红外成像仪的非制冷焦平面阵列的有限元分析及可靠性研究

摘要

红外热成像仪是一种可探测目标的红外辐射,并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。非制冷红外成像技术当成像单元基于8～14 μm波谱区段的红外辐射,入射的红外能量转化为像元镜面和微悬臂梁的温升,从而引起梁的变形,导致像元的转角发生变化。温升不同,每个像元的转角变化也不同,光学检测部分通过检测方形微镜面输出光谱的变化解读出悬臂梁的转角变化及分布,以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。形成了与景物辐射分布对应的热图像。该技术有以下几点明显优势：成本较低；采用光学读出方法对物体的热辐射信号直接进行读取；无外加制冷装置和光电转换电路使得整机系统体积小、重量轻、功耗低。 基于MEMS微悬臂梁结构的非制冷型红外焦平面成像系统主要由红外线集像部分、由微悬臂梁结构组成的焦平面阵列(Focal Plane Array-FPA)、光学检测部分三部分组成。由微悬臂梁结构组成的红外焦平面成像阵列是该系统的核心技术,由一系列成像像元组成面阵列,每一个像元是由一个方形微镜面和一条或两条固支组成。包括镜面和梁在内的整个像元由两种热膨胀系数差别很大的材料构成。本文从微悬臂梁的微制造技术入手,分析了FPA的传热学知识和热机械、噪声等性能,对FPA结构进行优化设计和对FPA物理特性进行有限元模拟,得出悬臂梁材料的选择和结构尺寸会直接影响到FPA的热学性能和热机械性能,对双金属梁两种材料的选择依据和厚度比做了分析。对微悬臂梁在制造与使用过程中常见的断裂和粘附等失效形式进行机理分析,建立了相关失效模型并提出了解决办法。 本论文的工作：微机械加工技术,红外焦平面阵列的温度场分析,模态分析,结构优化,误差估计,可靠性研究等。

目录

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第1章绪论

1.1红外热成像技术

1.2红外热象仪的发展概况

1.3非制冷红外焦平面热成像技术的进展

1.4 MEMS加工技术

1.4.1表面微机械技术的特点

1.4.2牺牲层技术

1.5有限元方法简介

1.5.1有限元法的发展历史

1.5.2有限元法的基本思想

1.5.3有限元法在工程结构分析中的应用

1.5.4有限元法的新发展

1.6通用有限元分析软件软件

1.7本论文的主要工作

第2章红外热像仪的传热学基本知识

2.1符号与单位

2.2传热学经典理论

2.3热传递的方式

2.3.1热传导

2.3.2热对流

2.3.3、热辐射

2.3.4稳态传热

2.3.5瞬态传热

2.3.6线性与非线性

2.3.7边界条件和初始条件

2.3.8热分析误差估计

2.4热分析材料基本属性

2.5在ANSYS中进行瞬态热分析的基本步骤

2.5.1、建模

2.5.2、加载求解

2.5.3、后处理

第3章非制冷焦平面阵列的设计和性能分析

3.1红外焦平面阵列(IRFPA)的现状，发展及应用

3.1.1 IRFPA的现状与发展

3.1.2 IRFPA技术的应用

3.2 FPA设计综述

3.3像素的设计原则

3.3.1红外光学

3.3.2微型悬臂梁中的热传递

3.3.3悬臂梁的热机械性能

3.3.4探测帧频率：像素的时间常数

3.3.5小结

3.4噪声分析

3.4.1噪声源概述

3.4.2系统噪声评估

3.5系统性能总结

3.6误差分析

3.6.1模型误差分析

3.6.2结构误差分析

3.6.3本章小结

第4章FPA结构的优化设计及物理特性有限元模拟

4.1优化前微型悬臂梁的有限元分析

4.1.1建立几何模型

4.1.2选择材料参数并划分网格

4.1.3施加载荷并求解

4.2对FPA的结构进行优化

4.3 FPA的热力学模型

4.3.1热学性能

4.3.2热机械性能

4.3.3结构优化设计

4.4 FPA物理特性的有限元模拟

4.4.1热分析温度场分布

4.4.2热应力耦合场分析

4.4结论

第5章MEMS器件的可靠性

5.1 MEMS靠性分析方法

5.1.1费用使用可靠性整体分析方法

5.1.2失效分析和质量保证分析方法

5.2失效分析单元和失效模式

5.3失效机理及常见措施

5.3.1破裂或断裂失效

5.3.2 MEMS微悬臂梁粘附失效

5.4 MEMS失效——可靠性微分析技术

5.5结论

第6章总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

致谢

参考文献