微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像技术研究

来源 :中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所) | 被引量 : 5次 | 上传用户:dfhdgfhdgf
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随着MEMS技术的发展和逐渐成熟,非致冷热成像技术在近几年取得了突破性的进展。其中,光学读出非致冷热成像技术是近几年红外研究领域的热点之一。 本论文首先提出了一种新颖的微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像系统。该系统基于法布里-泊罗腔多光束干涉原理读出红外信号,具有可见光干涉读出亮度高、反衬度大和更高的探测灵敏度等优点;主要包括三个部分:红外光学系统;法布里-泊罗微腔红外探测器阵列(F-P MCIRDA);可见光读出系统。本论文主要是围绕系统的关键部件—F-P MCIRDA的优化设计、F-P MCIRDA与系统性能分析、F-P MCIRDA工艺制作与性能测试展开的。 F-P MCIRDA集红外敏感和光学读出于一身,其优化设计主要涉及器件的光学和热-机械性能。通过理论分析,完成了F-P MCIRDA的优化设计,确定了可动微镜的结构参数。从热应力理论出发分析了由双材料梁支撑的可动微镜的热-机械灵敏度与其结构参数之间的关系,得到了最优厚度比及相应的最大热-机械灵敏度,解决了可动微镜结构参数优化的关键问题。 论文从理论上分析了F-P MCIRDA的机械-光灵敏度、红外温度响应与时间常数等诸方面的性能,给出了结构参数与这些性能之间的关系。论文从两个方面分析了系统的红外响应能力:系统可探测温度差和系统噪声分析。前者超过2500K,已能满足多数情况下的红外探测;后者分析表明在目前的技术水平下,可见光读出部分是主要的噪声来源;系统的极限噪声等效温差达μK量级。 采用硅-玻璃键合等体硅MEMS工艺制作F-P MCIRDA,既保证了法布里-泊罗微腔两个反射面相互平行,又容易实现大阵列集成。论文对薄膜刻蚀、硅-玻璃键合等关键工艺进行了专门研究,优化了器件制作工艺;设计了合理的工艺流程,成功地制微机械法布里一泊罗千涉型光学读出非致冷热成像技术研究作出了具有初步红外响应能力的50巧。的AUsioZF一P McIRDA阵列。 论文对影响F一P MCIRDA性能的关键因素进行了研究:对实验室工艺条件下制作的5102、SINx薄膜的红外吸收特性进行了测试;利用ANSYS评估了AI、Au、5102、SINx薄膜的残余应力对可动微镜形貌的影响;对法布里一泊罗腔反射面的粗糙度进行了测量,分析了硅一玻璃键合破坏金属表面的原因。 搭建了热一机械灵敏度测试平台,AFSio:可动微镜的热一机械灵敏度的测试结果表明:可动微镜在热辐射作用下发生了明显的位移;热一机械灵敏度测试结果、理论结果和ANsys模拟结果分别为2.oZx 10一8叮K、3.3ox 10一sn岁K、2.sox 10一8耐K,三者在误差范围内相吻合,证实了理论设计的有效性。
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