無基底焦平面陣列的性能分析和優(yōu)化.pdf

1、紅外成像技術(shù)在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)等方面有廣泛應(yīng)用。光學(xué)讀出非制冷紅外成像技術(shù)由于成本低、性能高而成為今年來研究的熱點(diǎn)之一。本文在課題組工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)光學(xué)讀出非制冷紅外成像技術(shù)的核心元件無基底焦平面陣列(FPA)展開了一系列研究，建立了新的熱機(jī)械分析理論模型，設(shè)計(jì)制造了新材料的FPA，為了改善FPA反光板的彎曲，提出了多種優(yōu)化方法，并建立了嵌入式的軟件平臺(tái)，主要成果如下:
　　 (1)熱機(jī)械性能分析方面，盡管有限元方法能夠

2、精確計(jì)算已知設(shè)計(jì)尺寸的無基底FPA的熱機(jī)械性能，但是當(dāng)系統(tǒng)有一個(gè)要達(dá)到的指標(biāo)（如溫度灰度響應(yīng)），需要分析FPA的設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，有限元方法就不再方便。本文利用整體分析方法和電學(xué)類比分析方法，建立了熱流在FPA傳遞的電路模型，分析了FPA支撐框架的熱阻，推導(dǎo)出無基底FPA的理論溫度灰度響應(yīng)和響應(yīng)時(shí)間的計(jì)算公式。設(shè)計(jì)并指導(dǎo)制作了50μm×50μm像素尺寸的無基底FPA來驗(yàn)證理論模型，其熱加載區(qū)域的平均溫升的有限元和理論模型分析的結(jié)果誤差為1.5

3、％，兩者非常吻合。其溫度灰度響應(yīng)理論分析結(jié)果與紅外成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差為5.4％，此時(shí)系統(tǒng)的噪聲等效灰度NETD為170mK。同時(shí)，理論模型對(duì)200μm×200μm和120μm×120μm像素尺寸無基底FPA的分析也證明這個(gè)解析模型適用于所有像素單元尺寸的無基底FPA。
　　 (2)基于無基底FPA的材料選擇要求，在微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)制作工藝的約束下，設(shè)計(jì)并指導(dǎo)制作了像素尺寸為50μm×50μm AI和SiO2雙材料無基底

4、FPA。利用有限元方法定量分析了Al/SiO2雙材料無基底FPA的熱機(jī)械性能，并與相同結(jié)構(gòu)及尺寸的Au/SiNx雙材料無基底FPA的有限元分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)Al/SiO2雙材料FPA的熱轉(zhuǎn)化效率和熱機(jī)械靈敏度都相較Au/SiNx雙材料FPA有了大幅提升。在系統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)靈敏度一定時(shí)，新的材料能夠?qū)⑾到y(tǒng)的靈敏度提高至原來的5.8倍。
　　 (3)為了改善FPA反光板的彎曲，本文提出了三種優(yōu)化方案。A.減薄反光板上的金層厚度。在

5、理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并指導(dǎo)制作了單元尺寸為200μm的反光板金層減薄FPA，其反光板曲率半徑提高至原來金層未減薄FPA的4.71倍，系統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)靈敏度提高至原來的5.2倍，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果;B.制作帶加強(qiáng)筋的反光板。設(shè)計(jì)并指導(dǎo)制作了單元尺寸為60μm的反光板帶加強(qiáng)筋FPA，其反光板曲率半徑提高至原來沒有加強(qiáng)筋FPA的4.29倍，系統(tǒng)光學(xué)檢測(cè)靈敏度提高至原來的1.18倍，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的結(jié)果;C.利用冷熱平臺(tái)對(duì)像素尺寸為50

6、μm×50μm的Au/SiNx雙材料FPA進(jìn)行退火處理，共試驗(yàn)了兩種退火方式。第一種是直接退火法，對(duì)FPA進(jìn)行退火都沒有明顯的糾正反光板的彎曲的效果，但FPA的均勻性都有所提升。第二種是循環(huán)退火方法，改善了反光板的彎曲，反光板的偏轉(zhuǎn)更加均勻，F(xiàn)PA的溫度灰度響應(yīng)提高了約32％。
　　 (4)開發(fā)了嵌入式平臺(tái)——紅外熱譜分析軟件平臺(tái)，整合了垂直聚焦平臺(tái)的電機(jī)控制等多種硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅外成像設(shè)備的連接、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處