非制冷红外成像系统.docx

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非制冷红外成像系统

太原科技大学

课程设计

设计题目：

光力学效应应用——非制冷红外成像系统

姓名____

学院（系）应用科学学院

专业_光信息科学与技术

学号

指导教师______

2010年12月15日

目录

摘要………………………………………………………..…..3

Abstract……………………………………………………….4

第1章引言…………………………………………………..5

第2章工作原理……………………………………………..6

第3章FPA的制作………………………………………….8

第4章结果分析与讨论…………………………………….10

结论…………………………………………………………...13

参考文献……………………………………………………...14

摘　要

应用光力学效应的非制冷红外焦平面阵列（FocalPlaneArray-FPA）,配有可见光读出部分的红外成像系统,可以在8至14μm光谱区得到热物体成像。

其核心部件是双材料悬臂梁结构的焦平面阵列。

不同于利用其他效应的非制冷红外成像系统,此种成像系统可以方便的在室温下正常工作,而且省去了相当复杂的信号转换电路,降低了制备复杂程度和成本。

采用MEMS表面硅工艺制备FPA,深入研究了双材料悬臂梁结构成像系统的基本原理、光学读出系统、工艺制备难点,并得到了高温物体红外源的成像响应结果。

关键词:

光力学;MEMS;焦平面阵列;双材料悬臂梁

Abstract

Anoptomechanicaluncooledinfrared（IR）imagingsystemconsistingofafocal-planearray（FPA）basedonbi-materialcantilevers,withavisibleopticalreadoutsystem,mayreceiveanIRimaginginthespectralrangefrom8to14μm.Theuncooledmicro-optomechanicalIRimagingsystemcanbeavailablyoperatedatroomtemperature,withoutcomplicatedsignalreadoutcircuitsandfabricationcosts.Inthepapertheprincipleoftheuncooledinfraredimagingsystembasedonbi-materialcantileverpixels,theopticalreadoutsystemareilluminated,thenthefabricationprocessofFPAandsomeexperimentresultsareintroduced.

Keywords:

optomechanical;mems;focalplanearray（FPA）;bi-materialcantilever

第一章引　言

任何高于绝对零度的物体都会辐射红外,通过对在8～14μm波谱区段的红外辐射谱的探测,并通过电学和光学等方法处理这些信号,就可形成与景物辐射分布对应的热图像。

红外成像系统按照探测原理的不同,可以把传统的红外辐射探测器大致分为两类:

量子型和非制冷热型[1-2]。

目前所有量子型的红外辐射探测装置都配有制冷装置,使得其笨重,且价格昂贵。

而非制冷热型红外成像仪检测探测器受热后电阻的变化、电容的变化等,像元下面都有读出电路相对应,但制作难度较大。

鉴于以上原因,我们提出了应用光力学原理的、基于MEMS微悬臂梁结构的非制冷型红外焦平面成像系统[3]。

从原理上讲,与以往光量子型和其它热型的成像原理有根本的区别。

它测量出一定程度的微小形变,并将这一系列的微小形变直接转换成光图像输出。

工艺较简单,成本较低,系统调试易于实现。

第二章工作原理

我们设计的应用光力学原理的、基于MEMS微悬臂梁结构的非制冷型红外焦平面成像系统主要由三部分组成:

1）红外线集像部分;2）由微悬臂梁结构组成的焦平面阵列（focalplanearray2FPA）,它通常置于一个真空腔内,两侧分别为透红外线窗口和透检测光窗口;3）光学检测部分。

由微悬臂梁结构组成的红外焦平面成像阵列是该系统的核心技术,FPA由一系列成像像元组成面阵列,每一个像元是由一个方形微镜面和一条或两条固支微悬臂梁组成。

包括镜面和梁在内的整个像元由两种热膨胀系数差别很大的材料构成。

当成像单元受到红外辐射照射时,入射的红外能量转化为像元镜面和微悬臂梁的温升,从而引起梁的变形,导致像元的转角发生变化。

温升不同,每个像元的转角变化也不同,光学检测部分通过检测方形微镜面输出光谱的变化解读出悬臂梁的转角变化及分布,以光强图像的方式将被测物体的温度场显示出来。

这个光学图像可以是通过光学系统聚焦在屏幕上的图像;也可以是利用其它光电转换器接收到的图像,如CCD相机或光电二极管接收到的图像。

图1是应用光力学效应基于双材料微悬臂梁结构的非制冷红外成像系统装置示意图[4]。

该系统有以下几点明显优势:

