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1、第 27 卷第 2 期航天器环境工程 2010 年 4 月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING169 高精度紫外探测器定标测试方法 邵秀梅 1,2，陈 郁 1,2，陈新禹1,2 （1. 中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室，上海 200083 ； 2. 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料和器件重点实验室，上海 200083 ） 摘要： 文章研究分析了紫外电学定标探测器的主要光电不等效因素，并建立了基于紫外电学定标探测器的 紫外辐射定标系统。在此基础上，利用紫外探测器定标测试平台，开展了紫外探测器的测试方法研究，响应率 定标的总不确定度为3%5
2、%，相对光谱测试的总不确定度为3%。 关键词： 紫外探测器；辐射定标；光电吸收测量；单色仪；辐射计 中图分类号： TH744.42 文献标识码：B 文章编号： 1673-1379(2010)02-0169-04 DOI ：10.3969/j.issn.1673-1379.2010.02.009 1 引言 自 20 世纪 90 年代以来，宽禁带半导体材料、 发光器件、 紫外器件展现出重大应用价值和广阔的 发展前景，随着发光器件和紫外器件的发展与应 用，必须对紫外器件进行精确的光学定标。辐射定 标主要有两类标准：(1) 基于光源的标准，常用的 是黑体和同步辐射， 红外波段的辐射标准通常采用 黑体，
3、紫外波段的辐射标准常采用同步辐射光源； (2) 基于探测器的标准，主要有自定标探测器和电 替代式辐射计两种， 自定标探测器是基于量子效率 达到 100%的探测器 1 ，电替代式辐射计 （electrical substitution radiometer ，ESR） 的原理是光辐照与电 加热引起同样的温升效应，两者替代升温， 当温升 效应相同时，认为光功率与电功率等效 2 。电替代 式定标的精度取决于电流、电压的精确测量和光、 电的等价效应。 电学定标辐射计是一种在室温工作的ESR， 采用热传感器作为接收器件，通过对电加热功率 的测量实现对光辐射功率的计量。早期的热传感 器为热电堆，响应慢，有
4、效面积上的响应均匀性 差，误差较大。 电学定标热释电辐射计（ electrically calibrated pyroelectric radiometer， ECPR ）是采用 热释电探测器作为热传感器的绝对辐射计，也是 基于光辐射功率和电加热功率的等效，以电功率 的测量来替代光辐射功率的测量。美国NIST （当 时为 NBS）的 Robert J. Phelan在 1972 年研制出 ECPR 3 。虽然 ECPR 的精度没有ESR 高，但其不 涉及超低温、高真空、超导等先进技术，能在室温 下工作，灵敏度高。所以， 美国 NIST 4-5 、 德国 PTB 6 等国际权威计量实验室一直持续
5、着这方面的研究 工作。 对于紫外探测器的定标测试，目前国内相关的 科研机构或生产单位大多采购日本Hamamatsu公 司研制并标定的硅器件作为传递工作标准，或采用 低温辐射计对硅器件进行标准传递，然后对待测紫 外探测器进行光谱定标或响应率定标测试。合肥国 家同步辐射实验室与计量实验站利用光谱辐射标 准开展了基于同步辐射光源的紫外辐射定标和紫 外探测器定标的相关研究。 本文研究的是一种基于紫外电学定标探测器 的紫外辐射定标方法，是建立在光电等效基础上的 能在室温下工作的绝对定标方法。具有特殊结构的 热释电探测器对紫外辐射和电加热都能响应，并可 将紫外辐射功率的测量转换为电加热功率的测量。 建立了
6、基于紫外电学定标热释电探测器的辐射定 标系统，在此基础上建立高精度紫外探测器定标测 试平台， 开展紫外探测器的定标测试方法研究，并 正在申请建立国家测试标准。 收稿日期： 2009-09-18；修回日期： 2010-03-16 基金项目： 国家自然科学基金青年基金资助项目“基于传感器的紫外辐射定标及器件光电等效机理研究”（项目编号： 60708028） 作者简介： 邵秀梅（1978-） ，女，博士学位，副研究员， 主要从事光传感器相关的科研工作。E-mail: 。 170 航天器环境工程2010 年第 27 卷 2 紫外电学辐射定标 2.1 紫外电学定标探测器 本文研究的紫外电学定标探测器是
