无基底焦平面阵列的性能分析和仿生研究

发布时间：2016-08-01 07:43

第1章绪论

本人自2009年起进入光测力学实验室,参与课题组的研究工作。在对课题组之前的王作进行了学习之后发现,原有的基于恒温基底结构的FPA分析模型逐步不再适用,实际测量值与模型的理论计算值相差达到一个数量级。为了解决这一问题,课题组先后做了很多的工作,提出了基于无基底FPA的变温基底结构模型,以及基于红外热成像仪的工程应用问题。本文主要针对这个问题开展了一系列的工作:第二章:课题组通过研究发现,因为早期的FPA为娃-有基底结构,成像像素单元通过牺牲层工艺悬浮在珪基底之上,所以珪基底为恒温结构,像素单元之间热响应独立,相互之间没有热串扰,在对其成像性能进行分析通常采用恒温基底结构热学分析模型。而通过对无基底FPA的有限元分析发现,其无基底支撑框架为变温结构且像素单元之间热响应非独立,单个像素单元吸收的热流心义点扩散函数的形式向外福射,所以无基底FPA的整体热响应为阵列中单个像素单元热响应的叠加,原有的恒温基底结构热学模型不再适用。本章节针对上述问题,在对其结构进行分析之后,建立了无基底FPA的热学模型;然后通过电学比拟建立了无基底FPA的电学模型并对其成像性能进行了分析。为了进一步验证电学模型的有效性,设计制作了像素单元尺寸的红外探测FPA,阵列大小24维bcelx240pixel。实验结果证明了电学模型的有效性,相比于有限元分析,该模型在大阵列FPA设计及性能分析方面优势明显。

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第2章无基底FPA的等效电学模型

2.1引言

传统的FPA为有基底结构,其像素单元通过牺牲层工芝悬浮在珪基底上。由于珪基底的热容相对很大,因此被视为恒温结构,各像素单元的热响应相互独立,互不影响。但在无基底FPA中,通过有限元分析发现,其支撑框架是变温结构,单个像素单元吸收的热流会扩散函数的形式向相邻单元扩散,其整体热响应是单个像素热响应点扩散函数的线性叠加。因此,针对无基底FPA,原有的基于恒温基底假设而仅分析单个像素单元的热学模型不再适用,需要根据受热区域从整体分析其热学性能。因此,本文针对无基底的结构特点,通过电学比拟方法,提出了一个简单快捷的分析无基底FPA热学性能的等效电学模型。该模型综合考虑了像素单元和支撑框架的空气热导对系统红外成像性能的影响,通过该理论模型发现:无基底FPA在大气压下具有优良的红外成像性能。设计制作的像元尺寸无基底FPA上的实验表明:标准大气压环境下,系统NETD为1.08K。实验结果与理论模型分析一致。

2.2无基底FPA原理介绍

本文采用间隔镀金双回折结构设计制作无基底FPA,其像素单元的结构如图2.1所示,由反光板,热隔离梁和热变形梁组成。其中,热隔离梁为单材料SiNx膜,用于隔离像素单元与框架之间的热传导,并将像素单元侧向支撑;反光板和热变形梁为双材料SiNx-Au膜,反光板的用于反射可见探测光,SiNx面吸收红外福射,使热变形梁产生温升,由于两种材料热膨胀系数的巨大差异,热变形梁发生弯曲变形,反光板出现发生热致偏转。间隔被金双回折结构加大了反光板的热致偏转角度,显著提高了单元的热变形效率(缪正宇等,2007)。

第3章颊窝蛇红外成像仿生的研究.......23

3.1引言.......23
3.2颊窝热学性能的有限元模拟24
第4章热合缺陷检测装置的研制.......41
4.1引言.......41
4.2原理及系统组成.......42
第5章研究生期间的其他工作.......49
5.1三维DIC形貌测量精度研究究.......49
5.2三维DIC教学装置的研究..........53
5.3基于声光调制的生化微梁阵列传感装置..............57

