基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外成像系统

报道了一种利用MEMS技术制备 ,基于双材料悬臂梁结构的非制冷红外焦平面阵列 (FPA)并配有可见光读出部分的红外成像系统 ,可以在 8～ 14 μm光谱区得到成像。基于该结构的非制冷红外成像系统利用的是光力学效应原理。我们采用MEMS表面硅工艺制备FPA ,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理 。

双材料悬臂梁热力耦合的有限元分析

基于弹性介质的二维本构关系和一维热传导理论,采用ANSYS有限元分析软件,依据顺序耦合法,对双材料悬臂梁在热力耦合问题进行了有限元分析.获取了其位移和应力分布,验证了顺序耦合法求解热力耦合问题的有效性,并为双材料构件热力耦合问题的研究提供了分析实例.

基于双材料悬臂梁的光纤光栅应力与温度传感器

设计了一种新型的悬臂梁结构,采用单根光纤Bragg光栅(FBG)实现温度和应力同时测量的传感器方案。传感器使用了由两种有机聚合物材料加工成的等强度悬臂梁,解决了FBG应用于压力和温度测量时的交叉敏感问题。传感器在压力和温度同时作用下,FBG反射谱分裂成双峰结构,通过测量反射谱中的双峰峰值波长达到温度与应力同时测量的目的。实验验证了该方案的可行性,且测量结果具有良好的线性,获得了光栅应力和温度响应系数分别为0.001 81 nm/g和0.04 nm/℃。

双材料微悬臂梁结构设计及工艺参数优化

针对国内在双材料微悬臂梁焦平面阵列方面的研究仅限于无基底情况,提出并设计了以K9玻璃为基底,规模为120×120,器件单元大小为40μm×40μm,且基于牺牲层技术的双材料微悬臂梁阵列结构.分别采用旋涂法、等离子体增强型化学气相沉积和光刻技术制备牺牲层和红外吸收层,以及各层的图形化.并对器件制备过程中各阶段的工艺参数进行了优化,其中旋涂法转速为3 000r/min;等离子体增强型化学气相沉积技术沉积制备氮化硅薄膜方面,当基片温度350℃、射频功率100 W、反应压强70Pa、SiH4流量40mL/min、N2流量60mL/min时薄膜特性最佳.

双材料微梁阵列非制冷红外成像系统——微梁阵列的设计与制作

给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件———双材料微悬臂梁阵列的设计和制作.微梁阵列是无硅基底的S iNx/Au双材料单层膜结构,其制作工艺简单、可以直接放在空气中成像.实验使用了设计制作的140×98微梁阵列和高信噪比的12-b it CCD,得到120℃以上的物体热像,噪声等效温度差(NETD)为7K左右,实验结果与热机械模型预测结果一致.

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术——微梁阵列热变形的光学读出

针对双材料微梁阵列非制冷红外成像技术的光学读出系统，提出了在谱平面上进行刀口滤波将阵列转角转化为像平面上光强变化的高灵敏度测量技术，并对光学探测灵敏度进行了理论分析。利用该光学读出系统在实验中得到了120℃红外物体的热图像。通过对实验结果的分析和图像处理消除噪声技术，得到该系统在成像温度范围的噪声等效温度差（NETD）约为5K。并对系统噪声进行了讨论。

双材料微梁阵列非制冷红外成像技术——微梁阵列的设计与制作

本文给出了一种用于非制冷光学读出红外探测器的核心器件——微悬臂梁阵列的设计和制作，它是SiNx／Au双材料单层膜结构，简化制作工艺、可以直接在空气中成像。实验使用了设计制作的140×98微梁阵列和高信噪比的12-bitCCD，得到120℃以上的物体热像，噪声等效温度差（NETD）为5K左右，实验结果与热机械模型预测结果一致。

基于MEMS工艺微悬臂梁阵列光学读出红外成像研究现状

非制冷红外成像技术由于其成本低可考性好而倍受关注。一种基于MEMS双材料梁阵列的新概念光学读出红外成像系统也于今年来被提出来。介绍了这种系统成像原理,影响参数及其研究现状,最后展望了其发展前景。

