基于MEMS的光学读出热成像技术的研究

摘要

热辐射探测器由于其应用广泛而备受关注，而非制冷型热辐射探测器和制冷型探测器相比，有着体积小、成本低和可靠性高的优势。近些年来，随着MEMS技术的发展，光学读出热成像技术因其不需要高灵敏度的复杂的读出电路具有不产生附加热量、有良好热热隔离、降低焦平面阵列(FPA)制作难度等优点已成为一个研究热点。考虑到热辐射探测器在国民经济的各个领域有着独特的地位，开展光学读出热成像技术的研究将具有重要的现实意义。 本文基于谱平面刀口滤波的光学读出技术，构建了一个改进的非制冷热成像的光学读出系统，该系统除了具有很高的空间分辨率和光学探测灵敏度、抗振性能好等优点外，还减少了光学元件使光路更加紧凑，且使用光强稳定的LED作为光源明显改善了系统的噪声、提高成像系统的探测性能。以此为平台，对设计制作的无Si基底、有变形放大结构的SiNx/Au双材料微悬臂梁FPA进行了热成像实验。 FPA设计方面，在分析基本的。FPA设计模型的基础上提出了多回折梁间隔镀金结构。在这种结构中，镀金的双材料梁间隔地与SiNx梁首尾相连，从而产生放大变形的效果以提高微梁单元的热机械响应。并以120μm×120μm的微梁单元为例，在考虑微梁单元的热转化效率的条件下对回折梁的折数进行了优化，使微梁单元的探测性能最佳。讨论了尺寸参数对微梁单元探测性能的影响。 FPA制作方面，针对FPA制备工艺中的关键问题进行了实验研究。实验比较了干法和湿法腐蚀体硅的优劣，并选择湿法腐蚀作为腐蚀体硅的工艺；湿法腐蚀体硅释放FPA时采用正面保护，可以其盲元率控制在10％以内。制定出用于制作无Si基底自支撑、有产生变形放大效果的间隔镀金结构的FPA的标准工艺流程，该流程有很好的稳定性和可重复性。 利用构建的光学读出系统，对设计制作的单元尺寸分别为200μm×200μm、120μm×120μm、60μm×60μm的FPA进行了热成像实验，成功获得了2m到2km不同距离的室温物体的热像，并实验测量了相应的噪声等效温度差(NETD)，分别为670mK、270mK和116mK，结果表明目前成像系统的NETD已经可以达到100mK的量级，基本达到实用化的需要。同时把实验测量的FPA的灰度响应与物理模型进行了比较，对于200μm×200μm单元的FPA，模型与实验测量有很好的一致性。此外，还分析了背景涨落噪声、温度涨落噪声、热机械噪声和光学读出噪声对系统噪声的影响。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2红外探测技术概述

1.2.1红外辐射(热辐射)

1.2.2红外探测技术的发展

1.2.3红外探测器的分类

1.2.4目前红外探测器存在的问题

1.2.5光学读出热成像技术的研究进展

1.3本文的主要研究工作

参考文献

第二章光学读出系统

2.1引言

2.2谱平面刀口滤波的原理

2.2.1谱平面刀口滤波技术的物理模型

2.2.2谱平面刀口滤波的光学探测灵敏度

2.2.3图像的放大倍数

2.3光学读出系统的改进

2.4本章小结

参考文献

第三章探测阵列设计的物理模型

3.1引言

3.2材料选择

3.2.1红外的吸收

3.2.2材料的选择

3.3 FPA设计的基本物理模型

3.3.1微梁单元的热学设计模型

3.3.2微梁单元的热机械设计模型

3.3.3热像灰度和物体温升之间的关系

3.3.4微梁单元的热响应时间

3.4 FPA结构设计

3.4.1多回折梁变形放大的概念

3.4.2回折梁的折数的优化

3.4.3 SiNx厚度对探测性能的影响

3.5本章小结

参考文献

第四章FPA微制作工艺的实验研究

4.1引言

4.2 FPA制作的微加工工艺简介

4.2.1薄膜的制备

4.2.2光刻(lithography)

4.2.3刻蚀(etching)

4.2.4剥离技术(lift-off)

4.3 FPA制作中关键工艺的实验研究

4.3.1 LPCVD SiNx薄膜的应力控制

4.3.2腐蚀体硅的工艺研究

4.3.3 FPA结构释放中的盲元率的控制

4.4 FPA制作工艺流程

4.5本章小结

参考文献

第五章热成像实验及性能分析

5.1红外探测器的性能参数

5.1.1基本概念

5.1.2 NETD和D之间的关系

5.1.3系统的噪声

5.2实验过程

5.2.1实验系统装置

5.2.2实验过程

5.3不同FPA的实验结果和性能分析

5.3.1 FPA微梁单元尺寸为200μm×200μm时

5.3.2 FPA微梁单元尺寸为120μm×120μm时

5.3.3 FPA微梁单元尺寸为60μm×60μm时

5.4本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1全文总结

6.2未来研究展望

附录：作者攻读博士学位期间发表或已完成的工作

致谢