了器件的紅外輸入-響應電壓特性；最后基于此計算了器件的電壓響應率、溫度響應率、噪聲等效溫差、噪聲電壓等關鍵參數(shù)。
　　六、微測輻射熱計結

6、構建模和設計仿真驗證工作。根據(jù)本文所設計25×25μm2微測輻射熱計，進行了流片驗證，制備了640×512微測輻射熱計紅外焦平面探測器，并進行器件主要參數(shù)的測試和驗證。其主要參數(shù)的測試結果與仿真結果吻合度較好。
　　采用本文所介紹的微測輻射熱計紅外焦平面結構的設計、建模及仿真的方法，準確的模擬了器件主要特性，并在國內首次實現(xiàn)了微測輻射熱計與其后端讀出電路的系統(tǒng)級仿真。器件的主要性能在設計階段即可被準確預估，并提出相應的設計方案，作