（固体力学专业论文）无基底焦平面阵列性能分析与研究.pdf

摘要 摘要 光学读出非制冷红外成像技术因其低成本和高性能近年来广泛受到关注。基 于该技术，本课题组提出并成功设计制作出的无基底焦平面阵列结构( f o c a lp l a n e a r r a y , f p a ) ，不仅简化了制作工艺，而且大幅度提升了成像性能。在课题组已有 工作基础上，本文在无基底f p a 的热机械振动噪声、热学性能与热机械性能方 面进行了学习和研究。 因无基底f p a 为单层膜结构，固有频率值低，可能会引起热机械振动噪声 ( n e t d 刑) ，导致噪声等效温度差( n e t d ) i - _ 升。为解决这一问题，本文提出区域 加强、框架加强和混合加强这三种改进的加强梁结构，借助有限元简化模型和激 光位移传感器，通过数值模拟和实验验证，证实这三种结构可以大幅度提升f p a 固有频率值( 从7 4 h z 提升至8 3 5 h z ，4 0 4 h z 和1 1 2 0 h z ) ，n e t d t m 降低约两个 数量级，从而实现了对f p a 的优化设计。 为获得较为准确的f p a 固有频率，解决计算机性能方面的限制，本文提出 了一种简洁的f p a 有限元简化模型。并通过实验结果与有限元结果的比较，验 证了简化模型的有效性。此模型极大地缩短了模拟计算所需的时间，为f p a 进 一步优化设计的探讨分析提供了便利。 本文还利用有限元法热应力分析功能，发现了无基底f p a 比传统的有基底 f p a 在热转化效率、热机械响应上的巨大优势，并据此修正了基于恒温基底假设 的物理分析模型，包括感热单元的总热导和热机械响应公式。 在热学性能方面，由于无基底f p a 的框架热导和梁热导皆在1 0 。8w l ( 这一 数量级上，与有基底模型的无穷大热导相比，其框架热导大幅度减小，因而不能 忽略支撑框架的热导在无基底f p a 中的作用。此时，框架可等效于一段与热隔 离梁串联的热阻，它有效降低了感热单元的总热导，提高了感热单元的温升效果。 另外，框架还通过热扩散使相邻单元产生了“预温升”现象，它通过线性叠加大 幅度提高了感热单元的温升。这些特性使得无基底f p a 的热转化效率大幅度得 到提升，约为有基底f p a 的两倍之多。 在热机械性能方面，由于无基底f p a 的支撑框架是变温结构，框架温升比率 高达9 4 ，各感热单元变形梁的温升几乎相等，其热机械响应与有基底f p a 相 比，最大可提高约3 3 。 关键词：无基底f p a ，双材料微悬臂梁，红外成像，非制冷，加强梁 a b s t r a c t a bs t r a c t o p t i c a l r e a d o u tu n c o o l e di n f r a r e di m a g i n gt e c h n i q u eh a sa t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r sd u et oi t sl o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c e b a s eo nt h e t e c h n i q u e ，o u rg r o u pp r o p o s e da n df a b r i c a t e dt h es u b s t r a t e 。f r e e f o c a lp l a n ea r r a y ( f p a ) s u c c e s s f u l l y i tn o to n l ys i m p l i f i e dt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，b u ta l s oi m p r o v e d t h ei n f r a r e d i m a g i n gq u a l i t y i n t h i s p a p e r m e c h a n i c a ln o i s e ，t h e r m a l a n d t h e r m o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ca b o u ts u b s t r a t e f r e ef p a i ss t u d i e d t h es u b s t r a t e f r e ef p ai ss u s c e p t i b l et om e c h a n i c a ln o i s e ( n e t d r m ) d u e t ol o w r e s o n a n c ef r e q u e n c yo fm o n o l a y e rm e m b r a n es t r u c t u r e ，w h i c hc o u l dl e a dt ot h er a i s e o fn o i s ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ( n