非制冷紅外成像系統(tǒng)

1、太原科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：光力學(xué)效應(yīng)應(yīng)用一一非制冷紅外成像系統(tǒng)姓名學(xué)院（系）應(yīng)用科學(xué)學(xué)院專(zhuān)業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師2010年12月15日目錄摘要.3Abstract.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章結(jié)果分析與討論.10結(jié)論.13參考文獻(xiàn)14摘要應(yīng)用光力學(xué)效應(yīng)的非制冷紅外焦平面陣列(FocalPlaneArray-FPA)，配有可見(jiàn)光讀出部分的紅外成像系統(tǒng)，可以在8至14以m光譜區(qū)得到熱物體成像。其核心部件是雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)的焦平面陣列。不同于利用其他效應(yīng)的非制冷紅外成像系統(tǒng),此種成像系統(tǒng)可以方便的在室溫下正常工作，而且省去了相當(dāng)復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，降低了

2、制備復(fù)雜程度和成本。采用MEMS表面硅工藝制備FPA，深入研究了雙材料懸臂梁結(jié)構(gòu)成像系統(tǒng)的基本原理、光學(xué)讀出系統(tǒng)、工藝制備難點(diǎn)，并得到了高溫物體紅外源的成像響應(yīng)結(jié)果。關(guān)鍵詞:光力學(xué);MEMS;焦平面陣列；雙材料懸臂梁AbstractAnoptomechanicaluncooledinfrared(IR)imagingsystemconsistingofafocal-planearray(FPA)basedonbi-materialcantilevers,withavisibleopticalreadoutsystem,mayreceiveanIRimaginginthespectralrang

3、efrom8to14mm.Theuncooledmicro-optomechanicalIRimagingsystemcanbeavailablyoperatedatroomtemperature,withoutcomplicatedsignalreadoutcircuitsandfabricationcosts.Inthepapertheprincipleoftheuncooledinfraredimagingsystembasedonbi-materialcantileverpixels,theopticalreadoutsystemareilluminated,thenthefabric

4、ationprocessofFPAandsomeexperimentresultsareintroduced.Keywords:optomechanical;mems;focalplanearray(FPA);bi-materialcantilever第一章引言任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射紅外，通過(guò)對(duì)在814以m波譜區(qū)段的紅外輻射譜的探測(cè)，并通過(guò)電學(xué)和光學(xué)等方法處理這些信號(hào)，就可形成與景物輻射分布對(duì)應(yīng)的熱圖像。紅外成像系統(tǒng)按照探測(cè)原理的不同，可以把傳統(tǒng)的紅外輻射探測(cè)器大致分為兩類(lèi):量子型和非制冷熱型1-2o目前所有量子型的紅外輻射探測(cè)裝置都配有制冷裝置，使得其笨重，且價(jià)格昂貴。而非制冷熱型紅

5、外成像儀檢測(cè)探測(cè)器受熱后電阻的變化、電容的變化等，像元下面都有讀出電路相對(duì)應(yīng)，但制作難度較大。鑒于以上原因，我們提出了應(yīng)用光力學(xué)原理的、基于MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)的非制冷型紅外焦平面成像系統(tǒng)3。從原理上講，與以往光量子型和其它熱型的成像原理有根本的區(qū)別。它測(cè)量出一定程度的微小形變，并將這一系列的微小形變直接轉(zhuǎn)換成光圖像輸出。工藝較簡(jiǎn)單，成本較低，系統(tǒng)調(diào)試易于實(shí)現(xiàn)。第二章工作原理我們?cè)O(shè)計(jì)的應(yīng)用光力學(xué)原理的、基于MEMS微懸臂梁結(jié)構(gòu)的非制冷型紅外焦平面成像系統(tǒng)主要由三部分組成:1）紅外線集像部分;2）由微懸臂梁結(jié)構(gòu)組成的焦平面陣列（focalplanearray2FPA），它通常置于一個(gè)真空腔內(nèi)，兩

