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微机械反射式光读出非制冷红外成像阵列器件研究

杨广立  
【摘要】: 近年来,随着MEMS技术的发展,基于MEMS技术的光读出非致冷红外成像器件由于不需要昂贵的致冷设备和复杂的读出电路,成为研究的热点。 本文研究了针对8-14μm红外波段的反射式光读出非致冷红外成像阵列器件。像元基本结构为:一个起吸收红外辐射和反射读出可见光作用的微镜、两条对热感应的双材料梁、两条防止热量过快散失的绝热梁和两个起支撑固定作用的锚点。 论文首先介绍了像元的理论设计基础。并针对双层材料结构的微镜自身由于双金属效应发生的弯曲,提出了两种具体的像元结构,分别为微镜在双材料梁延长方向上的a像元和在回折方向上的b像元。论文重点研究了了梁长、绝热梁与双材料梁的长度比值和工作气压对像元各性能参数的影响。综合考虑各种影响,对像元结构进行了优化设计。设计出的像元的热-机械灵敏度可达到10~(-3)rad/K量级,NETD_(device)也达到了mK量级。并利用ANSYS有限元分析确定了温度补偿梁结构可以降低环境温度变化对像元机械响应的影响。 论文还提出一种新颖的带有“双材料梁-微镜一体化”特征结构的像元,这种像元中的BMB-MM结构可实现三种功能:吸收红外辐射、对红外辐射产生机械响应和反射读出可见光。通过研究BMB-MM面积与长宽比和工作气压对各性能参数的影响,对像元进行了设计和优化。与a、b两种像元的比较,这种BMB-MM像元可以得到与之相当的性能,并且具有填充因子高的优势。 针对所设计的像元结构,以XeF_2释放结构作为切入点,设计了制作工艺流程。在对相关关键工艺的研究中,主要研究了对像元锚点的保护,SiN_x和Al的应力平衡,XeF_2腐蚀与DRIE刻蚀硅衬底的工艺兼容性等。并测试分析了各关键工艺对像元镜面区域粗糙度的影响。 搭建了红外成像器件的性能测试平台,进行了相关测试。并在数值分析中针对测试平台与理论设计的差异作了修正。测量的结果验证了热-机械灵敏度的理论结果和温度补偿结构的作用;各器件对不同温度辐射源的温度响应与理论计算结果在允许的误差范围内相吻合。


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