e t d ) i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m ， t h r e ek i n d so fn o v e ls t r u c t u r ew i t he n h a n c e db e a ma r ep r o p o s e di nt h i sp a p e nb a s e d o nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yu s i n gs i m p l i f i e dm o d e la n d l a s e rd i s p l a c e m e n ts e n s o r , t h et h r e es t r u c t u r e sa r ep r o v e dt oh a v eas i g n i f i c a n t l y i n c r e a s eo fr e s o n a n c ef r e q u e n c y ( f r o m7 4 h zt o8 35 h z ，4 0 4 h za n dll2 0 h z ) a n d r e d u c en e t d t mb yt w oo r d e r so fm a g n i t u d e ，w h i c hc o n s e q u e n t l yc a r r yo u tt h e s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no ff p a a s i m p l i f i e dm o d e li sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , i no r d e r t or e s o l v et h el i m i t a t i o no f c o m p u t e rp e r f o r m a n c e ，a n dg e ta c c u r a t ef p a r e s o n a n c ef r e q u e n c y m e a n w h i l e ，t h e m o d e li sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t ，w h i c hp r o v i d em u c h m o r ec o n v e n i e n c ef o rf u t u r es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n a l y s i s t h r o u g ht h e r m a ls t r e s sa n a l y s i s ，s u b s t r a t e f r e e f p ai sf o u n dt oh a v e a t r e m e n d o u sa d v a n t a g e ，c o m p a r et ot r a d i t i o n a ls u b s t r a t ef p a ，o nh e a tc o n v e r s i o n e m c i e n c va n dt h e r m o m e c h a n i c a lr e s p o n s e a c c o r d i n gt ot h er e s u l t ，p h y s i c a lm o d e l b a s eo nt h eh y p o t h e s i so fc o n s t a n tt e m p e r a t u r es u b s t r a t ei sm o d i f i e d ，i n c l u d i n gt o t a l t h e r m a lc o n d u c t a n c ea n dt h e r m o m e c h a n i c a lr e s p o n s eo f e a c hm i c r o c a n t i l e v e r f o rs u b s t r a t e f r e ef p a ，f r a m et h e r m a lc o n d u c t a n c ei si nt h es a m em a g n i t u d e w i t hb e a mt h e r m a lc o n d u c t a n c e ( 10 一w k ) ，w h i c hi sal a r g ed e c r e a s ec o m p a d n gt o s u b s t i o l t ef p a 。