20 μm微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能研究.pdf

1、微測輻射熱計作為一種非制冷紅外探測器，因為其功耗低，便于攜帶，性能優(yōu)良，價格低廉等優(yōu)點而廣泛應用到軍事和民用等市場。目前非制冷紅外器件越來越朝著大規(guī)模高密度紅外焦平面探測器的凝視方向發(fā)展，像元大小從較早的65μm×65μm到現(xiàn)在的15μm×15μm左右，像元結(jié)構(gòu)也由傳統(tǒng)的的單層L型結(jié)構(gòu)到目前的雙層傘形，雙層S型，甚至三層結(jié)構(gòu)發(fā)展。由于受制于國外技術(shù)和設(shè)備的封鎖，20μm及以下器件在國內(nèi)報道極少，且考慮到本實驗室的工藝條件，本文研究像元尺

2、寸定為20μm×20μm，像元結(jié)構(gòu)則選擇目前市場上應用廣泛的單層L型，雙層傘形，雙層S型微測輻射熱計。
　　本文采用專業(yè)的微機電系統(tǒng)（MEMS）軟件 Intellisuite分別建立了像元大小為20μm×20μm單層L型，雙層傘形，雙層S型三種微測輻射熱計的三維有限元分析模型。在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)學仿真軟件Matlab建立了上述三種結(jié)構(gòu)的紅外吸收模型。以高性能指標（在60 Hz幀頻下，NETD小于50 mk時對應的熱導在10-8W/

3、K量級，熱時間常數(shù)小于8 ms）為參考，對三種結(jié)構(gòu)分別進行了光學性能仿真以及器件理論熱導計算，通過優(yōu)化各層膜厚，上下諧振腔高度等參數(shù)，獲得了較好的光學性能以及較小的器件熱導。
　　隨后本文對三種結(jié)構(gòu)的三維模型進行了力學性能優(yōu)化設(shè)計，通過調(diào)整各材料的內(nèi)應力、膜厚、諧振腔高度等參數(shù)，將器件的形變量控制在一個較小的范圍內(nèi)，研究發(fā)現(xiàn)影響其力學平衡的主要因素是支撐層和鈍化層，它們對結(jié)構(gòu)的力學性能起主要支撐作用。
　　以這三種結(jié)構(gòu)的光學

4、性能，力學性能，以及熱導研究為依據(jù)，確定了上述三種微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)參數(shù)。隨后再對三種結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)熱學有限元仿真，研究了其器件熱導和熱時間常數(shù)；而微測輻射熱計工作時，是需要加載偏置的，本文首次模擬了三種結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，對其進行了熱電耦合性能仿真，研究了其有效熱導和熱時間常數(shù)；在此研究基礎(chǔ)上，分析了器件熱導、有效熱導，偏置電流的關(guān)系，根據(jù)高性能指標的要求，推出了其電流范圍。通過加載不同的電流和相同的熱輻射對器件進行熱電耦合有限元仿真