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25μm微测辐射热计结构设计及仿真研究

作　者: 周泓希
导　师: 蒋亚东
学　校: 电子科技大学
专　业: 光学工程
关键词: 微测辐射热计高性能尺寸参数热流密度热对流系数
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 5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低功耗、高性能、低成本等优点，在军事上和民用上具有很好的前景。随着探测器阵列越来越大，像元尺寸越来越小的发展趋势，单层微桥的悬臂宽度只有越来越小才能达到相应较高的热学性能，但是悬臂宽度会受到支撑材料机械强度和微加工条件的限制，若采用双层或者多层结构不会受到这个限制。但是采用双层或多层结构将引入双牺牲层的加工技术，增加了加工的复杂性，同时双层和多层结构的主要参数的计算和仿真也更为复杂。因此，根据实际的需求，需对多种结构进行必要的设计和仿真，提出可行的方案以供器件制备参考。本文应用MATLAB、IntelliSuite等仿真软件构建单层、双层结构模型，以制造高性能的探测器（即60Hz帧频下NETD小于80mK,热时间常数小于8.3ms)为目标，设计了从理论上满足指标要求的单层L型结构、双层伞型结构、双层S型结构。从构建三维模型开始对三种结构分别进行了热、力、光学仿真研究，通过合理选择各层膜厚与桥腿宽度得到了单层L型、双层伞型、双层S型结构的几种尺寸参数，其光学、热学、力学支撑性能良好，对后端加工提供了参考。此外，本文对热流密度与热对流系数进行了系统地计算，更加真实地模拟了红外探测器的工作过程，对三种微桥结构进行热学设计过程中用IntelliSuite软件验证热导的估算值与仿真值的误差，发现误差小于5%。设计了光学、热学、电学性能系统级仿真软件，能够方便快捷地进行微桥结构的光学、热学、电学设计。本文还对三种微桥结构的力学支撑性进行了研究，发现影响微桥的形变的主要因素是氮化硅吸收层和氮化硅支撑层的厚度，桥腿的宽度以及桥腿的长度。三种结构形变最大的位置都在桥腿拐角处，双层S型微桥由于桥腿太长，要维持其稳定性必须增加支撑层的厚度来实现。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-13
  1.1 引言  10
  1.2 论文研究内容  10-13
    1.2.1 选题意义  10-12
    1.2.2 研究内容  12
    1.2.3 技术路线  12-13
第二章氧化钒微测辐射热计的简要介绍  13-22
  2.1 氧化钒微测辐射热计的工作原理  13-17
    2.1.1 热平衡方程  14-16
    2.1.2 未施加偏置时的热平衡方程  16
    2.1.3 施加直流偏置时的热平衡方程  16-17
  2.2 氧化钒微测辐射热计的基本性能  17-18
    2.2.1 光学性能  17
    2.2.2 热学性能  17
    2.2.3 力学性能  17-18
  2.3 微测辐射热计的单元形状结构  18-21
  2.4 本章小结  21-22
第三章微测辐射热计的性能计算及指标分解  22-56
  3.1 噪声等效温差  22-24
  3.2 光学参数对噪声等效温差的影响  24-37
    3.2.1 导纳矩阵法原理  24-28
    3.2.2 氧化钒微测辐射热计的红外吸收模型建立与仿真  28-37
  3.3 热学参数对噪声等效温差的影响  37-53
    3.3.1 有限元分析方法及 IntelliSuite 软件  38
    3.3.2 微尺寸效应对探测器性能影响  38-39
    3.3.3 热流密度与热对流系数的计算  39-43
    3.3.4 热学性能仿真  43-53
  3.4 电学参数对噪声等效温差的影响  53-54
  3.5 本章小结  54-56
第四章微测辐射热计的力学性能仿真  56-70
  4.1 单层 L 型结构的力学仿真  59-63
    4.1.1 膜厚对力学性能的影响  59-63
    4.1.2 桥腿宽度对力学性能的影响  63
  4.2 双层伞型结构的力学仿真  63-66
    4.2.1 膜厚与腔高对力学性能的影响  64-66
    4.2.2 桥腿宽度对力学性能的影响  66
  4.3 双层 S 型结构的力学仿真  66-69
    4.3.1 膜厚对力学性能的影响  67-68
    4.3.2 桥腿宽度对力学性能的影响  68-69
  4.4 本章小结  69-70
第五章结论与展望  70-73
  5.1 设计结果  70-71
  5.2 工作总结  71-72
  5.3 展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-77
附录  77-78
攻读硕士期间取得的研究成果  78-79

25μm微测辐射热计结构设计及仿真研究

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