基于微悬臂梁的微量液体浓度定量检测

采用双材料微悬臂梁结构,实现了一种对微量液体浓度的定量检测方法。该方法是基于双材料微悬臂梁的温度敏感性,当微定量液体分析物吸收光热光谱特征波长的光时,温度发生变化,悬臂梁相应会发生弯曲,通过光杠杆法测量弯曲量,从而实现微悬臂梁对微量液体浓度的定量检测。为了验证对微量液体浓度测量的适用性,实验中采用了已知在980 nm处光热吸收峰的NaYF4样品溶液,分别取多组已知浓度的样品溶液1和0.5μL体积进行测量,通过最小二乘法拟合出浓度与测得电压值之间的关系,结果显示,液体浓度与所测得的电压值成呈线性关系,与理论分析符合。且在1和0.5μL体积的样品溶液拟合曲线的线性相关系数分别为R1=0.998 0,R2=0.989 5,分辨力分别为1.25,1.40 mg/mL。最后通过测试1μL体积的多组浓度溶液,其浓度测量结果误差均在在2 mg/mL以内,表明该方法能有效检测浓度,可用于确定体积微量液体的浓度检测。

用于小面积热源测量的高灵敏悬臂梁温度传感器

本文利用材料热膨胀系数不同的性质设计了一种可以对小面积热源进行高灵敏检测的温度传感器。该传感器的温度敏感元件是一个上表面镀有金属的氮化硅悬臂梁。由于金属与氮化硅的热膨胀系数不同,因此当悬臂梁所在的环境温度发生变化时,悬臂梁会向温度梯度变化快的方向发生弯曲,并且弯曲量与温度成正相关关系。实验中通过光杠杆测量梁的弯曲量,用标定的方式建立温度与探测器输出电压之间的关系。结果显示,该传感器的灵敏度可以达到4.86mV/℃,以及0.04℃的温度分辨力。为验证传感器对小面积热源进行测量的适用性,我们利用NaYF4材料受激发热的性质,对不同面积热源产生的热量进行测量。结果显示,当发热面积约为0.07 mm2时依然可以进行准确测量,实现了对小面积热源温度进行精确测量的目的。

应用光力学效应的非制冷红外成像系统

应用光力学效应的非制冷红外焦平面阵列(FocalPlaneArray-FPA),配有可见光读出部分的红外成像系统,可以在8至14μm光谱区得到热物体成像。其核心部件是双材料悬臂梁结构的焦平面阵列。不同于利用其他效应的非制冷红外成像系统,此种成像系统可以方便的在室温下正常工作,而且省去了相当复杂的信号转换电路,降低了制备复杂程度和成本。采用MEMS表面硅工艺制备FPA,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理、光学读出系统、工艺制备难点,并得到了高温物体红外源的成像响应结果。

电容式非制冷红外焦平面阵列设计及优化

提出一种基于MEMS工艺弯折双材料悬臂梁结构的电容式非制冷红外焦平面成像阵列(FPA,Focal Plate Array)。并利用软件CoventorWare对器件的物理学特性进行有限元模拟分析。发现FPA的温度响应度和位移响应度与辐射能量呈线性关系;得到热时间常数、位移、温度灵敏度与铝膜与二氧化硅厚度比的关系,并得出当比率为0.5～0.6时位移响应最大,100μm×100μm和50μm×50μm两种尺寸器件的位移灵敏度峰值分别为0.061nm/pW.μm-2和0.008nm/pW.μm-2;随着器件尺寸的增大,其探测能力增强,瞬态响应降低;计算了吸收面与探测极板间的吸合附电压,得到100μm×100μm面板的吸附电压为3.625V～3.750V之间,50μm×50μm面板的吸附电压为10.250V～10.375V之间,以及器件尺寸与吸附电压间的关系.

光学读出红外成像中反光板变形对光学检测灵敏度的影响

在刀口滤波光学读出方法的基础上,讨论了反光板弯曲的情况下,刀口滤波方法的光学检测灵敏度与反光板长度之间的关系.分析表明,在反光板曲率半径一定的情况下,光学检测灵敏度首先随着反光板长度的增加而增大,达到最大值后随着反光板长度的增加而减小.对于不同曲率半径和长度的反光板,分析给出反光板长度L和曲率半径R在满足L2/R=λ(λ为照明光波长)时,光学检测灵敏度达到最大值.实验测量了已制作的像素尺寸分别为200μm,120μm和60μmFPA的光学检测灵敏度,其实验结果和理论分析一致.

光学读出红外成像及其FPA性能分析

针对已提出的光学读出非制冷红外成像系统,设计研制了一种单元尺寸分别是50 μm×50μm和60 μm×60 μm的新型双材料微悬臂梁红外焦平面阵列(FPA),进行了人体红外热成像实验,并对光学读出非制冷红外成像系统的温度-灰度响应曲线及噪声进行了测定.实验结果表明该微梁结构FPA构成的红外成像系统的噪声等效温度差(NETD)约100 mK.和课题组之前的研究结果(微梁单元尺寸120μm×120μm,NETD约300 mK)相比,红外图像的温度分辨率和空间分辨率都得到了明显改善.