光機(jī)械式非制冷紅外探測器的熱學(xué)和光學(xué)性能分析.pdf

1、非致冷紅外成像技術(shù)由于其低成本和高性能近年來得到了越來越多的關(guān)注。雙材料微梁陣列組成的紅外焦平面陣列(FPA)構(gòu)成了光機(jī)械式非致冷紅外探測器的核心，吸收的紅外幅射引起微梁溫度變化，由于雙材料熱膨脹系數(shù)的不同導(dǎo)致微梁的相應(yīng)偏轉(zhuǎn)。這個偏轉(zhuǎn)變形可以通過電容，壓阻，光學(xué)等方式讀出。在這些方法中，光學(xué)方法不需要在每個像素上制作微電子電路，從而比電學(xué)讀出方式有更好的熱隔離效果，更低的熱噪聲和更簡單的微制作工藝。 本文中我們設(shè)計了一種基于刀口

2、濾波方式的光學(xué)讀出式紅外探測器，并搭建了一個利用刀口濾波方式檢測微梁陣列轉(zhuǎn)角變化的光學(xué)平臺，這種光學(xué)方法把微梁的轉(zhuǎn)角變化轉(zhuǎn)換成CCD像素上的光強(qiáng)變化，其最小可探測角為10<'-5>度。針對采用的光學(xué)讀出方法，我們設(shè)計并加工了無硅基底的多次回折間隔鍍金微梁結(jié)構(gòu)，分析了其熱學(xué)和熱機(jī)械性能，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了微梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計并在120μm像素尺寸上成功實現(xiàn)了這一設(shè)計。 在本文采用的刀口濾波(空間濾波)方法中，鏡面彎曲會使微梁中反光板的衍射

3、譜彌散，從而嚴(yán)重降低光學(xué)檢測靈敏度。本文研究了應(yīng)力導(dǎo)致的鏡面彎曲對光學(xué)檢測靈敏度的影響，進(jìn)行了理論模擬分析和并通過實驗進(jìn)行了驗證。分析結(jié)果表明對于長度為100μm的鏡面來說，一個讀出光波長五分之一的表面彎曲將會使得光學(xué)檢測靈敏度減小一半。針對這一問題，提出了微梁單元的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計并成功制作了50μm像素加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。 利用建立的光學(xué)讀出平臺，對制作的200μm單元的FPA進(jìn)行了熱成像實驗并計算了系統(tǒng)的噪聲等效溫度差(NETD)。