基于MEMS和可見光讀出的微梁陳列傳感器和探測系統(tǒng).pdf

1、熱輻射探測器因其應用廣泛而受到各界的廣泛關注.其中,非制冷型熱輻射探測器以其體積小、價格低和可靠性高而倍受矚目.目前,主流的非制冷型熱輻射探測器是探測熱敏材料吸收熱輻射后的電阻變化.探測單元和讀出電路的復雜設計和制作過程使得器件的價格過于昂貴而無法得到廣泛應用.最近,利用光學讀出的二維熱成像陣列已經(jīng)出現(xiàn).光學讀出系統(tǒng)可以同時把被吸收的熱能轉(zhuǎn)化為可見光圖像.相對于電路讀出的熱成像系統(tǒng),光學讀出的系統(tǒng)不需要電子引線和掃描電路,制造的成本大幅

2、度下降;噪聲水平不和溫度成指數(shù)關系,不需要制冷;單元的溫升可以達到其輻射極限.但是,現(xiàn)有的探測系統(tǒng)存在以下問題而無法得到應用:1)襯底的反射造成入射能量的利用率大幅降低.2)器件必須工作在高真空下.3)釋放結構工藝難度大,微梁容易發(fā)生粘連而永久失效.針對以上問題,該文提出了一種新型利用光學讀出的熱探測系統(tǒng).此探測系統(tǒng)的核心器件由微懸臂梁陣列構成,陣列中每個微懸臂梁都可以獨立的把吸收的熱輻射轉(zhuǎn)化為可以被光學系統(tǒng)探測的熱變形.該文分別對微懸

3、臂梁陣列探測器進行了力學和熱學的設計、工藝流程設計,并且設計了專門的高精度溫度控制系統(tǒng)和集成化的光學探測系統(tǒng),提出了快速線性標定方法,并為后期改進提出了方案.首先,在探測器設計方面,該文進行了單元的熱學設計和力學設計,對變形結構的變形性能進行了實驗測定和數(shù)值模擬,對隔熱結構進行了有限差分的數(shù)值模擬,給出了單元的熱響應速度的估算提出了非嵌套式的間隔鍍金多級熱變形放大方案,并且設計了一系列嵌套型放大方案,進行了相應的Ansys有限元計算;并

4、且,針對工藝提出了金屬陽傘作為隔熱結構,給出了理論計算結果,對設計進行了優(yōu)化;根據(jù)不同探測器的結構特征,進行了專門的工藝流程設計.另外,在探測系統(tǒng)方面,該文設計了高精度的溫度控制系統(tǒng),實現(xiàn)了0.01K的溫度控制;提出了集成化的光路設計方案,并且對結果進行了處理和討論,提出了探測結果的快速標定的方法,進行了熱圖像的標定和誤差來源的分析,進而提出了基礎溫度漂移的按列整體補償方案,提出了利用微軸杠桿的變形增大方案.正文中對以上工作做了詳細的描