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微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像技术研究

作　者: 冯飞
导　师: 王跃林
学　校: 中国科学院研究生院（上海微系统与信息技术研究所）
专　业: 微电子与固体电子学
关键词: 微机电系统非致冷红外成像法布里-泊罗微腔红外探测器阵列可动微镜热-机械灵敏度噪声等效温差
分类号: TN27
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
下　载: 281次
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内容摘要

随着MEMS技术的发展和逐渐成熟，非致冷热成像技术在近几年取得了突破性的进展。其中，光学读出非致冷热成像技术是近几年红外研究领域的热点之一。本论文首先提出了一种新颖的微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像系统。该系统基于法布里-泊罗腔多光束干涉原理读出红外信号，具有可见光干涉读出亮度高、反衬度大和更高的探测灵敏度等优点；主要包括三个部分：红外光学系统；法布里-泊罗微腔红外探测器阵列(F-P MCIRDA)；可见光读出系统。本论文主要是围绕系统的关键部件—F-P MCIRDA的优化设计、F-P MCIRDA与系统性能分析、F-P MCIRDA工艺制作与性能测试展开的。 F-P MCIRDA集红外敏感和光学读出于一身，其优化设计主要涉及器件的光学和热-机械性能。通过理论分析，完成了F-P MCIRDA的优化设计，确定了可动微镜的结构参数。从热应力理论出发分析了由双材料梁支撑的可动微镜的热-机械灵敏度与其结构参数之间的关系，得到了最优厚度比及相应的最大热-机械灵敏度，解决了可动微镜结构参数优化的关键问题。论文从理论上分析了F-P MCIRDA的机械-光灵敏度、红外温度响应与时间常数等诸方面的性能，给出了结构参数与这些性能之间的关系。论文从两个方面分析了系统的红外响应能力：系统可探测温度差和系统噪声分析。前者超过2500K，已能满足多数情况下的红外探测；后者分析表明在目前的技术水平下，可见光读出部分是主要的噪声来源；系统的极限噪声等效温差达μK量级。采用硅-玻璃键合等体硅MEMS工艺制作F-P MCIRDA，既保证了法布里-泊罗微腔两个反射面相互平行，又容易实现大阵列集成。论文对薄膜刻蚀、硅-玻璃键合等关键工艺进行了专门研究，优化了器件制作工艺；设计了合理的工艺流程，成功地制微机械法布里一泊罗千涉型光学读出非致冷热成像技术研究作出了具有初步红外响应能力的50巧。的AUsioZF一P McIRDA阵列。论文对影响F一P MCIRDA性能的关键因素进行了研究:对实验室工艺条件下制作的5102、SINx薄膜的红外吸收特性进行了测试;利用ANSYS评估了AI、Au、5102、SINx薄膜的残余应力对可动微镜形貌的影响;对法布里一泊罗腔反射面的粗糙度进行了测量，分析了硅一玻璃键合破坏金属表面的原因。搭建了热一机械灵敏度测试平台，AFSio:可动微镜的热一机械灵敏度的测试结果表明:可动微镜在热辐射作用下发生了明显的位移;热一机械灵敏度测试结果、理论结果和ANsys模拟结果分别为2.oZx 10一8叮K、3.3ox 10一sn岁K、2.sox 10一8耐K，三者在误差范围内相吻合，证实了理论设计的有效性。

全文目录

摘要  2-4
ABSTRACT  4-9
第1章引言  9-41
  1.1 MEMS技术  9-14
    1.1.1 MEMS技术发展概况  9-10
    1.1.2 主要的MEMS加工技术  10-13
    1.1.3 基于MEMS技术的主要产品及其成功经验  13-14
  1.2 红外技术  14-22
    1.2.1 红外技术基础  14-17
    1.2.2 量子型红外探测器  17-20
    1.2.3 热型红外探测器  20
    1.2.4 红外探测器的应用  20-21
    1.2.5 红外探测器技术的发展趋势  21-22
  1.3 基于MEMS技术的非致冷红外焦平面阵列技术的发展  22-32
    1.3.1 采用电学读出方式的非致冷红外探测器  22-28
    1.3.2 采用光学读出方式的非致冷红外探测器  28-32
  1.4 本论文工作的意义、目的、研究内容和创新点  32-35
    1.4.1 本论文工作的意义和目的  32
    1.4.2 本论文的研究内容  32-33
    1.4.3 本论文的创新点  33-35
  参考文献  35-41
第2章法布里-泊罗干涉型光学读出热成像系统设计  41-68
  2.1 法布里-泊罗干涉型光学读出热成像系统工作原理  41-45
    2.1.1 光的干涉与法布里-泊罗干涉仪  41-43
    2.1.2 法布里-泊罗干涉型光学读出热成像系统及其工作原理  43-44
    2.1.3 法布里-泊罗干涉型光学读出热成像系统的特点  44-45
  2.2 法布里-泊罗微腔红外探测器阵列设计  45-63
    2.2.1 红外敏感与双材料梁材料的选择  45-46
    2.2.2 光学设计  46-51
    2.2.3 可动微镜的结构与填充因子  51-53
    2.2.4 可动微镜的热-机械灵敏度优化设计  53-63
  2.3 光学读出及图像处理部分设计  63-65
    2.3.1 光学读出系统设计  63-64
    2.3.2 图像处理系统  64-65
  2.4 本章小结  65-67
  参考文献  67-68
第3章法布里-泊罗干涉型光学读出热成像系统性能分析  68-87
  3.1 法布里-泊罗微腔红外探测器阵列性能分析  68-77
    3.1.1 法布里-泊罗微腔红外探测器阵列的机械-光灵敏度  68-69
    3.1.2 可动微镜的机械特性  69-73
    3.1.3 可动微镜的热导与红外温度响应  73-76
    3.1.4 可动微镜的时间常数  76-77
  3.2 法布里-泊罗干涉型光学读出热成像系统红外性能分析  77-84
    3.2.1 系统可探测温度差  77-78
    3.2.2 光学读出热成像系统噪声等效温差分析  78-84
  3.3 本章小结  84-86
  参考文献  86-87
第4章关键工艺及器件研制  87-109
  4.1 关键工艺研究  87-100
    4.1.1 KOH溶液湿法腐蚀硅  87-88
    4.1.2 RIE刻蚀  88-90
    4.1.3 IBE刻蚀  90-97
    4.1.4 硅-玻璃键合  97-99
    4.1.5 硅的DRIE刻蚀  99-100
  4.2 法布里-泊罗微腔红外探测器阵列制作工艺流程  100-103
  4.3 工艺偏差对可动微镜性能的影响  103-107
  4.4 本章小结  107-108
  参考文献  108-109
第5章测试结果及讨论  109-129
  5.1 氮化硅和氧化硅薄膜的红外吸收特性  109-111
  5.2 表面粗糙度测量  111-116
    5.2.1 硅-玻璃键合前微镜表面的粗糙度  111-114
    5.2.2 硅-玻璃键合对表面粗糙度的影响  114-115
    5.2.3 可动微镜释放后的表面粗糙度  115-116
  5.3 薄膜的残余应力  116-124
    5.3.1 台阶仪测量薄膜残余应力的原理  116
    5.3.2 薄膜的残余应力测量  116-120
    5.3.3 薄膜残余应力对可动微镜形貌的影响  120-124
  5.4 法布里-泊罗微腔红外探测器阵列热-机械灵敏度实验测试  124-126
  5.5 本章小结  126-128
  参考文献  128-129
第6章结论及未来的工作  129-132
攻博期间发表的论文与成果清单  132-133
致谢  133-134
个人简历  134-135

微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非致冷热成像技术研究

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