無基底焦平面陣列的性能分析和優(yōu)化

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1、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文懋幽無基底焦平面陣列的性能分析和優(yōu)化作者姓名學(xué)科專業(yè)導(dǎo)師姓名完成時間毛亮了剛固體力學(xué)張青JIl教授--0一三年五月五日UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’Sdegree網(wǎng)幽PerformanceAnalysisandOptimizationoftheSubstrate-freeFocalPlaneArrayAUtllor’sN&meSupervisor：FinishedtimeMaoLiangSolidMechani

2、csProfZhangQing-ChuanMay5th，2013中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行研究工作所取得的成果。除己特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對本研究所做的貢獻均已在論文中作了明確的說明。作者簽名：乏：毛簽字日期：2里[三?！埽后抑袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文授權(quán)使用聲明作為申請學(xué)位的條件之一，學(xué)位論文著作權(quán)擁有者授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印

3、件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以將學(xué)位論文編入《中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫》等有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。本人提交的電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。叼公開口保密(——年)作者簽名：乏氈，毒簽字日期：趁[墨：笪：生導(dǎo)師簽名：簽字日期：星竺!呈：』：生摘要紅外成像技術(shù)在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)等方面有廣泛應(yīng)用。光學(xué)讀出非制冷紅外成像技術(shù)由于成本低、性能高而成為今年來研究的熱點之一。本文在課題組工作的基礎(chǔ)上，針對光學(xué)讀出非制冷紅外成像技術(shù)的核心元件無

4、基底焦平面陣列(FPA)展開了一系列研究，建立了新的熱機械分析理論模型，設(shè)計制造了新材料的FPA，為了改善FPA反光板的彎曲，提出了多種優(yōu)化方法，并建立了嵌入式的軟件平臺，主要成果如下：(1)熱機械性能分析方面，盡管有限元方法能夠精確計算已知設(shè)計尺寸的無基底FPA的熱機械性能，但是當系統(tǒng)有一個要達到的指標(如溫度灰度響應(yīng))，需要分析FPA的設(shè)計尺寸時，有限元方法就不再方便。本文利用整體分析方法和電學(xué)類比分析方法，建立了熱流在FPA傳遞的電路模型，分析了FPA支撐框架的熱阻，推導(dǎo)出無基底FPA的理論溫度灰度響應(yīng)和響應(yīng)時間的計算公式。

5、設(shè)計并指導(dǎo)制作了50gm×50岫像素尺寸的無基底FPA來驗證理論模型，其熱加載區(qū)域的平均溫升的有限元和理論模型分析的結(jié)果誤差為1．5％，兩者非常吻合。其溫度灰度響應(yīng)理論分析結(jié)果與紅外成像實驗結(jié)果的誤差為5．4％，此時系統(tǒng)的噪聲等效灰度NETD為170mK。同時，理論模型對200岫×200gm和120gm×120岬像素尺寸無基底FPA的分析也證明這個解析模型適用于所有像素單元尺寸的無基底FPA。(2)基于無基底FPA的材料選擇要求，在微電子機械系統(tǒng)(MEMS)制作工藝的約束下，設(shè)計并指導(dǎo)制作了像素尺寸為50grn×50gmAI和S，

6、02雙材料無基底FPA。利用有限元方法定量分析了彳，／S，02雙材料無基底FPA的熱機械性能，并與相同結(jié)構(gòu)及尺寸的4，／SⅣ。雙材料無基底FPA的有限元分析結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)么，／Sq雙材料FPA的熱轉(zhuǎn)化效率和熱機械靈敏度都相較4．／S札雙材料FPA有了大幅提升。在系統(tǒng)光學(xué)檢測靈敏度一定時，新的材料能夠?qū)⑾到y(tǒng)的靈敏度提高至原來的5．8倍。(3)為了改善FPA反光板的彎曲，本文提出了三種優(yōu)化方案。A．減薄反光板上的金層厚度。在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計并指導(dǎo)制作了單元尺寸為2009m的反光板金層減薄FPA，其反光板曲率半徑提高至原來金

7、層未減薄FPA的4．71倍，系統(tǒng)光學(xué)檢測靈敏度提高至原來的5．2倍，實驗驗證了理論分析的結(jié)果：B．制作帶加強筋的反光板。設(shè)計并指導(dǎo)制作了單元尺寸為60岬的反光板帶加強筋FPA，其反光板曲率半徑提高至原來沒有加強筋FPA的4．29倍，系統(tǒng)光學(xué)檢測靈敏度提高至原來的1．18倍，實驗驗證了理論分析的結(jié)果；C．利用冷熱平臺對摘要像素尺寸為50p．mM50gm的4，／SⅣ，雙材料FPA進行退火處理，共試驗了兩種退火方式。第一種是直接退火法，對FPA進行退火都沒有明顯的糾正反光板的彎曲的效果，但FPA的均勻性都有所提升。第二種是循環(huán)退火方法，

8、改善了反光板的彎曲，反光板的偏轉(zhuǎn)更加均勻，F(xiàn)PA的溫度灰度響應(yīng)提高了約32％。(4)開發(fā)了嵌入式平臺一一紅外熱譜分析軟件平臺，整合了垂直聚焦平臺的電機控制等多種硬件設(shè)備，實現(xiàn)了對紅外成像設(shè)備的連接、調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)顯示等功能。再加