w h o s ef r a m et h e r m a lc o n d u c t a n c ei si n f i n i t e d u et ot h el a r g ed e c r e a s e i nt h e r m a lc o n d u c t a n c e ，f r a m ef u n c t i o n sa sa t h e r m a li s o l a t i o n f r a m ew h i c hr e d u c e s t h et o t a lt h e r m a lc o n d u c t a n c ea n dt h e r e f o r ei n c r e a s e st h et e m p e r a t u r ec h a n g e m e a n w h i l e ，f r a m ea l s of u n c t i o n sa sa t h e r m a ld i f f u s i o n f r a m ew h i c hc e r t a i n l yr e s u l t s i nt h et e m p e r a t u r ep r e c h a n g ei nt h eo n e sn o ta b s o r b i n gr a d i a t i o n t h e l i n e a r i i i a b s t r a c t s u p e r p o s i t i o no ft h et e m p e r a t u r ep r e - c h a n g eb yt h eo t h e r o n e st h u sw i l l g r e a t l y i n c r e a s et h et e m p e r a t u r ec h a n g e b o t hc h a r a c t e r i s t i c sw i l ls i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h e h e a tc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fs u b s t r a t e f r e ef p a ，w h i c hc a nb et h et w i c eo fs u b s t r a t e f p a b e c a u s eo ft h et e m p e r a t u r e v a r i a b l ec h a r a c t e r i s t i co ff r a m e ，t e m p e r a t u r ec h a n g e r a t i oo ff r a m ea n da b s o r b e rc a nu pt o9 4 ，w h i c hr e s u l ti nt h es a m el e v e lt e m p e r a t u r e c h a n g ei nb i - m a t e r i a lm i c r o c a n t i l e v e r s t h e r e f o r e ，ap o t e n t i a lo f3 3 i m p r o v e m e n ti n t h e r m o - m e c h a n i c a lr e s p o n s ei se n v i s i o n e d k e yw o r d s ：s u b s t r a t e f r e ef p a ，b i m a t e r i a lm i c r o c a n t i l e v e r ，i n f r a r e di m a g i n g ， u n c o o l e d ，e n h a n c e db e a m i v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 蚤：芸途；惑签字日期：蛰么皇：笸：； 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 留叁开 口保密( 年) 作者签名3 蚤= 速墨尊 作者签名：f = 继! 妇 签字日期：b 啦牛 导师签名： 签字日期： 彩互 逊：笸3 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着新技术革命的到来，世界开始逐步进入信息时代。在利用信息的过程中， 最主要的是如何获取准确可靠的信息。传感器则是获取自然和生产领域中信息的 主要途径和手段。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测感应到外界的信 号、物理条件( 如光、热、湿度等) 或化学组成( 如烟雾) ，并将获得的信息传 递给其他装置或器官。伴随着传感器技术的不断突破，其在工业生产、宇宙开发、 海洋探测、环境保护等诸多领域都有着广泛的应用。 传感器是信息采集的关键器件，而人类五官则就是功能复杂且灵敏的“传感 器”，例如人的触觉可以感知外界物体的温度。然而人的五官感觉在研究自然现 象和规律时其功能远远无法满足。