無基底焦平面陣列性能分析與研究.pdf

1、光學讀出非制冷紅外成像技術因其低成本和高性能近年來廣泛受到關注。基于該技術，本課題組提出并成功設計制作出的無基底焦平面陣列結構(Focal PlaneArray,FPA)，不僅簡化了制作工藝，而且大幅度提升了成像性能。在課題組已有工作基礎上，本文在無基底FPA的熱機械振動噪聲、熱學性能與熱機械性能方面進行了學習和研究。
　　 因無基底FPA為單層膜結構，固有頻率值低，可能會引起熱機械振動噪聲(NETDTM)，導致噪聲等效溫度差(

2、NETD)上升。為解決這一問題，本文提出區(qū)域加強、框架加強和混合加強這三種改進的加強梁結構，借助有限元簡化模型和激光位移傳感器，通過數(shù)值模擬和實驗驗證，證實這三種結構可以大幅度提升FPA固有頻率值(從74Hz提升至835Hz，404Hz和1120Hz)，NETDTM降低約兩個數(shù)量級，從而實現(xiàn)了對FPA的優(yōu)化設計。
　　 為獲得較為準確的FPA固有頻率，解決計算機性能方面的限制，本文提出了一種簡潔的FPA有限元簡化模型。并通過實驗

3、結果與有限元結果的比較，驗證了簡化模型的有效性。此模型極大地縮短了模擬計算所需的時間，為FPA進一步優(yōu)化設計的探討分析提供了便利。
　　 本文還利用有限元法熱應力分析功能，發(fā)現(xiàn)了無基底FPA比傳統(tǒng)的有基底FPA在熱轉化效率、熱機械響應上的巨大優(yōu)勢，并據(jù)此修正了基于恒溫基底假設的物理分析模型，包括感熱單元的總熱導和熱機械響應公式。
　　 在熱學性能方面，由于無基底FPA的框架熱導和梁熱導皆在10-8W/K這一數(shù)量級上，與有

4、基底模型的無窮大熱導相比，其框架熱導大幅度減小，因而不能忽略支撐框架的熱導在無基底FPA中的作用。此時，框架可等效于一段與熱隔離梁串聯(lián)的熱阻，它有效降低了感熱單元的總熱導，提高了感熱單元的溫升效果。另外，框架還通過熱擴散使相鄰單元產生了“預溫升”現(xiàn)象，它通過線性疊加大幅度提高了感熱單元的溫升。這些特性使得無基底FPA的熱轉化效率大幅度得到提升，約為有基底FPA的兩倍之多。
　　 在熱機械性能方面，由于無基底FPA的支撐框架是變溫