光学读出热型红外成像的新进展

【作者】 程腾； 张青川； 高杰； 史海涛； 钱剑； 陈焕斌； 陈大鹏； 焦彬彬；

【机构】 中国科学技术大学； 中国科学院微电子研究所；

【摘要】 红外成像技术可广泛应用于军事、航天、医学等诸多领域,我国在其核心部件——焦平面阵列(FPA)的研制上,虽然投入了巨额研究经费,但仍不能满足国民经济发展,特别是国防建设的重大需求。本课题组于2003年提出了一种光学读出热型红外成像系统,至今已制作了一系列不同尺寸的FPA,并成功获得了室温物体的红外热像。为进一步提高所构建系统的温度分辨率,本文基于已有的实验数据,通过有限元方法,详细分析了由本课题组提出的无基底FPA的热——机械性能,发现了无基底FPA与传统的有基底FPA在热学模型上的本质区别,即无基底FPA的支撑框架不再是恒温结构,受热辐射后存在明显的温升现象。分析结果显示这种变温结构的支撑框架可成倍提高感热单元的温升,从而大幅提高其热转换效率和热机械效率。论文还发现了无基底FPA的不足之处,并提出了相应的改进方案,具体为:变温结构的支撑框架可能使无基底FPA存在热串扰问题,但可通过减小支撑框架热导的方案进行有效控制。最后,本文根据有限元分析结果,并结合现有的MEMS工艺水平,设计了一个感热单元尺寸为48×36μm~2、320×240像素的无基底FPA,其噪声等效温度差(NETD)有望达到10 mK,逼近制冷型红外成像技术的典型值。更多还原