比如，视觉可以感知可见光，对频域更宽的非 可见光如红外和紫外光谱则无法察觉。为适应这种情况，一系列补充、延伸人体 感官的各种传感器应运而生，比如能轻易捕获红外辐射的各种红外探测器。 作外一种传感器，红外探测器具有如下优势：在夜间和恶劣气候下的工作能 力强；隐蔽性好，不易被干扰；识别伪装目标能力强等等。基于这些优势，红外 探测器在军用领域和民用领域被广泛运用，从军用的热武器瞄准器到民用的红外 医疗、车辆驾驶视觉增强红外系统、消防、电力设备诊断、安防、工业监控测量、 多光谱和超光谱遥感、天文探测等领域都可见到红外探测器的身影【l 刮。 1 2 红外探测技术的发展 红外探测器的发展目前己经历了三代：第一代红外探测器以单元和线列器件 为主，成像探测需要光机扫描；第二代以基于采用平行扫描和时间延迟与积分技 术的长波红夕1 - ( 8 1 2 p m ) h g c d t e 探测器和中等规模6 4 0 4 8 0 的中波红外3 - 5 1 t m 凝视探测器为代表；现在正在发展第三代红外探测器，代表了未来红外探测器技 术的发展趋势，主要表现在三个方面：1 非制冷红外焦平面阵列技术成为主流技 术；2 j 、像素，大阵列；3 双色或多色探测阵列。 正在发展的第三代红外焦平面阵列技术需要满足以下几种要求：l 、焦平面 上探测器像元的集成度需进一步提高；2 、高工作温度，以便实现低功耗以及小 型轻量化的系统应用；3 、非制冷工作红外焦平面阵列传感器的性能要达到或接 近目前第二代制冷工作红外焦平面阵列传感器的水准，4 、必须是极低成本的微 1 第一章绪论 型红外传感器。图11 中显示了近年来红外探铡器的发展历程f 8 l 。 捌= o 9 因 rc n 1 qf 未器c 1 “0 1 嘲1 蛳1 0 1 删1 02 o 2 0 1 0 i k t e e t o rr o 鲥m a 口 1 3 红外探测器的分类 圈l _ 1 红外探测器发展的历史 根据探测器的工作原理，目前使用的红外探测器可以分为两大类：量子型探 测器( 制冷型) 和热型探测器( 非制冷型) 5 8 1 。 3 1 量子型探测器 量子型探测器把光学信号转换为电学信号，也就是光电搛铡器。其原理基于 光电效应，即探测器吸收红外光子后发生电子状态的改变，从而引起电学现象。 量子型探测器一般可分为| 三i 下几种l ：红外光电效应器件、本征光一电导探 测器和非本征光一电阻探测器、光伏探测器、光发射一s g h o t t k y 势垒探测器、量 子阱探测器。 目前，在量子阱红外探测器方面，大面阵单色技术已经趋于成熟，现今最大 单色q w w 列阵是美国空气推进实验室( j p l ) 研制的4 0 9 6 x 4 0 9 6 长波焦平面阵 列，国内的最新进展为昆明物理所研制的3 2 0 x 2 5 6 元q w w ：多色q w i p 焦平面 器件以n a s a j p l 研制的6 4 0 5 1 2 四色焦平面为当前的最高研究水平，国内目 前的最新进展为中国电子科技集团第十三研究所研发的5 0 0 岬5 0 0 岬大面积的 双色器件。其他几种传统的量子探测器方面，国际上一些知名研究机构如法田的 s o f r a d i r 、英国的s e l e x ，德国的a i m 、美国的d r s 、r a y t h e o n 等，己研制出 ： l。t_、h ， ，#，_i ，群1 ；，h z t，口r 第一章绪论 性能水平较高的商用探测器：短波4 0 9 6 x 4 0 9 6 、中波1 0 2 4 x 1 0 2 4 、长波6 4 0 x 4 8 0 、 双色x 2 波段1 2 8 0 x 7 5 0 t 3 1 。 量子型红外探测器有响应时间短、噪声等效温度差低( n e t d 5 1 0 m k 【8 】) 、 成像质量佳等优点，但工作时需要将探测器保持在液氮的温度( - 7 7 k ) ，以有效避 免电子热运动的影响。因此，。它需要特殊的制冷装置，使得装置体积较大、能耗 和成本较高，价格昂贵，不太适合民用。 1 3 2 热型探测器 热型探测器主要利用红外辐射的热效应：当探测器吸收红外辐射后，探测器 本身将产生温升，随后探测器的某些物理性能将随温度发生变化。通过测量这些 物理量的变化，我们就可以测量出探测器所吸收的红外辐射能量。一般包括以下 几种【5 肖j ：热敏电阻探测器、热致电压变化( 温差电动势) 探测器、热释电探测器。 热型探测器可以在室温下工作，不需要制冷装置。目前，传统的热型红外探 测器的n e t d 典型值为5 0 1 0 0 m k i s 】。传统探测器的探测单元温升是通过电学方 法来检测的，对于非制冷探测器的每个探测单元，都要有一个单独的读出电路。 这样在制作阵读出电路与提高性能之间产生了矛盾：一，读出电路使用金属材料， 提高了探测单元的热导，使得热隔离效果减弱，限制了单元温升。二，该结构利 用电流量的变化对应物理性能的变化，电流能产生附加热量，降低了测量精度。 三，吸热引起的物理量变化很小，要求读出电路有着很高的信噪比和增益，这样 对读出电路的要求很高，制作难度很大，不利于大阵列f p a 的制作。 