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微测辐射热探测器

时间: 2024-05-14

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该章节以非晶硅微测辐射热仪为例介绍Coventor软件对微测辐射热探测器的仿真能力。

热结构耦合分析

除了热电性能,结构的刚度也是至关重要的。微辐射探测器被设计成从基板入射IR辐射波长的四分之一。因为一些辐射通过传感器,从基板反射并撞击传感器的背面,所以这种设计规范是必要的。四分之一波长的间隙使反射波与初始波的叠加最大化,从而使传感器吸收最大化。

正如工艺中定义的,衬底顶部与传感器顶部间的为2.5μm,这将使波长为10μm的红外辐射的吸收最大化。变形可导致传感器偏离本规范。当器件的机械刚度试图去平衡工艺残余应力以及升高的温度平衡时,产生形变。温度升高时传感器各层会因热膨胀系数不同而膨胀活收缩。传感器的平整度可通过稳态结构分析来评估。

模型中三层都存在预应力,应力值如下所示:

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图1 材料中的预应力值

作为其工作的一部分,微热辐射热量计随被吸收的入射辐射量和因测温层电阻上施加的偏置电流产生的焦耳热被加热,并与热损失机制平衡。由于组成传感器的材料的热膨胀系数不同,这种温度变化会使结构变形。为了将热膨胀/收缩的效果加到预应力模型中,我们将运行耦合热力学分析。耦合的热机械分析除了由于预应力引起的变形之外,还将捕获热膨胀/收缩的影响。

默认情况下,CoventorWare的固有参考温度为273.15K。但是,要包括热效应,您必须选择包含热自由度(DOF)的MemMech物理选项。在案例中,我们将进行一个稳态热力学分析,整个微测辐射热计保持在300K,以计算微测热计在参考温度下的变形。我们不计算因辐射产生的温度升高,焦耳加热,电导等;我们只是将整个器件温度温度指定一个高温并检查稳态响应。

在300K下整个结构的变形如下图所示。

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图2 300K下的结构变形

热结构耦合结果

结果表明,结构的最大变形近1.2μm。了解工艺预应力以及器件工作引起的温度变化对结构变形的影响对于评估传感器的平坦度和使入射辐射的吸收最大化是至关重要的。

采用后处理visualizer模块提取穿过设备的无约束端对角线的变形曲线,可以进一步可视化削弱的传感器的平坦度。

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图3 位移提取线

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图4 对角线位移曲线




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