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20μm微测辐射热计的结构优化及性能研究

张龙  
【摘要】:微测辐射热计作为一种非制冷红外探测器,因为其功耗低,便于携带,性能优良,价格低廉等优点而广泛应用到军事和民用等市场。目前非制冷红外器件越来越朝着大规模高密度红外焦平面探测器的凝视方向发展,像元大小从较早的65μm×65μm到现在的15μm×15μm左右,像元结构也由传统的的单层L型结构到目前的双层伞形,双层S型,甚至三层结构发展。由于受制于国外技术和设备的封锁,20μm及以下器件在国内报道极少,且考虑到本实验室的工艺条件,本文研究像元尺寸定为20μm×20μm,像元结构则选择目前市场上应用广泛的单层L型,双层伞形,双层S型微测辐射热计。本文采用专业的微机电系统(MEMS)软件Intellisuite分别建立了像元大小为20μm×20μm单层L型,双层伞形,双层S型三种微测辐射热计的三维有限元分析模型。在此基础上,利用数学仿真软件Matlab建立了上述三种结构的红外吸收模型。以高性能指标(在60 Hz帧频下,NETD小于50 mk时对应的热导在10-8W/K量级,热时间常数小于8 ms)为参考,对三种结构分别进行了光学性能仿真以及器件理论热导计算,通过优化各层膜厚,上下谐振腔高度等参数,获得了较好的光学性能以及较小的器件热导。随后本文对三种结构的三维模型进行了力学性能优化设计,通过调整各材料的内应力、膜厚、谐振腔高度等参数,将器件的形变量控制在一个较小的范围内,研究发现影响其力学平衡的主要因素是支撑层和钝化层,它们对结构的力学性能起主要支撑作用。以这三种结构的光学性能,力学性能,以及热导研究为依据,确定了上述三种微测辐射热计的结构参数。随后再对三种结构进行了动态热学有限元仿真,研究了其器件热导和热时间常数;而微测辐射热计工作时,是需要加载偏置的,本文首次模拟了三种结构的实际工作状态,对其进行了热电耦合性能仿真,研究了其有效热导和热时间常数;在此研究基础上,分析了器件热导、有效热导,偏置电流的关系,根据高性能指标的要求,推出了其电流范围。通过加载不同的电流和相同的热辐射对器件进行热电耦合有限元仿真,考虑到热时间常数,有效热导和电压阈值,可获得三种结构各自的最优化电流


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