目前，国际上长期从事非制冷热成像研究的机构有美国的l o c k h e e d m a a i n 、 英国的b a e 、q i n e t i q 、法国的u l i s 、日本的n e c 等。他们探测器单元所采用 的材料主要有3 种：热释电材料、氧化钒以及非晶硅。近年来，通过不断改进探 测器的结构和材料，基于钛酸锶钡、非晶硅热敏电阻材料等的探测器技术已趋于 成熟，英美两国氧化钒产品规模己达6 4 0 x 4 8 0 ，法国非晶硅产品和英国热释电产 品规模均为3 8 4 x 2 8 8 t 3 1 。大量研究表明，热型探测器通过结构和材料的改进，其 性能可以极大提高，达到量子型的性能指标。 1 4 光学读出式红外探测器的研究进展 近年来，随着原子力显微镜探测技术6 1 的不断成熟，光热机械式悬臂梁结构 与各种光学读出方式越来越被广泛的研究。这种热型探测器的检测原理是基于双 材料悬臂梁的热一机械变形效应1 1 。 这种非接触式的光学读出以及采用双材料微悬臂梁阵列单元的红外探测器， 3 第一章绪论 相比于传统热型探测器还有很大的改进：一，不会在探测器上产生附加的热量； 二，不需要金属连接，可以有良好的热隔离：三，单元制作采用与现有s i 制作 工艺兼容的m e m s 微加工工艺，降低了开发和制作成本。四，不需要交叉布线， 更易于大面阵f p a 的制作。因此，基于这种结构的热探测器，有望能够开发出 更高性能的探测装置。 1 9 9 6 年，美国o a k r i d g e n a t i o n a ll a b 的研究小组利用商用压电电阻微悬臂梁 制作了这一原理的红外探刹器“】。如图12 所示，氦氖激光器发出的激光被聚 焦在微悬臂梁的尖端作为光学探针。光束经悬臂粱反射后被p s d 接收，当粱受热 变形后，就能测量出光点随热变形的偏转位移。该研究小组通过锁相放大电路第 一次看到了2 5 0 c 物体的热像( 如图l2 f b l 所示) 。 ；幽q 晚。，w r n v = 葑然二掣仝 s 一唾焉嚣凛怠。 怠尝囵 。思二盘 器；雕 m 器差箸 m ，o ：裟， ( 吣菲亲干涉式光学读出系统( 时人手的热图像 图1 3 双材料徽悬臂集阵列以及干涉式光学读出系统 第一章绪论 絮慧。$ 一 ( ”得到的 体热图像 圈14n i k o n 公司设计的职材料撤悬臂梁阵列和针孔滤波系统 2 0 0 0 年至今，日本n i k o n 公司报道了一种用于检测热变形转角的光学读出 系统( 图1 4 ) i + o - 2 4 1 。在该研究小组的系统中，光学4 厂处理系统的谱平面上放置 了一个滤波用的针孔装置。当微悬臂粱吸收不同热量，所引起的转角不同时，被 微粱反射的l e d 可见光通过针孔的光量也就不同因此c c d 将接收到对应的不 同光强。基于此系统他们也得到了人的热图像。 2 0 0 3 年至今，o a kr i d g en a t i o n a ll a b 的研究小组又陆续报道了利用c c d 直 接读出方式( 图15 ( a ) ) 和小孔滤波方式( 图15 ( b ) ) 的红外成像结果【2 5 卅。在 c c d 直接读出方式中，采用了光杠杆原理的光学系统，微悬臂桨吸收不同热量所引 起的转角被直接转换为c c d 上反射光点的位移，得到高温下物体的热像( 图1 5 ( c ) ) 。小孔滤波方式中，采用了一个带有小孔的透镜，并用c c d 接收通过小孔的光 强最终得到了室温下人体的红外热像结果( 圈l5 ( d ) ) 。 第章绪呛 移 鹣 曲c c d 直接读m 方式的光学系统 ，o m + o k 。o 直接读出方：! 到的高温物体红外 ( d ) 小孔砖波睡出方式室温下得到的红外热像 热像 圈1 5 0 a k r i d g e n a t i o n a ll a b 利用c c d 直接读出方式和小孔滤波方式的光学系统及其结果 2 0 0 4 年至今，a e g i ss e m i c o n d u c t o r 公司以及其分离出的专门从事红外的 r c d s h i rs y s t e m s 公司报道了利用薄膜可调谐光学滤波器进行成像的工作】。该 红外探测器利用热光效应，焦平面阵列由热可调喈薄膜滤波器的隔膜像素组成。 每个像素争元都是一个波长转换器，其可将远红外辐劓信号转换成c m o s 或 鲨br i 轳 坐i 口_ 礴 臬 j 多囡 雾 第一章绪论 c c d 可检测到的近红外信号。图16 ( b ) 为其得到的人体热图像 思。n i r 。 ( 幻基于薄膜可调谐光学滤波器的光学读出系统 ( b ) 获得的红外热像 图1 6 a e g i ss e m i c o n d u c t o r 公司开发的红外探测器 上述的红外探测器中，除了美国的a e g i ss e m i c o n d u c t o r 采用薄膜可调谐光学 墟渡方式外，其他几个研究小组都采用了双材料微悬臂粱和可见光读出方式，其 原因可能是微梁阵列的制作工艺较为简单可降低制作技术门槛和制作成本。这 一类利用光学方法检测热机械变形的探测器，我们称之为光机械式红外探测器。 