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新型双层微测辐射热计结构优化设计

作　者: 杨卓
导　师: 许向东
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 微测辐射热计微桥结构力学性能热学性能光学性能仿真优化
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 36次
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内容摘要

微测辐射热计型非制冷红外探测器以其易携带、性能卓越、成本低廉等优点，具有广泛的军事和民用前景。然而，微测辐射热计长期以来采用的传统单牺牲层微桥结构，光吸收层与热敏感层同升同降，影响器件的性能改良。双牺牲层微测辐射热计是近年来提出的改进型结构，该结构性能十分突出。但是，目前为止，双层微测辐射热计的相关文献国内外均极少报道，人们对此类结构的性能特征及优缺点等了解不足。本文通过数学模型仿真软件Matlab以及有限元分析软件IntelliSuite对传统单层I型桥腿结构、L型桥腿结构、隐藏桥腿的新型双层S型桥腿结构和新型双层伞形结构的光学性能、热学性能以及力学性能分别进行了系统的仿真。结果表明：双层微测辐射热计的综合性能优于单层微测辐射热计。其中，双层S型结构的温升最优，但其力学稳定性较差，难以满足实践需要；双层U型结构的温升虽低于双层S型，但明显优于单层微桥；重要的是，双层U型在光吸收性能、力学稳定性、器件制造等方面，均优于双层S型。所以，双层U型的综合性能更优。此外，针对双层U型结构热学性能的不足，本文从微测辐射热计薄膜材料以及桥腿结构两方面进行了改进。仿真结果表明，采用SiO2支撑材料，器件温升将提高27%，但形变也将提高300%，综合性能变差；但是，若将I型桥腿改变为L型桥腿，其温升增加57%、而其形变仅增加46%。本文还研究了双层U型微测辐射热计各功能材料层厚度对器件光学性能、热学性能、力学性能的影响。而且，通过综合优化比较，研究获取一组优化的膜层厚度，能够使双层U型微桥温升达到115.3mK、热学性能提升76.97%，形变降为0.02008μm、力学性能提升了32.1%。重要的是，针对双层U型微桥结构敏感层热均匀性差的不足，本文还设计了含有导热层及多个支撑孔的几种新型双层微桥。其中，新提出的4H15型双层微桥的位移最大值比DRS公司设计的双层U型结构减少8.4%、具有更优的力学稳定性，而且，敏感层温差也从9.6mK明显地降低到1.3mK、热均匀性大幅改善。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-13
  1.1 引言  10
  1.2 论文的主要工作  10-13
    1.2.1 研究意义  10-11
    1.2.2 研究内容  11-12
    1.2.3 技术路线  12-13
第二章氧化钒微测辐射热计的结构及性能特征  13-21
  2.1 氧化钒微测辐射热计的工作原理  13-15
  2.2 氧化钒微测辐射热计的基本性能  15-17
    2.2.1 光学性能  16
    2.2.2 热学性能  16
    2.2.3 力学性能  16-17
  2.3 微测辐射热计的结构特征  17-20
  2.4 本章小结  20-21
第三章微测辐射热计的光学性能研究  21-29
  3.1 多层光学膜系导纳矩阵法介绍  21-25
  3.2 氧化钒微测辐射热计的红外吸收模型和光学参数设定  25-26
    3.2.1 红外吸收模型  25
    3.2.2 光学薄膜光学参数的设定  25-26
  3.3 氧化钒微测辐射热计的红外吸收率仿真与分析  26-28
    3.3.1 单层微桥结构红外吸收率的仿真与分析  26-27
    3.3.2 双层微桥结构红外吸收率的仿真与分析  27-28
  3.4 本章小结  28-29
第四章微测辐射热计的热学和力学性能研究  29-39
  4.1 分析方法及仿真模型  29-30
    4.1.1 有限元分析方法及 IntelliSuite 软件  29-30
    4.1.2 热机电模型结构参数  30
  4.2 微桥结构的热学仿真  30-33
    4.2.1 热学模型分析  30-31
    4.2.2 热学性能仿真  31-33
  4.3 微桥结构的力学仿真  33-34
    4.3.1 力学模型分析  33
    4.3.2 力学性能仿真  33-34
  4.4 微桥结构的性能综合比较  34-35
  4.5 双层 U 型结构优化研究  35-38
    4.5.1 薄膜材料对探测器性能影响  35-37
    4.5.2 微桥结构对探测器性能影响  37-38
  4.6 本章小结  38-39
第五章双层 U 型微测辐射热计的结构优化  39-53
  5.1 各层薄膜厚度对探测器光学性能影响  39-42
  5.2 各层薄膜厚度对探测器力学、热学性能影响  42-48
  5.3 双层 U 型结构综合性能优化  48-52
  5.4 本章小结  52-53
第六章新型双层微桥结构设计  53-64
  6.1 引言  53-54
  6.2 单支撑孔几何参数对器件热均匀性影响  54-55
  6.3 双层 U 型结构热均匀性优化设计及仿真  55-63
    6.3.1 热敏感层均匀性改良思路  55-57
    6.3.2 双支撑孔结构热均匀性优化仿真结果分析  57-61
    6.3.3 四支撑孔结构热均匀性优化仿真结果分析  61-63
  6.4 本章小结  63-64
第七章结论与展望  64-66
  7.1 工作总结  64-65
  7.2 展望  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-71
附录  71-72
攻读硕士期间取得的研究成果  72-73

新型双层微测辐射热计结构优化设计

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