无基底焦平面阵列的红外成像性能分析

　　0 引 言

　　红外成像技术在军民两领域都有广泛的应用。相对于制冷型红外成像技术，非制冷红外成像技术由于成本低、能耗小、维护方便而越来越受重视[1]。传统的电学读出非制冷红外成像技术，是在硅基底上制作微读出阵列电路，然后利用牺牲层工艺制作站立在基底上的感热单元阵列，通过布置在感热单元腿中的导线，检测单元热致温升所引起的物理性能变化，如电导率、电容等。由于基底的热容远大于感热单元，在热学模型上考虑为恒温基底，因此，各感热单元彼此独立、互不影响，感热单元的总热导只考虑辐射热导和单元腿与恒温基底间的热导(考虑真空环境，空气的热导被忽略)。随着MEMS 工艺的发展，光学读出双材料微悬臂梁阵列作为一种新型的非制冷红外成像技术开始受到关注和广泛的研究[2-4]。光学读出方式不需要在感热单元中引入电流读出电路，降低了FPA 的制作难度和成本，提高了感热单元的热隔离效果，并且使制作大阵列FPA 更加容易。

　　在光学读出非制冷红外成像技术的研究中，提出了在FPA 谱平面进行刀口滤波的光学读出方法[5-6]，并设计了一种单层膜无基底的双材料微悬臂梁阵列结构[7-8]。先后制造了单元尺寸为200、120、60 μm的FPA[6-14]，并获得了室温下的红外图像，温度分辨率达到了100 mK 量级[14]。针对这些实验结果，在此前的模型分析中，FPA 的支撑框架由于热导较大而被考虑为恒温基底，微梁单元间互不影响。当单元尺寸为120 μm 时，理论响应(16 Gray/K)与实验结果[13](25 Gray/K)能够互相吻合;但当单元尺寸减小到60 μm 时，实验结果[14](71 Gray/K)比理论响应(6 Gray/K)高出一个数量级，两者的巨大偏差表明恒温基底模型不适合单层膜无基底FPA。文中对比了课题组所做的一系列实验结果，并结合无基底FPA 与有基底FPA 的结构差异，考虑了FPA 支撑框架的温升以及微梁单元间的相互影响，通过有限元分析方法，模拟分析了不同尺寸的微梁单元在无基底FPA 中的热学行为，解释了当单元尺寸逐渐减小时，恒温基底模型偏差逐渐增大的原因，并分析了无基底FPA 的红外成像性能。

　　1 恒温基底模型

　　1.1 热转换效率

　　热转换效率H 是衡量红外探测器性能的一个重要指标，定义为热源单位温升(ΔTS)所引起的微梁单元温升(ΔTC)。当FPA 支撑框架温度恒定(ΔTF =0)时，热转换效率H 可表述为[2]：

　　式中：Apixel 是微梁单元红外吸收板的面积;Gtotal 是微梁单元的总热导;τ 是红外成像系统的透过率(τ=0.9);ε 是微梁单元的红外吸收系数(ε Au=0.01;ε SiNx =0.8);Fno 是红外透镜的F 数(Fno =0.8);dP/dTS是黑体的单位温度辐射率，在8~14 μm 波段，300 K的黑体单位温度辐射率dP/dTS= 0.63 Wm-2K-1sr-1。