7、一种具有 特殊结构的热释电探测器，其光敏元表面覆盖的吸 收膜既能吸收光辐射，又能作为电加热电阻，光辐 射加热和电加热都能使器件产生热释电信号，芯片 结构见图 1。芯片材料采用LiTaO3，尺寸为 14mm 18mm，光敏元尺寸为10 mm 10mm，晶片经过研 磨抛光后的厚度为80 m。芯片采用悬空结构，将 芯片的边缘部分固定在支架上，光敏元悬空， 选用 双列直插管壳封装，管壳材料为柯伐，表面镀金， 光阑尺寸为8 mm。 1. 热释电晶片； 2. 引线电极； 3. 导电吸收层； 4. 下电极； 5. 屏蔽层； 6. 上电极 图 1 紫外电学定标探测器的芯片结构示意图 Fig. 1 Schema
8、tic diagram of UV electrically calibrated detector 电学定标探测器的光加热和电加热都加载在 探测器的导电吸收层上，能提高光电等效的程度， 但是光电不等效的因素还是存在的，为了实现高精 度定标， 必须准确地估计这些不等效因素，从而对 测量结果进行修正。 就探测器而言，主要的不等效因素有： (1) 器件响应的不均匀性； (2) 表面反射损失； (3) 光加热和电加热的位置差； (4) 电极引线热损失； (5) 电加热的边界热扩散； (6) 响应的温度非线性； (7) 光阑孔径尺寸误差。 通 过 实 际 测 量 和 理 论 计 算 对 编 号 为 7
9、GLTA-004# 的器件的各项误差源进行分析，确定 了器件的光电不等效的修正系数，具体结果见表1。 经过修正之后，7GLTA-004# 光电等效的不确定度 为 2%。 表 1 7GLTA-004# 的光电不等效误差及修正系数 Table 1 The main errors of 7GLTA-004# due to optical-electrical nonequivalence 序号误差源误差大小修正系数 1 响应的不均匀度1.11% 2 MWCNTs 表面 反射损失 2.22% 3.60% 1.0227 1.0374 3 光加热和电加 热的位置差 忽略 4引线加热电阻0.3? 0.998
10、4 5边界横向热扩散-1.250 8% 0.9875 6响应的温度非线性忽略 7光阑孔径尺寸误差0.002 5mm 2.2 紫外电学辐射定标系统 中国科学院上海技术物理研究所与上海理工 大学合作建立的紫外电学辐射定标系统，包括紫外 光源及斩波器、紫外电学定标探测器、电学系统。 其中电学系统是自动调零的锁定探测系统，使用 50%负载周期和一个窄带前置放大器，仅仅使电加 热和光加热的基频成分匹配。 该定标探测器的光电不等效误差为2%。紫外 电学辐射定标系统的电学系统也存在一些误差因 素，包括光辐射分布误差、光电平衡系统的增益误 差、采样误差、光- 电占空比误差，等等。根据合 作单位上海理工大学的研
11、究分析，电学系统的总误 差 0.5%。 3 紫外探测器定标测试方法 3.1 紫外探测器定标测试系统 本文采用氙灯作为紫外辐射光源。氙灯是一种 常用的紫外光源， 光谱连续，电功率一般可达250W 以上，光功率较强， 通过合理的光学设计与电路设 计可以实现稳定的光功率输出，能够应用于紫外探 测器的定标测试。 在紫外探测器的相对光谱测试和 响应率定标测试中，都涉及到光源的分光，本文采 用紫外单色仪进行分光。器件置于电位移平台上， 结合定位激光，确保待测探测器、参考探测器、电 定标探头接收同一空间位置处的光斑。紫外探测器 定标测试系统如图2 所示。 邵秀梅等： 高精度紫外探测器定标测试方法171 调制
12、器紫外单色仪控制器 光源系统 图2 紫外探测器定标测试系统 Fig. 2 The testing system for the calibration of UV detectors 单色仪的出射光斑是不均匀的。采用光敏元为 0.7mm 的单元 p-i-n 型 GaN 探测器进行光斑均匀 性测试，该器件的光谱响应范围是300365 nm， 实验中将单色仪出射光设置为362nm。 在距离单色 仪出口 15cm 处，将器件置于电移平台上， 横向和纵 向位移步长为1mm， 器件采集在 15mm 15mm 光斑 范围内的信号，结果见图3。从图中可以看出，光斑 近似于高斯分布，在8mm 内的不均匀性约
13、6.5%。 图3 单色仪出射光斑的均匀性分布 Fig. 3 The distribution map of uniformity of optical spots of monochromator 电学定标探头标定的是8mm 光斑的功率， 待测探测器的光敏元一般远远小于8mm。光斑 的不均匀性将带来测量误差，必须对其进行修正： 通过电移平台的微移，将电学定标探头置于光斑功 率最强的地方，即标定8 mm 光斑内功率最强地 方的的功率， 然后将待测探测器也位移到功率最强 的地方，以此为中心测量8 mm 光斑内17 点的 信号，取其平均值作为待测探测器的信号。 3.2 相对响应光谱测试方法 相对响应
