基于mems的非致冷红外成像技术

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1、基于MEMS的非致冷红外成像技术目录基于MEMS的非致冷红外成像技术11、原理简介12、基于MEMS的非致冷红外成像技术的读出方式22.1、电学读出方式22.2、光学读出方式42.2.1、光学读出方式系统介绍42.2.2、中科院研究的新型非制冷红外成像技术52.2.3、尼康公司基于针孔滤波原理的光学读出方式72.2.4、迈克耳逊干涉型光读出红外成像器件82.2.5、法布里—泊罗干涉型光学读出热成像系统82.2.6、其他读出方式（AFM、衍射等）103、相关参数及总结10参考文献11121、原理简介热型（非致冷）红外探测器主要是基于红外辐射的热效应

2、--像素(内含敏感元)吸收红外辐射导致其温度上升，从而引起敏感元的某些可测量的物理特性的变化，通过测量这种变化完成红外探测。这些可测量的变化包括:电阻变化、电容变化、热释电效应、Seebeck效应、气体压力变化、液晶色变和热弹性效应等等，目前已取得成功的包括电阻测辐射热计、热--电容型红外焦平面阵列、热释电探测器、铁电测辐射热计和热电堆红外探测器等。基于MEMS的非致冷红外成像技术是基于热致形变原理。双材料微悬臂梁吸收红外辐射后，温度升高，由于材料热膨胀系数的差异，悬臂梁会产生与吸收的红外辐射功率成正比的弯曲变形（如图1所示），进而引起某种物理量

3、的变化，比如电容、位移、偏转角等。只要检测出这种物理量的变化大小就能测出吸收的红外辐射功率。一般地，用于制作悬臂梁的两种材料要求具有很高的热膨胀系数差异。图1双材料梁温升后的变形122、基于MEMS的非致冷红外成像技术的读出方式2.1、电学读出方式电学读出方式主要通过测量由微悬臂梁热致变形引起的电学量的变化来检测红外辐射的大小，其中以检测电容变化为主。当双材料微悬臂梁受热变形时，感热单元和基底之间的间隙会发生变化，并导致读出电路的电容值发生变化。电容的变化大小与吸收的红外辐射成正比，然后通过微电路测量出电容值的变化进而就可获得红外辐射值的大小，如

4、图2示意图所示。图2电学读出方式示意图由于热型红外探测器的性能取决于感热单元的温升，即与感热单元的热容量和散热速度有关。增大热容，减少热导，可以提高热型红外探测器的性能。因此，采用电学读出方式的热型红外探测器在制作读出电路和提高探测器性能之间产生了矛盾：一、由于每一个感热单元都需要制作读出电路，而读出电路使用金属材料，12金属连接增加了感热单元的热导，降低了热隔离效果；二、电流在感热单元上会产生附加热量，引起额外的热噪声；三、由于感热单元产牛的物理量变化通常都很小，要求读出电路有很高的信噪比和增益，这对读出电路的设计和制作工艺提出了很高的要求。以

5、上种种原因促进了光学读出方式的红外探测器的发展。2.2、光学读出方式2.2.1、光学读出方式系统介绍这些年随着MEMS工艺的快速进步，基于微悬臂结构的各种光学读出式红外热探测器被广泛应用与该领域。该探测器的核心结构和前面所描述的相同，使用的双材料微悬臂梁结构，随着红外辐射的吸收而温度发生改变，基于不同热膨胀系数的悬臂梁将会因为结构的变化而使其角度发生转变，然后通过光学读出方式测量该角度的该变量，就可相应的转变为因红外辐射吸收的能量。关于光学读出方式的红外探测器，相比于电学读出的热型探测器的优点:第一，光学读出方式为非接触式测量，有利于提高系统的探

6、测精度;第二，光学读出方式不需要在FPA探测单元上集成微读出电路，增强了探测单元的热隔离效果，有利于提高系统的探测灵敏度;第三，光学的读出方式因为设计要求相对简单，FPA可以做成更大的面积。因此基于光学读出方式和双材料的微悬臂梁核心部件研发前景更好。12图3双材料微悬臂热成像非制冷探测系统示意图基于双材料微悬臂的红外探测系统包括红外集像、FPA和读出系统三个主体。红外集像部分采用大口径的红外透镜构成，通过透镜对光路的转变将目标场所辐射的波段为3-5um和8-14um的红外光清晰的聚焦在焦平面阵列(FPA)上；阵列上单位结构包括支撑板、双材料梁和反

7、光板。支撑梁把微梁单元支撑在基底上，并且可以起到热隔离作用，双材料梁是用于吸收红外辐射，通过因吸收而产生的角度偏转来反应红外温度。反光板与双材料梁端部相连，会随着双材料梁角度的变化而变化，继而改变反射的可见光的通量。在进行成像过程中，红外吸收面接受红外线使微量产生温升，由于组成梁的双材料热膨胀系数的不同将使得梁产生弯曲变形，因此偏转角发生相应的变化；当偏转角度发生变化时反射面反射的来自LED准直后的可见光也就会相应地变化，从而导致反光板响应像的光强发生改变，被反射的可见光经过透镜的成像作用，在CCD靶面上形成随之改变的图像；光学读出及检测系统：该

8、部分主要由分光镜、LED和CCD构成，主要功能为将反光板反射的光线通过中间光学系统成像在后置的CCD上。2.2.2、中科院研究的新型非制