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红外焦平面微桥结构的优化研究

作 者: 王志
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 微桥结构 热学性能 力学性能 有限元分析
分类号: TN215
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 38次
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内容摘要


微测辐射热计非制冷红外探测器具有体积小、重量轻以及成本低的优点,在民用以及军事领域有着广泛的应用。微桥是微测辐射热计阵列像元的重要部分,它对像元的光学、热学以及力学性能有重要影响。本论文分别采用物理模型的解析解和有限分析结果分析了微桥的热学性能。详细研究了微桥的结构参数对温升以及热时间常数的影响,结构参数包括微桥的桥腿宽度、厚度以及像元尺寸。研究结果表明,随着桥腿宽度的增加,温升和热时间常数逐渐减小;随着桥腿厚度的增加,温升逐渐减小,而热时间常数逐渐增大。这说明,要获得高的温升,微桥结构需要窄而薄的桥腿;要使热时间常数较小,需要较宽的桥腿。因此,在微桥的设计中需要折中考虑温升和热时间常数。经微细加工工艺制成的微桥结构常常会发生弯曲变形,这对器件非常不利。本论文研究了造成微桥变形的原因。研究结果表明,薄膜的残余应力是造成微桥变形的主要原因,而热应力是其中重要的因素。论文着重分析了热应力对微桥结构的影响,细致地研究了材料性能以及微桥结构参数对形变的影响。研究结果表明,在热应力作用下,微桥会发生向上的翘曲,其最大变形位移达到了1.474μm,本文仿真结果与文献报道的观测结果相符合;其次,桥腿宽度和厚度增加时,微桥的形变逐渐减小;采用较小热膨胀系数以及较小杨氏模量的电极材料的微桥变形较小;此外,采用应变相消原理,在电极材料上沉积一层薄的氮化硅薄膜可以明显地减小微桥的变形。本论文分析了微桥结构的热学以及力学性能,这为微测辐射热计非制冷红外焦平面阵列的优化设计与制备提供了一些有价值的参考数据。特别地,关于微桥结构的形变以及微桥的平坦化问题在已有的文献中鲜见报道,本论文仔细研究了微桥变形的原因以及对其进行有效控制的办法,这对提高微测辐射热计阵列的稳定性以及成品率具有积极的意义。本论文关于微桥结构力学性能的讨论对MEMS结构设计也有参考价值。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章 绪论  9-15
  1.1 非制冷红外探测技术的发展  9-10
  1.2 微测辐射热计阵列的发展  10-13
  1.3 本论文的研究依据  13-14
  1.4 本论文研究的主要内容  14
  1.5 本论文研究的意义  14-15
第二章 微桥结构的热学分析  15-30
  2.1 微桥结构的热学分析  15-22
    2.1.1 微桥结构的热学分析模型  15-18
    2.1.2 微桥结构的解析解热学分析  18-22
  2.2 微桥结构的有限元热分析  22-29
    2.2.1 有限元分析方法及ANSYS 软件  22-23
    2.2.2 微桥结构的有限元稳态热分析  23-26
    2.2.3 微桥结构的有限元瞬态热分析  26-28
    2.2.4 像元尺寸对微桥结构热学性能的影响  28-29
  2.3 本章总结  29-30
第三章 微桥结构的力学分析  30-44
  3.1 微桥结构的变形及其原因分析  30-31
  3.2 薄膜的残余应力产生的根源  31-33
    3.2.1 本征应力  31-32
    3.2.2 热应力  32-33
  3.3 残余应力对微结构的影响  33-35
    3.3.1 残余应力引起微悬臂梁的弯曲  33-34
    3.3.2 压应力导致固支微梁的屈曲  34
    3.3.3 残余应力影响谐振结构的响应频率  34-35
  3.4 薄膜残余应力的控制  35-38
    3.4.1 控制制备工艺条件  35-36
    3.4.2 退火  36
    3.4.3 应变相消  36-37
    3.4.4 其它控制残余应力的方法  37-38
  3.5 重力对微桥结构的影响  38-39
  3.6 氮化硅薄膜本征应力对微桥结构的影响  39-40
  3.7 本征应力梯度对微桥结构的影响  40-43
  3.8 本章总结  43-44
第四章 热应力对微桥结构的影响  44-53
  4.1 热应力对微桥结构的影响研究  44-46
  4.2 材料性能对微桥形变的影响  46-47
  4.3 结构参数对微桥形变的影响  47-52
    4.3.1 支撑层厚度和宽度对微桥形变的影响  48-49
    4.3.2 电极厚度对微桥形变的影响  49-50
    4.3.3 钝化层对微桥形变的影响  50-52
    4.3.4 桥腿上的倒角对微桥变形的影响  52
  4.4 本章总结  52-53
第五章 结论与展望  53-55
  5.1 研究结论  53-54
  5.2 发展与展望  54-55
致谢  55-56
参考文献  56-60
作者攻读硕士期间取得的研究成果  60-61

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 光电子技术、激光技术 > 红外技术及仪器 > 红外探测、红外探测器
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