6、側(cè)分別為透紅外線窗口和透檢測(cè)光窗口；3）光學(xué)檢測(cè)部分。由微懸臂梁結(jié)構(gòu)組成的紅外焦平面成像陣列是該系統(tǒng)的核心技術(shù),FPA由一系列成像像元組成面陣列，每一個(gè)像元是由一個(gè)方形微鏡面和一條或兩條固支微懸臂梁組成。包括鏡面和梁在內(nèi)的整個(gè)像元由兩種熱膨脹系數(shù)差別很大的材料構(gòu)成。當(dāng)成像單元受到紅外輻射照射時(shí)，入射的紅外能量轉(zhuǎn)化為像元鏡面和微懸臂梁的溫開(kāi)，從而引起梁的變形，導(dǎo)致像元的轉(zhuǎn)角發(fā)生變化。溫升不同,每個(gè)像元的轉(zhuǎn)角變化也不同，光學(xué)檢測(cè)部分通過(guò)檢測(cè)方形微鏡面輸出光譜的變化解讀出懸臂梁的轉(zhuǎn)角變化及分布，以光強(qiáng)圖像的方式將被測(cè)物體的溫度場(chǎng)顯示出來(lái)。這個(gè)光學(xué)圖像可以是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦在屏幕上的圖像；也可以是利用

7、其它光電轉(zhuǎn)換器接收到的圖像，如CCD相機(jī)或光電二極管接收到的圖像。圖1是應(yīng)用光力學(xué)效應(yīng)基于雙材料微懸臂梁結(jié)構(gòu)的非制冷紅外成像系統(tǒng)裝置示意圖4o該系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)明顯優(yōu)勢(shì)：成本較低；采用光學(xué)讀出方法對(duì)物體的熱輻射信號(hào)直接進(jìn)行讀取；無(wú)外加制冷裝置和光電轉(zhuǎn)換電路使得整機(jī)系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低。紅外透鏡其至富應(yīng)用光力學(xué)效應(yīng)雙材料微懸臂梁結(jié)構(gòu)的非制冷紅外成像系統(tǒng)裝置示意圖第三章FPA的制作焦平面陣列是系統(tǒng)核心部件。對(duì)FPA的設(shè)計(jì)和制備關(guān)系到系統(tǒng)的成像與否和成像系統(tǒng)的性能好壞。我們?cè)O(shè)計(jì)的FPA的懸臂梁和微鏡面均由SiNX和Au兩種材料組成的。其中微鏡面是55X35以m的矩形，懸臂梁的寬度是2以m，彎曲的

8、懸臂梁總長(zhǎng)110以m，犧牲層PSG厚度1.5以m。圖2是FPA的顯微鏡照片。圖3是樣品傾斜一定角度后拍攝的SEM照片，由兩個(gè)固定在硅襯底上的錨爪（anchor），向前伸出懸空的懸臂梁和微鏡面，組成了單層結(jié)構(gòu)的焦平面陣列的一個(gè)像元。整個(gè)焦平面陣列由像元密排組成，陣列的像元數(shù)為300X240o簡(jiǎn)要工藝步驟如圖4所示：1）在犧牲層材料PSG上刻蝕出用于固定懸臂梁的錨爪孔，犧牲層材料的刻蝕至關(guān)重要，要刻蝕至硅襯底，以防去除犧牲層時(shí)發(fā)生結(jié)構(gòu)層固定不好的現(xiàn)象;2）LPCVD生長(zhǎng)懸臂梁結(jié)構(gòu)層材料SiNX;3）光刻懸臂梁和成像面圖形，并刻蝕出結(jié)構(gòu)圖形;4）濺射金層;5）腐蝕犧牲層PSG及釋放結(jié)構(gòu)層。圖2FPA