14、光谱是指探测器的相对响应与入射 辐射波长之间的关系。具体的测试方法为：光源出 射光经斩波器调制为14 Hz，经光栅单色仪分光， 待测探测器和参考探测器通过探测器定位装置进 行切换。 参考探测器作为光谱测试的参考标准，其 相对光谱响应是已知的，且覆盖被测探测器的光谱 响应范围，响应随波长的变化较平坦。 采用热释电探 测器测量时，参考探测器和待测探测器的信号由前置 放大器放大后输入锁相放大器， 由计算机采集后进行 数据计算处理，得到待测探测器的相对光谱 d dr rm 1 ( )( ) V RR VR 式中：Rd( )为被测探测器的相对光谱响应； Rr( ) 为参考探测器的相对光谱响应；Vd是被测
15、探测器的 响应信号； Vr是参考探测器的响应信号；Rm是被测 探测器在峰值波长处的相对响应值，即归一化基数。 影响紫外探测器相对光谱测试的主要因素包 括：光源的功率稳定性，参考探测器的定标误差， 紫外单色仪的分辨率，系统噪声，仪器误差，随机 误差，参考探测器的误差等。其中：光源的功率波 动约为 1%；单色仪狭缝设为0.5 mm 时，根据光栅 参数，其出射光光谱带宽小于1.5 nm；仪器误差、 随机误差等约为1%。综上，紫外探测器相对光谱 测试的总不确定度约3%。 电源控制器 控制器 待测 探测器 参考 探测器 电定标 探头 电 移 平 台 电流 放大器 控 制 器 前置 放大器 电定标 辐射计
16、 锁相放大器 计算机 数据处理测试报告 参 考 频 率 交替测试 定位激光 稳压 电源 。(1) 172 航天器环境工程2010 年第 27 卷 3.3 电流响应率测试方法 电流响应率是指探测器在接收单位辐射功率下 所产生的电流信号， 以单色辐射测得的响应率称为单 色响应率。测试方法为： 光源出射光经斩波器调制为 14 Hz，经光栅单色仪分光到峰值响应波段，待测探 测器和电学定标探头通过定位装置进行切换，确保 待测探测器和电学定标探头在同一空间位置处，接 收同样的光斑。 测量时， 待测探测器的响应电流经 电流放大后由锁相放大器读取，然后采集进入计算 机，光斑的辐射功率通过紫外电学定标系统定标，
17、 然后进行数据处理分析，得到待测探测器的响应率 i d d 8mm8mm /17 0.44910.4491/ x VV R PPAA 。 (2) 式中： Rd表示待测探测器的电流响应率；Vd被测 探测器的响应信号，实际测试8 mm 光斑内对称 的 17 个位置点的信号Vi，取其平均； 0.449 1 为调 制因子； P8 mm为电学定标探头标定8 mm 光斑 的功率， 为 A8 mm光斑面积； Ax为待测探测器的光 敏元面积， P 为待测探测器接收的光功率。 探测器定位采取激光定位和电移平台相结合， 同时采取多点测试取平均来平衡光斑不均匀性的 影响；调制因子根据斩波器的尺寸参数，通过 LabV
18、iew 程序进行模拟得到。影响紫外探测器电流 响应率测试的主要因素包括光源的功率稳定性、紫 外辐射功率的定标、光斑均匀性、探测器定位、调 制因子的分析计算以及系统噪声、仪器误差和随机 误差等。其中：光源的功率波动约为1%；紫外辐 射功率定标的不确定度约为2%。综上，紫外探测 器电流响应率定标的总不确定度约3%5%。 4 定标测试结果 4.1 相对响应光谱 按图2 所示的框图连接测试系统进行系统预 置。待光源稳定后，将被测探测器移入光路，通过 软件控制， 改变单色仪的波长，用锁相放大器采集 探测器的响应信号Vd。交换位置，测试参考探测 器在同一光路位置处的响应信号Vr。对编号为 151-7#的
19、AlGaN 探测器进行测试，参考探测器是 LiTaO3器件，测试结果如图 4 所示。 图 4 AlGaN紫外探测器的相对响应光谱 Fig. 4 The relative spectral response of AlGaN linear UV detector 4.2 电流响应率 按图2 所示的框图连接测试系统进行系统预 置。待光源稳定后，将被测探测器移入光路，调节 单色仪到待测波长 ，用锁相放大器采集探测器的 响应信号Vd。将电学定标探头移入同一光路位置 处，读取辐射功率值P8 mm。根据公式 (2)，得到 151-7#探测器的电流响应率为0.12 A/W 。 5 结束语 本文研究分析了紫外
20、电学定标探测器的光电 不等效因素， 得到 200400 nm 波段光电等效的不 确定度 2%。建立了紫外探测器定标测试平台，开 展了紫外探测器的定标测试方法研究，结果表明， 紫外探测器的电流响应率测试的总不确定度为 3%5%，相对响应光谱测试的总不确定度为3%。 对 AlGaN 探测器进行了相对光谱测试和电流响应 率定标测试，其光谱响应范围为306363 nm，响 应峰值在358 nm，峰值电流响应率为0.12 A/W 。 参考文献（ References） 1 Zalewski E F, Duda C R. Silicon photodiode device with 100% extern
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