成本较低;采用光学读出方法对物体的热辐射信号直接进行读取;无外加制冷装置和光电转换电路使得整机系统体积小、重量轻、功耗低。

图1　应用光力学效应双材料微悬臂梁结构的非制冷红外成像系统装置示意图

第三章FPA的制作

焦平面阵列是系统核心部件。

对FPA的设计和制备关系到系统的成像与否和成像系统的性能好坏。

我们设计的FPA的悬臂梁和微镜面均由SiNX和Au两种材料组成的。

其中微镜面是55×35μm的矩形,悬臂梁的宽度是2μm,弯曲的悬臂梁总长110μm,牺牲层PSG厚度1.5μm。

图2是FPA的显微镜照片。

图3是样品倾斜一定角度后拍摄的SEM照片,由两个固定在硅衬底上的锚爪（anchor）,向前伸出悬空的悬臂梁和微镜面,组成了单层结构的焦平面阵列的一个像元。

整个焦平面阵列由像元密排组成,阵列的像元数为300×240。

简要工艺步骤如图4所示:

1）在牺牲层材料PSG上刻蚀出用于固定悬臂梁的锚爪孔,牺牲层材料的刻蚀至关重要,要刻蚀至硅衬底,以防去除牺牲层时发生结构层固定不好的现象;2）LPCVD生长悬臂梁结构层材料SiNX;3）光刻悬臂梁和成像面图形,并刻蚀出结构图形;4）溅射金层;5）腐蚀牺牲层PSG及释放结构层。

图2　FPA微悬臂梁结构显微镜照片

图3　结构经释放后的悬空结构电镜照片

图4　FPA制作工艺示意图

第四章结果分析与讨论

4.1　光学读出系统的设计

我们目前采用的是非相干光测量方法,系统工作原理如图1所示。

将平行光束照在FPA上,反射出来的光被透镜做光学傅里叶变换,在谱平面上对微镜反射面的零级谱进行滤波检测,像元的转角信息通过光学傅里叶变换和滤波转变为光强变化,再由CCD接收,使FPA上的热变形图像转变为CCD灰度变化的数字光学图像。

4.1.1　转角光测方法的灵敏度分析

经推导得知转角光测方法的测量灵敏度θmin只与探测波长λ、微梁尺度d和CCD探测器满量程灰度N有关,与透镜焦距f无关。

故构成红外成像系统时,可选较小的f透镜,缩减系统的体积。

这为今后的系统集成提供了指导。

4.1.2　光学检测方法的试验验证

光学检测方法的实验验证是将FPA置于精密旋转台上,放入如图1所示的读出光路中,通过测量FPA转角与像面CCD上的光强来确定检测灵敏度。

采用12bit,4096灰度级,信噪比为70dB高精度的CCD。

图5（a）为像面上观察到的FPA全貌,选择其中7个代表小区,每个小区内含9个微梁像素,对每一个小区域的放大如图5（b）所示。

。

图5　FPA在读出光路中的滤波后被CCD接收的图像

a为全场图;b为a中选取的七个小框中的分别含九个像元的局域图

图6　图5第四小区中9像素的光强随转角大小变化曲线

（a）为全图,（b）,（c）分别为光强随转角大小变化较快的两个区域局部图。

实验给出了7个小区的微梁像素的光强与转角体的形状。

直接原因是FPA的分辨率不是很高,FPA未置于真空腔内,有较严重的背景噪声。

结　论

实验针对微悬臂梁和光傅里叶透镜的焦距等参数进行了数值和实验模拟;在红外成像系统的核心部件—FPA的制作上进行了深入的研究:

（1）检测灵敏度正比于光强接受器的满量程灰度N（量化级数）;与傅里叶变换透镜的焦距f无关,即无光杠杆放大效应;

（2）微梁的反光面应保持尽量小的弯曲变形;

（3）从FPA的制作工艺角度出发,经过大量的实验,应用光力学原理基于双材料微悬臂梁结构的红外焦平面阵列及其成像系统在制作工艺上是完全可以实现的;

（4）从目前已获得的结果来看,动态成像结果可以清楚表明物体的移动情况;

（5）下一步工作考虑在像元之间采用加入热隔离结构,采用气密性真空封装等进一步改善其成像分辨力。

应用光力学原理基于双材料微悬臂梁的红外成像系统的技术使附加设备成本锐减下来,该项技术的应用会有更广阔的市场前景。

参考文献

[1]　RGBuser,MFTompsett.Uncooledinfraredimagingar-raysandsystems:

Historicaloverview[J].SemiconductorsSemimetals,1997,vol.47,1-14.

[2]　PWKruse.Principleofuncooledinfraredfocalplanearrays.[J].SemiconductorsSmimatals,1997,vol.47:

17-44.

[3]　PNorton,etal.Micro-optomechanicalinfraredreceiverwithopticalreadout-MIRROR[A].inProc.SPIE,2000,vol.4028.Orlando,FL.

[4]　YangZhao,etal.OptomechanicalUncooledInfraredImagingSystem:

Design,Microfabrication,andPerfor-mance[J].JournalofMEMS,2002,11

（2）:

136-146.