9、微懸臂梁結(jié)構(gòu)顯微鏡照片圖3結(jié)構(gòu)經(jīng)釋放后的懸空結(jié)構(gòu)電鏡照片<=oSi00PSGSiNi0gAu圖4FPA制作工藝示意圖第四章結(jié)果分析與討論4. 1光學(xué)讀出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)我們目前采用的是非相干光測(cè)量方法，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。將平行光束照在FPA上，反射出來(lái)的光被透鏡做光學(xué)傅里葉變換，在譜平面上對(duì)微鏡反射面的零級(jí)譜進(jìn)行濾波檢測(cè)，像元的轉(zhuǎn)角信息通過(guò)光學(xué)傅里葉變換和濾波轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)變化，再由CCD接收，使FPA上的熱變形圖像轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD灰度變化的數(shù)字光學(xué)圖像。4.1.1轉(zhuǎn)角光測(cè)方法的靈敏度分析經(jīng)推導(dǎo)得知轉(zhuǎn)角光測(cè)方法的測(cè)量靈敏度6min只與探測(cè)波長(zhǎng)入、微梁尺度d和CCD探測(cè)器滿量程灰度N有關(guān)，與透鏡焦

10、距f無(wú)關(guān)。故構(gòu)成紅外成像系統(tǒng)時(shí)，可選較小的f透鏡，縮減系統(tǒng)的體積。這為今后的系統(tǒng)集成提供了指導(dǎo)。4.1.2光學(xué)檢測(cè)方法的試驗(yàn)驗(yàn)證光學(xué)檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是將FPA置于精密旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，放入如圖1所示的讀出光路中，通過(guò)測(cè)量FPA轉(zhuǎn)角與像面CCD上的光強(qiáng)來(lái)確定檢測(cè)靈敏度。采用12bit,4096灰度級(jí)，信噪比為70dB高精度的CCDo圖5(a)為像面上觀察到的FPA全貌，選擇其中7個(gè)代表小區(qū)，每個(gè)小區(qū)內(nèi)含9個(gè)微梁像素，對(duì)每一個(gè)小區(qū)域的放大如圖5(b)所示。rb圖5FPA在讀出光路中的濾波后被CCD接收的圖像a為全場(chǎng)圖；b為a中選取的七個(gè)小框中的分別含九個(gè)像元的局域圖圖6圖5第四小區(qū)中9像素的光強(qiáng)隨轉(zhuǎn)角大

11、小變化曲線(a)為全圖,(b),(c)分別為光強(qiáng)隨轉(zhuǎn)角大小變化較快的兩個(gè)區(qū)域局部圖。實(shí)驗(yàn)給出了7個(gè)小區(qū)的微梁像素的光強(qiáng)與轉(zhuǎn)角體的形狀。直接原因是FPA的分辨率不是很高,FPA未置于真空腔內(nèi)，有較嚴(yán)重的背景噪聲。實(shí)驗(yàn)針對(duì)微懸臂梁和光傅里葉透鏡的焦距等參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值和實(shí)驗(yàn)?zāi)M；在紅外成像系統(tǒng)的核心部件一FPA的制作上進(jìn)行了深入的研究：(1)檢測(cè)靈敏度正比于光強(qiáng)接受器的滿量程灰度N(量化級(jí)數(shù))；與傅里葉變換透鏡的焦距f無(wú)關(guān),即無(wú)光杠桿放大效應(yīng)；(2)微梁的反光面應(yīng)保持盡量小的彎曲變形；(3)從FPA的制作工藝角度出發(fā)，經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用光力學(xué)原理基于雙材料微懸臂梁結(jié)構(gòu)的紅外焦平面陣列及其成像系統(tǒng)在

12、制作工藝上是完全可以實(shí)現(xiàn)的；(4)從目前已獲得的結(jié)果來(lái)看,動(dòng)態(tài)成像結(jié)果可以清楚表明物體的移動(dòng)情況；(5)下一步工作考慮在像元之間采用加入熱隔離結(jié)構(gòu)，采用氣密性真空封裝等進(jìn)一步改善其成像分辨力。應(yīng)用光力學(xué)原理基于雙材料微懸臂梁的紅外成像系統(tǒng)的技術(shù)使附加設(shè)備成本銳減下來(lái),該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)前景。參考文獻(xiàn)1RGBuser,MFTompsett.Uncooledinfraredimagingar-raysandsystems:HistoricaloverviewJ.SemiconductorsSemimetals,1997,vol.47,1-14.2PWKruse.Principleofuncooledinfraredfocalplanearrays.J.SemiconductorsSmimatals,1997,vol.47:17-44.3PNorton,etal.Micro-optomechanicalinfraredreceiverw