15 光机械式红外探测器所采用的光学读出系统 目前使用的光学读出系统主要有几种! 一，光学干涉式读出：二，原子力显 微镜( a f m ) 原理的光学读出系统；三，针孔滤波系统。这些光学读出方式各有优 缺点。 念 网图 一 m n v 一n v m良融陵翻冒 口 * | | t 。 ；薹一 丽豳嘲豳国 第一章绪论 ( 1 ) a f m 光学读出系统 采用a f m 原理相同的测量系统，其灵敏度高，可以检测到原子尺度上的悬 臂梁变形【l o l 。然而，该系统只使用一个悬臂梁作为探测器单元，因此在读出物 体热像时需要进行扫描。而微梁单元对热信号的响应时间长，扫描整个阵列需要 较长的时间，无法对热像进行实时观察。 在c c d 直接读出方式中【2 们，微梁转角被直接转换为c c d 上反射光点的位 移。然而，成像质量却容易因各个像素反光点间的干扰而受到影响；实验精度也 还同时受到了c c d 像素尺寸的限制。 ( 2 ) 光学干涉式读出系统 光学干涉方法的测量典型精度为波长的1 1 0 到1 1 0 0 。但是此系统抗震性差， 要求工作环境具有良好隔振性。这样制作的成像系统只能工作在实验室条件下， 无法在实际领域中应用。最好的隔震方法就是将干涉部分集成到探测器上，但是 这样对探测器的设计及工艺难度要求更高。而且，干涉得到的光强信号是梁单元 离面位移的余弦( 或正弦) 函数，因此离面位移每改变半个波长，得到的光强信号 将一致，使得系统只能测量半个波长范围内的离面位移i i 7 - 1 9 。 ( 3 ) 针孔滤波系统 针孔滤波方式探测微悬臂梁的转角，兼有高灵敏度和无需隔震的优点。但是 目前n i k o n 公司是通过减小其核心单元光学滤波孔的孔径来实现系统探测灵 敏度的提高。在此情况下，当滤波孔孔径缩小到一定值时，孔的a i r y 斑会使接 收到的像彼此之间交叠。得到的热像信息由于相互干扰，也就很难获得被测物体 的真实温度分布情况。 1 6 本文使用的光学读出成像系统 针对上文提出的光机械式红外探测器光学读出系统的各种不足，一种基于谱 平面刀口滤波的光学读出技术被提出来 2 9 - 3 2 1 。它可将f p a 探测单元的热致转角 信号转化为光强信号，进而显示为c c d 的灰度变化。相比其他系统，该技术主 要有下以三个方面的特点： 第一，该系统采用非相干光的照明方案，降低了由于光学读出系统杂散光之 间的相互干涉引起的散斑效应，不仅提高系统成像质量，也增加了系统光学图像 数据的可靠性。 第二，在非相干光照明的基础上，系统还采用以刀口滤波为基础的光学滤波 技术。该技术具有很高的探测灵敏度，不仅能够实时光学读出热像，还具有很高 的空间分辨率和高可靠性的数据。 8 第一章绪沦 第三，抗振性能好，优于干涉读出系统。 本文的光学读出系统就是基于此技术构建的，如图i7 所示。 f p a 置于真空腔中，微梁阵列的s i n x ( 或s i 0 2 ) 层面向红外镜头，镀a u ( 或a i ) 层朝向光学读出方。目标物体的远红外光( 波长8 1 4 i t m ) 经红外透镜 辐射到置于真空腔内的f p a 上，微粱单元吸收红外辐射并产生温升一t c 。由于两 种材料的热膨胀率的差异双材料变形梁将产生弯曲，使反光板产生倾角d 日。 由l e d 发出的司见光经小孔后形成点光源，点光源经傅立叶透镜准直后成为平 行光照射到微粱阵列表面。平行光经微粱单元中的反光板反射后，其反射光再次 经过傅立叶透镜井被半透半反镜转折。在傅立叶透镜的后焦谱平面上用刀口滤波 器对反射光谱进行滤波操作，f p a 的框架以及变形腿的衍荆谱被阻挡，从刀口透 过的f p a 反光板的光谱通过成像透镜在c c d 靶面上成像。当目标物体红外辐射 的能量有所变化时，读出可见光发生的偏移量不同，从而导致了c c d 上反光板 的像的灰度发生了相应的变化。其结果是光学读出部分将微梁单元的热致转角变 化, f r o 转化为c c d 上对应像素单元的灰度变化z j n 。 图1 7 光学读出系统原理图 17 无基底热探测焦平面阵列( f p a ) 7 1 双材料微悬臂粱热变形原理 光机械式红外探测器的另一个重要特点就是采用取材料微悬臂粱焦平面阵 列( f p a ) 作为探钡8 单元。f p a 微粱单元由两种热膨胀系数不同的材料组成。f p a 吸收红外辐射引起温升后，由于材料热膨胀系数的不同，整个粱将发生弯曲变形 圜“彰辑 誊。、犷，瓣零 第一章绪论 如图l8 所示【7 】 图i 8 积材料徽悬臂梁的受力分析示意图 由材料力学相关知识郾1 可计算出转角和温升，之间的关系式。其中，双材 料粱的热膨胀系数分别为口和a ：杨氏模量为五和e ：，厚度为 和也，粱长度 为。 微粱受力分析如图1 8 所示，材料i 横截面上的应力可以分解为一个力偶m 和压力_ v - ，材料2 横截面上的应力可以分解为一个力偶和拉力2 ，变形后的曲 率半径为口。根据横截面上的力与力矩平衡原理有： ：m ：m + 幔：m ：掣 o - i ) 双材料梁因温升产生的变形分别为： 髋：笳 小2 ) 困粱受到拉压力而产生的变形分别为 对于矩形截面粱，梁纯弯曲的公式为：m = e 聊1 1 2 , o ,( 1 却 其因力偶而引起的变形几何关系分别为钆一童( 1 5 ) z 5 盖 同时由于粱曲率半径远远大于粱厚度，故可认为：n = 岛= p ( 1 - 6 ) 综台公式( 1 - 2 ) 、( 1 - 3 ) 、( 1 5 ) ，粱的总应变为：e = ，+ 矗。