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( Focal Plane Array - 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

An optomechanical uncooled infrared( IR) imaging system consisting of a focal-plane array(FPA) based onbi-material cantilevers ,with a visible optical readout system ,may receive an IR imaging in the spectral range from 8to 14μm. The uncooled micro-optomechanical IR imaging system can be availably operated at room temperature , without complicated signal readout circuits and fabrication costs. In the paper the principle of the uncooled infraredimaging system based on bi-material cantilever pixels ,the optical readout system are illuminated ,then the fabricationprocess of FPA and some experiment results are introduced.

Key words :optomechanical ;mems ;focal plane array(FPA) ;bi-material cantilever

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(focal plane array2FPA) ,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) L PCVD 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。