基于MEMS的光學(xué)讀出熱成像技術(shù)的研究.pdf

1、熱輻射探測器由于其應(yīng)用廣泛而備受關(guān)注，而非制冷型熱輻射探測器和制冷型探測器相比，有著體積小、成本低和可靠性高的優(yōu)勢。近些年來，隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)讀出熱成像技術(shù)因其不需要高靈敏度的復(fù)雜的讀出電路具有不產(chǎn)生附加熱量、有良好熱熱隔離、降低焦平面陣列(FPA)制作難度等優(yōu)點(diǎn)已成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。考慮到熱輻射探測器在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有著獨(dú)特的地位，開展光學(xué)讀出熱成像技術(shù)的研究將具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文基于譜平面刀口濾波的光學(xué)讀

2、出技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)改進(jìn)的非制冷熱成像的光學(xué)讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了具有很高的空間分辨率和光學(xué)探測靈敏度、抗振性能好等優(yōu)點(diǎn)外，還減少了光學(xué)元件使光路更加緊湊，且使用光強(qiáng)穩(wěn)定的LED作為光源明顯改善了系統(tǒng)的噪聲、提高成像系統(tǒng)的探測性能。以此為平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)制作的無Si基底、有變形放大結(jié)構(gòu)的SiNx/Au雙材料微懸臂梁FPA進(jìn)行了熱成像實(shí)驗(yàn)。 FPA設(shè)計(jì)方面，在分析基本的。FPA設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上提出了多回折梁間隔鍍金結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，鍍金

3、的雙材料梁間隔地與SiNx梁首尾相連，從而產(chǎn)生放大變形的效果以提高微梁單元的熱機(jī)械響應(yīng)。并以120μm×120μm的微梁單元為例，在考慮微梁單元的熱轉(zhuǎn)化效率的條件下對(duì)回折梁的折數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使微梁單元的探測性能最佳。討論了尺寸參數(shù)對(duì)微梁單元探測性能的影響。 FPA制作方面，針對(duì)FPA制備工藝中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)比較了干法和濕法腐蝕體硅的優(yōu)劣，并選擇濕法腐蝕作為腐蝕體硅的工藝；濕法腐蝕體硅釋放FPA時(shí)采用正面保護(hù)，可以

4、其盲元率控制在10％以內(nèi)。制定出用于制作無Si基底自支撐、有產(chǎn)生變形放大效果的間隔鍍金結(jié)構(gòu)的FPA的標(biāo)準(zhǔn)工藝流程，該流程有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。 利用構(gòu)建的光學(xué)讀出系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)制作的單元尺寸分別為200μm×200μm、120μm×120μm、60μm×60μm的FPA進(jìn)行了熱成像實(shí)驗(yàn)，成功獲得了2m到2km不同距離的室溫物體的熱像，并實(shí)驗(yàn)測量了相應(yīng)的噪聲等效溫度差(NETD)，分別為670mK、270mK和116mK，結(jié)果表