光学读出非制冷红外热像仪FPA真空封装研究

摘要

非制冷红外成像技术由于其低成本和高性能，近年来得到了越来越多的关注。本课题组设计制作了一种集成化的光学读出非制冷红外成像系统，利用双材料梁的热-机械响应原理，通过非相干光空间滤波技术检测悬臂梁的热致变形，从而得到物体热像。高真空环境(＜1Pa)下，由于消除了微悬臂梁阵列(FPA，Focal Plane Array)单元的空气热导，系统成像质量得到显著改善。为了摆脱实验室条件下高真空环境对真空泵的依赖，实现系统高性能、长寿命、低成本、小型化的特点，满足商业化要求，FPA的高真空度、高气密性独立封装急需解决。
　　 硅和锗是常用的透红外窗口材料。论文中对硅的红外透过率进行了实验测定，用人手作为恒温热源，其辐射的红外波长约为10μm，实验结果表明，在该波段硅的透过率约为40％～50％。
　　 由于镀膜等技术的限制，在目前的光学读出非制冷红外成像系统FPA真空封装结构中，透红外光的窗口材料仍选择双面镀增透膜的锗，透可见光的窗口材料为硼硅玻璃，其热膨胀系数与锗匹配。锗窗上温度不超过250℃以保护其上的增透膜，FPA上微梁单元是对温度非常敏感的微结构，安全温度上限为100℃。基于此低温要求，实验中用Apiezon Wax W真空封腊作为黏合剂进行了真空封装实验，得到了漏率为2.0×10-8Pa．m3．s-1的密封效果。为了同时满足长的真空寿命要求，本文中采用了两种方案封装FPA并进行了成像实验：方案一，选用软化点温度低于100℃的环氧树脂作为黏合剂，将两个窗口同外壳粘接密封，封装后腔内初始真空度为2.5×10-5Pa，氦质谱检漏法测得漏率为3×10-10Pa·m3·s-1；方案二，选用Pb/Sn低熔点焊料将两个窗口分别同两个可伐外壳在低于200℃下焊接，再将两个可伐外壳采用真空电子束焊接方法焊接在一起，封装后腔内初始真空度为3×10-4Pa，氦质谱检漏法测得漏率为3×10-11Pa．m3．s-1。
　　 两种方案封装工艺及测试结果表明，两种封装方法的气密性不够好，而方案二的工艺过程及封装结构也比较复杂。为了进一步优化封装工艺及结构，基于低温瞬时液相键合的新工艺(焊接温度为200℃)，提出了一种用于锗-硼硅玻璃低温扩散焊接的局部加热方法，研究了该加热过程中封装体上的温度分布。该方法从导热系数较大的锗窗口外表面加热(200℃)，硼硅玻璃窗口外表面维持恒定低温(60℃)。模拟计算结果表明，该加热过程中，待焊接区域温升较高(200℃)，满足低温焊接要求，而芯片区域温度较低(低于100℃)，同时锗窗上温度低于250℃。文中用实验对模拟计算结果进行了验证，实验测量结果同模拟计算结果一致。该方法有效保护了FPA和锗片上的增透膜，并满足待焊接区域低温焊接温度要求，可用于FPA真空封装工艺，加快系统的商业化脚步。

目录

文摘

英文文摘

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第一章 绪论

1.1引言

1.2红外探测技术

1.2.1红外辐射

1.2.2红外探测器发展

1.2.3红外探测器分类

1.3基于MEMS的新型光学读出热成像技术

1.3.1 MEMS技术简介

1.3.2基于MEMS技术的新型光学读出非制冷红外热像技术

1.3.3双材料微悬臂梁热变形原理

1.3.4热机械响应

1.3.5探测器性能分析

1.4 MEMS真空封装技术

1.4.1 MEMS封装的主要功能

1.4.2真空封装中的键合工艺

1.4.3真空检漏技术

第二章 封装材料

2.1红外窗口选择

2.2透可见光窗口材料及外壳

2.3窗口材料强度计算

第三章 FPA真空封装

3.1封装要求

3.2腔内真空与漏率的关系

3.3真空封装设备

3.4 Apiezon WAX W黏合剂粘接密封

3.5 FPA真空封装工艺

3.5.1环氧树脂粘接密封

3.5.2基于低熔点金属合金焊料焊接和电子束焊接的三步封装方案

3.6搭建的几代成像系统比较

3.6.1动态真空系统

3.6.2几代成像系统比较

第四章 锗-硼硅玻璃局部加热低温键合温度场的研究

4.1有限元模拟计算

4.2实验结果

第五章 总结与未来展望

5.1工作总结

5.2未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及取得的其他研究成果