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无基底焦平面阵列性能分析与研究

作　者: 陈焕斌
导　师: 张青川
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 固体力学
关键词: 无基底FPA 双材料微悬臂梁红外成像非制冷加强梁
分类号: TN215
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光学读出非制冷红外成像技术因其低成本和高性能近年来广泛受到关注。基于该技术,本课题组提出并成功设计制作出的无基底焦平面阵列结构(Focal Plane Array, FPA),不仅简化了制作工艺,而且大幅度提升了成像性能。在课题组已有工作基础上,本文在无基底FPA的热机械振动噪声、热学性能与热机械性能方面进行了学习和研究。因无基底FPA为单层膜结构,固有频率值低,可能会引起热机械振动噪声(NETDTM),导致噪声等效温度差(NETD)上升。为解决这一问题,本文提出区域加强、框架加强和混合加强这三种改进的加强梁结构,借助有限元简化模型和激光位移传感器,通过数值模拟和实验验证,证实这三种结构可以大幅度提升FPA固有频率值(从74Hz提升至835Hz,404Hz和1120Hz),NETDTM降低约两个数量级,从而实现了对FPA的优化设计。为获得较为准确的FPA固有频率,解决计算机性能方面的限制,本文提出了一种简洁的FPA有限元简化模型。并通过实验结果与有限元结果的比较,验证了简化模型的有效性。此模型极大地缩短了模拟计算所需的时间,为FPA进一步优化设计的探讨分析提供了便利。本文还利用有限元法热应力分析功能,发现了无基底FPA比传统的有基底FPA在热转化效率、热机械响应上的巨大优势,并据此修正了基于恒温基底假设的物理分析模型,包括感热单元的总热导和热机械响应公式。在热学性能方面,由于无基底FPA的框架热导和梁热导皆在10-8 W/K这一数量级上,与有基底模型的无穷大热导相比,其框架热导大幅度减小,因而不能忽略支撑框架的热导在无基底FPA中的作用。此时,框架可等效于一段与热隔离梁串联的热阻,它有效降低了感热单元的总热导,提高了感热单元的温升效果。另外,框架还通过热扩散使相邻单元产生了“预温升”现象,它通过线性叠加大幅度提高了感热单元的温升。这些特性使得无基底FPA的热转化效率大幅度得到提升,约为有基底FPA的两倍之多。在热机械性能方面,由于无基底FPA的支撑框架是变温结构,框架温升比率高达94%,各感热单元变形梁的温升几乎相等,其热机械响应与有基底FPA相比,最大可提高约33%。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-28
  1.1 引言  10
  1.2 红外探测技术的发展  10-11
  1.3 红外探测器的分类  11-12
    1.3.1 量子型探测器  11-12
    1.3.2 热型探测器  12
  1.4 光学读出式红外探测器的研究进展  12-16
  1.5 光机械式红外探测器所采用的光学读出系统  16-17
  1.6 本文使用的光学读出成像系统  17-18
  1.7 无基底热探测焦平面阵列（FPA）  18-24
    1.7.1 双材料微悬臂梁热变形原理  18-20
    1.7.2 无基底焦平面阵列的结构及其特点  20-22
    1.7.3 热变形灵敏度分析  22-24
  1.8 红外探测器性能分析  24-26
    1.8.1 红外探测器的性能参数  24-25
    1.8.2 系统噪声分析  25-26
  1.9 本课题组研究进展  26-28
第二章加强梁结构FPA 性能分析  28-54
  2.1 有限元法  28-33
    2.1.1 有限元分析  28
    2.1.2 有限元软件ANSYS  28-29
    2.1.3 模态分析  29-30
    2.1.4 简化模型的建立  30-33
  2.2 激光位移传感器实验  33-35
    2.2.1 激光位移传感器  33-35
    2.2.2 试件的激振  35
  2.3 简化模型有效性的验证  35-39
    2.3.1 简化模型计算结果  36-38
    2.3.2 激光位移传感器实验结果  38-39
  2.4 加强梁结构性能分析  39-53
    2.4.1 单层膜结构  40-43
    2.4.2 区域加强梁结构  43-46
    2.4.3 框架加强梁结构  46-50
    2.4.4 混合加强梁结构  50-52
    2.4.5 分析与讨论  52-53
  2.5 本章小结  53-54
第三章无基底FPA 热学与热机械性能分析  54-71
  3.1 ANSYS 热应力分析法概述  54-55
  3.2 FPA 热学性能分析  55-66
    3.2.1 热分析有限元模型  55-57
    3.2.2 稳态热分析  57-66
  3.3 FPA 热机械性能分析  66-70
    3.3.1 热机械有限元模型  66-67
    3.3.2 有限元结果分析  67-69
    3.3.3 热机械性能参数的计算  69
    3.3.4 热机械模型的修正  69-70
  3.4 本章小结  70-71
第四章总结与展望  71-73
  4.1 本文工作总结  71-72
  4.2 未来工作展望  72-73
参考文献  73-78
致谢  78-80
在读期间发表的学术论文及取得的其他研究成果  80

无基底焦平面阵列性能分析与研究

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