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15×15μm~2多层微测辐射热计的结构设计

马家锋  
【摘要】:微测辐射热计型非制冷红外探测器以其低功耗、高性能、低成本等优点,在军事上和民用上具有良好的前景。近年来,随着红外器件越来越朝着大规模、高密度方向发展,非制冷红外探测器所采用的主要规格已经由原来的320×240元,发展到现在的640×480元,1024×768元等规格,像元大小从65μm×65μm到现在的小尺寸15μm×15μm,像元结构也由传统的单层结构到目前的双层伞形、双层S型。但是截止到今天,像元大小为15μm×15μm小尺寸微测辐射热计模型结构的相关文献国内外均很少见到,而三层模型结构在国内外更是没有发现相关报道,所以人们对小尺寸的器件性能结构了解甚少。为了研究小尺寸微测辐射热计器件的相关性能,本文采用专业的微机电系统软件Intellisuite,构建了15μm×15μm像元大小的微测辐射热计双层S型隐形桥腿三维有限元分析模型,以及三层S型隐形桥腿三维有限元分析模型。两种结构均以噪声等效温差和热时间常数为主要性能指标参数,并在此基础上对主要指标进行计算,对两种结构分别进行了相关的力学性能仿真、热学性能仿真和电学性能仿真。力学性能是微测辐射热计稳定的基础,本文通过对两种结构的三维模型进行了力学性能优化设计,通过调整各材料层的内应力,进行了力学结构仿真,仿真结果证实了其支撑层和电极层是主要的受力层,所得到的优化设计方案对于制备微测辐射热计有着良好的指导作用。除此之外,本文通过对两种隐形桥腿结构进行热学性能仿真和电学性能仿真,分别得到了模型的热学温升和初始温度电阻值,并对两种结构进行了动态热电耦合有限元仿真,模拟了器件的真实工作状态,得到了器件的噪声等效温差NETD和工作状态下的热时间常数,两种器件模型所得到的相关数据均能满足所需要的性能指标参数。对比发现,三层S型模型结构的热学、力学和电学性能指标均优于双层S型模型结构,这对于小尺寸和多层复合结构的微测辐射热计的设计仿真,有着重要的指导作用,并且在加速我国非制冷红外焦平面探测器小尺寸、高性能的结构设计水平等具有重要意义。


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