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新型双层微测辐射热计结构优化设计

杨卓  
【摘要】:微测辐射热计型非制冷红外探测器以其易携带、性能卓越、成本低廉等优点,具有广泛的军事和民用前景。然而,微测辐射热计长期以来采用的传统单牺牲层微桥结构,光吸收层与热敏感层同升同降,影响器件的性能改良。双牺牲层微测辐射热计是近年来提出的改进型结构,该结构性能十分突出。但是,目前为止,双层微测辐射热计的相关文献国内外均极少报道,人们对此类结构的性能特征及优缺点等了解不足。 本文通过数学模型仿真软件Matlab以及有限元分析软件IntelliSuite对传统单层I型桥腿结构、L型桥腿结构、隐藏桥腿的新型双层S型桥腿结构和新型双层伞形结构的光学性能、热学性能以及力学性能分别进行了系统的仿真。结果表明:双层微测辐射热计的综合性能优于单层微测辐射热计。其中,双层S型结构的温升最优,但其力学稳定性较差,难以满足实践需要;双层U型结构的温升虽低于双层S型,但明显优于单层微桥;重要的是,双层U型在光吸收性能、力学稳定性、器件制造等方面,均优于双层S型。所以,双层U型的综合性能更优。 此外,针对双层U型结构热学性能的不足,本文从微测辐射热计薄膜材料以及桥腿结构两方面进行了改进。仿真结果表明,采用SiO2支撑材料,器件温升将提高27%,但形变也将提高300%,综合性能变差;但是,若将I型桥腿改变为L型桥腿,其温升增加57%、而其形变仅增加46%。 本文还研究了双层U型微测辐射热计各功能材料层厚度对器件光学性能、热学性能、力学性能的影响。而且,通过综合优化比较,研究获取一组优化的膜层厚度,能够使双层U型微桥温升达到115.3mK、热学性能提升76.97%,形变降为0.02008μm、力学性能提升了32.1%。 重要的是,针对双层U型微桥结构敏感层热均匀性差的不足,本文还设计了含有导热层及多个支撑孔的几种新型双层微桥。其中,新提出的4H15型双层微桥的位移最大值比DRS公司设计的双层U型结构减少8.4%、具有更优的力学稳定性,而且,敏感层温差也从9.6mK明显地降低到1.3mK、热均匀性大幅改善。


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