第5章研究生期间的其他工作

5.1三维DIC形貌测量精度研究

使用三维DIC方法对硬币表面三维形貌进行了测量,并且使用游标卡尺与台阶仪测量了同一硬币的局部尺寸,对实验结果进行了比较。实验结果表明:(1)三维DIC方法可以实现复杂物体表面三维形貌的测量,为物体表面三维数据获取提供了一个可靠有效的测量方法。(2)实验表明,三维DIC方法在测量硬币表面三维形貌时精度较高测量视场大小约为30mmx30mm,形貌测量精度,即形貌测量精度可达视场大小的1/10000。(3)对比试验表明方法系统平均误差在mm量级小于1%,在量级时误差小于5%。微米量级时误差较大的原因是，方法计算模板的大小导致变化梯度较大部分的形貌数据被平滑,导致误差増大。作者在第十四届实验力学学术会议(2015,中国重庆)上该部分研究内容为主做了分会场报告。

5.2三维DIC教学装置的研究

三维DIC作为目前实验力学发展最成功的非接触全场测量方法之一,具有实验设备简单、测量环境要求低、测量范围广和精度高等优势,已成为工程实际应用中非接触二维平面和三维曲表面变形场测量的最佳选择。但是,这些优势是相比较己有的光学测量方法而言,对于初学者或者是刚刚接触三维DIC的工程师来说,还是有一定的难度的。为了进一步普及三维DIC方法在高校当中的研究和实际当中的应用,有必要在相关高校开展三维DIC教学工作。目前市场可朗构买得到的三维DIC设备均为商用测量仪器,其主要的客户为工业用户、高校和研究所价格昂贵。最为主要的是,该类设备的设计理念抖使用方便、高效测量为主,对于一些参数的设置尽曇简化,使得该类设备很难在实际的教学环境中得到应用。本文针对现有的问题,结合实验室之前的工作介绍针对教学实验研制的三维数字图像相关系统,包含三维应变光学测量装置、教学实验加载装置和2维3维数字围像分析教学软件;配套的悬臂梁、三点弯化及半圆环等典型教学实验,将测量物体表面王维形貌、位移以及应变场的基本展现给学生;通过试件表面散斑的人工装备、系统的标定、图像采集和图像数据分析等标准操作步骤,让学生深入的理解数字图像相关方法的基本原理;相关计算之后,结果通过三维云图的方式动态显示,直观的展现整个加载过程中试件表面的全场变化;软件还引入了散斑围质量评价功能化及标定结果评价因子,客观的给学生展示出人为操作因素对计算结果和计算精度的影响。

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第6章总结与展望

6.1全文工作总结

本文针对光学读出非制冷红外成像系统中的核必部件一"无基底红外焦平面阵列义及红外成像在工业中的应用开展了一系列的研究工作。首先分析了无基底红外FPA的热学性能,提出了基于无基底FPA的等效电学模型;然后以响尾蛇的颊窝器官为样本,进行了无基底FPA的红外成像仿生研究工作。提出了基于锁相红外的方法并设计了检测装置。另外,作者在攻读博士期间还从事了王维数字图像相关研究レ:^及食品安全多残留检测用生化微梁阵列传感器相关的研究工作。本文的主要工作和成果如下;(1)本文考虑了无基底FPA的三种热传导方式,提出了无基底FPA的热学模型来描述反光板、微悬臂梁、支撑框架与外框之间在收到外界红外热福射时相互之间的热影响;由于无基底FPA外框的热导远大于单个像素的热导,所以将外框和真空腔内端面一起视为恒温基底之后,采用电学比拟的方法,将热流等效为电中的恒流源,热阻等效为电阻,恒温基底等效为接地,得到了无基底FPA的等效电学模型。实验结果表明,无基底FPA在大气条件下拥有卓越的成像性能,其NETD值与使用等效电学模型分析结果一致,证明该模型是有效的、可信的。

6.2全文工作展望

小像素单元尺寸的无基底FPA的设计与制作。伴随着大阵列尺寸无基底FPA的研发,同时必须减小单个像素单元的尺寸。期间,无基底FPA像素之间的热串扰问题将会成为研究者所面临的主要问题,如何解决像素之间的热串扰并且设计制作更小尺寸的像素单元也是光学读出非制冷红外成像需要解决的一大难题。提高无基底FPA流片良品率。现有的无基底FPA流片良品率偏低,表现为同一FPA之中,各像素单元之间的非一致性;同一批FPA中,每一片FPA相互之间的非一致性。甚至是像素坏点等的出现,大大影响了无基底FPA的性能,间接导致了其制作成本无法降低。在未来的发展当中,无基底FPA的制作工艺将会成为制约其发展的瓶颈,必须得到适当的解决。

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参考文献（略）

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本文编号：80150