+ ， ( 1 7 ) 在双材料粱的交界面处，两个粱的应变应该是一致的，所以可得： 告嚆 删 即 第一章绪论 q r 一丽n 一且2 p = 丁+ 丽n + 磊 ( 1 - 8 ) 1 骂地 易6 吃2 p 、 公式( 1 - 1 ) 、( 1 4 ) 、( 1 - 6 ) 代入上式可以解出： p ：! 墨堡二墨蟹2 ：兰刍垦刍垒! 鱼垒! ( 1 - 9 ) 6 巨岛红( 矗+ 红) ( 一口。) a t 悬臂梁的边界条件为：d 出2 _ _ s z ：= e m i = 古，去l 。= 。， 礼；。= 。 ( 1 1 。) 综合( 1 9 ) 、( 1 - 1 0 ) 5 戈，得到梁端部位移为： 万- 3 ( 盱碳睾) ( 丁 ( 1 - 1 1 ) 其中：k ：4 + 6 门+ 4 1 1 2 + 卵s + 土，z 为两种材料的厚度比冬，9 ：譬 最终可得转角与温升的关系为： 肚剖x = l = 6 ( t z 2 - - t z l ) ( 等m 丁 ( 1 1 2 ) 由上式可知，双材料悬臂梁的热致转角与材料的结构参数、物理性能和梁的 温升有关。利用微梁可以将吸收的热辐射能量转化为其转角变化这一物理特性， 我们设计制作了微悬臂梁焦乎面阵列( f p a ) 来检测物体的温度分布，结合1 6 节撂h 的光学谴出方式就得成工力获得物体的纤外热像。 1 7 2 无基底焦平面阵列的结构及其特点 图1 9 为本课题组提出的一种单层膜无基底的双材料微悬臂梁焦平面阵列结 构【3 4 】的光学显微镜照片。如图所示，每个像素单元都包括四个部分：红外吸收 板( 可见光反光板) 、双材料变形梁、热隔离梁以及支撑框架。其中，红外吸收 板( 可见光反光板) 由s i m 和a u ( 或s i 0 2 和a i ) 两层薄膜组成，s i m ( 或s i 0 2 ) 薄膜用于吸收红外辐射，a u ( 或a 1 ) 薄膜用于反射可见光；双材料变形梁也由 s i n x 和a u ( 或s i 0 2 和a i ) 两种材料组成，梁吸热后由于材料热膨胀系数的不同， 产生热致弯曲变形；热隔离梁和支撑框架由s i n x ( 或s i 0 2 ) 组成。 梁的多折间隔镀金结构增加了热隔离梁与变形梁的长度，提高了微梁单元的 绝热效果，即提高了梁的温升，从而提升微梁单元的热转化效率。外围框架为像 素单元的支撑结构，其在保持f p a 单元结构强度的同时实现良好的散热效果， 使得探测器工作的参考温度能够保持恒定。回折梁间隔镀金结构实现了热隔离梁 和变形梁的交替连接，使热变形放大，提高梁的热机械响应。 第一章绪论 图1 9f p a 光学显微镜照片 此外，基于光学读出非制冷红外成像技术的其他研究小组，所采用的f p a 大多为有基底的牺牲层结构p s - 3 s l ，典型结构如图11 0 所示。该结构中每个像素 单元都有独立的硅基底，梁通过支撑锚爪固定在基底上。悬臂粱与基底的间距一 般在2 9 m 左右。如图所示，目标物体的红外辐射必须先穿过硅基底最终才能 被双材料悬臂梁吸收。 锚卯 圈11 0 牺牲层结构封红外辐射的入射和反射示意图 红外辐射最初传播到硅基底和空气的交界面i 时，将同时发生反射和透射， 如圈11 0 中所示。由于基底和悬臂粱之间还有一个2 9 m 的间隙，入射到硅基底 的辐射仍将连续不断地在硅基底与空气的交界面2 上发生透射和反射。这样，最 终仅有约一半的辐射能量能够穿过基底到达悬臂梁m 】。 第章绪论 圈l _ 1 i 无基底f p a 示意图 针对上述问题，为了提高红外辐射的利用率本课题组提出井成功制作了新 型的无基底f p a ，如图li i 所示。该结构中，微梁单元被固定在支撑框架上， 并移除微粱正下方的硅基底。因无基底结构消除了硅基底对红外辐射的反射，在 初始入射辐射相同的情况下，无基底结构比牺牲层结构具有更高的红外辐射能量 利用率。 同时，牺牲层结构除了其本身释放难度较大以外，还容易因热冲击或机械冲 击引起微梁与基底的粘连，导致f p a 失效；井且基底与粱问的空隙会产生较高 的温度梯度，加剧空气层的热传导影响，从而要求f p a 工作在高真空下以降低 热传导影响。因此，无基底结构不仅简化了制作工艺，解决了微粱阵列的粘粘失 效问题，还成功减小了空气热传导的影响，从而大幅度提升了成像性能。 7 , 3 热变形灵敏度分析 在具体分析微悬臂梁阵列性能时可吼分成相对独立的两个部分：吸收单位 入射辐射微梁所产生的温升；以及单位温升微粱所产生的热致转角。同理，热变 形灵敏度凡r 电可以分成两个参数的乘积： br = x s 7 ( 1 - 1 3 ) 鼢热转化效率，指温度砖的目标物体单位温升所引起的f p a 上对应微悬臂 粱的的温升如。 假定温度为珏的黑体辐射源的辐射强度为p ，则被微粱单元吸收的部分为吼 g = 4 7 ”- 9 ( 1 1 4 ) 1 3 第一章绪论 根据热传导方程【2 7 】，微梁单元吸收红外热辐射后的温度t c ( 初始温度为 t o - - - 3 0 0 k ) 满足方程： p v c 譬：一( 疋一t o ) + a q ( 1 - 1 5 ) 其中，p 、儿c 分别是微梁单元单元的密度、体积和热容。 达到热平衡时，微梁单元温升死为： 毛= 粤 ( 1 - 1 6 ) 综合公式( 1 1 5 ) 和( 1 1 6 ) ，可以得到热转换效率日为 4 0 , 4 1 1 ： 日= 嚣= 等而3 q 筹= 击+ 等4 f 筹a t , m t 7 ， 6 t ，6 q6pd t ，g 。l 2 、。 公式中，g 是温度为乃的黑体，其辐射强度为p 时，微梁单元吸收的入射 辐射强度；么d 是像素单元吸收板的面积；f 是红外光学器件对入射红外辐射的吸 收率( 本文中为o 9 ) ；是像素单元吸收板材料的吸收系数；f 是红外透镜的f 数；温度为3 0 0 k 的黑体的单位温度辐射率为d p d t s = 0 6 3 w m 2 i c l s t - 7 ( 8 1 4 v m 波段) ；g 幻胁f 是微梁单元的总热导： g f 删= g 刎+ 吒+ q r ( 1 1 8 ) 其中，g 倒，g 妇，倪一分别是微梁单元通过热辐射，绝热腿传导，空气和外界进 行热交换的热导。由于无基底f p a 工作在真空环境( 1 p a ) ，g a 驴一般可以忽略 4 2 1 o 根据基尔霍夫定律，g 删可表示为【4 2 】： g r a a = 4 0 - 以( 毛+ 占2 ) t 0 3 ( 1 1 9 ) 式中，盯为斯忒藩玻耳兹曼( s t e f a n b o l t z m a n n ) 常数( 5 6 7 1 0 。8w m 2 k ) ， e l 和9 2 分别是感热单元两种组成材料的红外吸收系数。 根据热传导知识，g t 。s - l 表不- - 州 4 2 】： 2 2 n l 百+ 丽n l - j ( 1 - 2 。) 式中，z 是微梁单元的回折数，三是单根热隔离梁( 或双材料变形梁) 的长 度，七是材料的热传导系数，彳是双材料变形梁两种材料的横截面积，下标1 、2 分别代表组成材料( 1 为热隔离材料) 。 曲为热机械响应，指微梁单元单位温升所引起的热致转角。f l j ( 1 1 2 ) 式可得到： 品= 昙- 6 ( 口2 - - o s t ) ( 等) ( 1 2 1 ) 1 丁 、 一k 、 。 第一章绪论 根据日、曲表达式可以看出，f p a 热学设计的核心问题是降低热导g ，咖l 。降 低总热导有利于提高h ，使微梁单元获得更高温升，从而增大微梁结构的热致转 角，进一步提高系统的探测灵敏度。 1 8 红外探测器性能分析 1 8 1 红外探测器的性能参数 对于采用电学读出方式的量子型红外探测器来说，用来描述红外探测器灵敏 度性能的参数一般有响应率、噪声等效功率、探测率和归一化探测率、响应时间、 光谱响应这么几种【5 1 。 对于本文使用的光学读出式红外探测器，如果使用探测率和归一化探测率， 则实验测量时要求使用调制频率的信号，且微梁的热响应时间较长，在操作上困 难较大。因此，在评价光学读出式红外探测器的性能时，一般采用另一个评价参 数：噪声等效温度差( n e t d ，n o i s ee q u i v a l e n tt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ) 。由于使用的 是目标物体温度，相对而言，该参数可以更加直观的描述红外系统的成像性能。 n e t d 可以理解为：用探测系统探测目标物体，当系统输出信号值正好等于 系统噪声值厶。加时，此时目标物体和背景的温差即为n e t d 。在本文的系统中， 系统的信号值和噪声值都是用c c d 得到的灰度值来表征的，因而n e t d 可以表 征为【3 6 j ： 砸m = 等= 等t s ( 1 - 2 2 )r， 其中厶。垃是系统的噪声灰度级。尺为系统得到的灰度响应，定义为探测系统探测 目标物体单位温度变化所对应的灰度变化值，亦即： 尺= 等= s r h ( 1 - 2 3 ) 瓦 鼠i n 7 式中如加为光学检测的最小可探测角。 由n e t d 的表述可知，系统n e t d 越小，探测灵敏度就越高，成像性能也 就越好。此外，系统灰度响应r 还包括目标物体单位温升引起的热致转角变化 ( 热变形灵敏度) 以及微梁单位转角对应的灵敏度变化( 光学读出装置部分灵敏 度) 这两个部分，可以极为直观地描述系统的成像性能。 1 5 第一章绪论 1 8 2 系统噪声分析 为提高成像性能，分析系统噪声来源与大小，与分析系统探测灵敏度处于同 等重要的地位。针对本文的成像系统，噪声主要分为探测器自身噪声和光学读出 系统噪声两种。 ( 1 ) 探测器自身噪声 基于m e m s 工艺，微梁单元的尺寸可达, u m 至 l m 量级。此时，宏观上可以 忽略的一些微尺度量级的噪声机制将影响到系统性能。对外热辐射、热交换而导 致的温度涨落噪声以及热机械振动噪声都是热探测器噪声的主要来源，它们决定 了探测器的极限性能。 ( a ) 热机械振动噪声 对于微悬臂梁