单片硅微测辐射热计阵列.ppt

第三章 单片硅微测辐射热计阵列 1、概述两维微测辐射热计阵列探测器红外成像的应用 2、微测辐射热计的硅微机械加工及其在实际红外成像中的应用 第一节 微测辐射热计的背景 1、什么是红外热辐射 波长大于0.75um 的辐射。 2、什么是红外热辐射计 一种探测入射红外光引起自身温度升高的传感器。使用一种电导率随着温度变化的材料来测量温度的改变量。这样通过温度的改变量来测定入射红外光的大小。 3、红外热辐射计与其他传感器的区别 原理上：辐射计：利用入射的红外光使辐射计探测材料温度发生变化来探测的。 传感器：利用其他敏感量来测量。 探测对象：一个是红外光（热辐射），另一个是其他的敏感量（如声音、压等）。 材料上：辐射计：利用电导率随着温度变化的材料。传感器：如压力传感器可利用压电陶瓷等。 4、辐射计的发展过程 1881年Langley在别人建立的辐射计原理基础上构造出第一个辐射计。以后的工作就在于对辐射计的改进上。 1979年前，对于很多传感器上的两维阵列都是不适用的。 由于辐射计在尺寸上都很大，所以一直到 1978年Johnson(Higashi,1996)提出了适用的硅微型隔热结构作为室内温度热红外传感器。 1979年Johnson和Higashi构造了原型传感器。 原型传感器: 由机械桥型的Si3N4构成，外部为100 大小﹑厚为1μm ， 带有金属薄膜温度敏感电阻器(Higashi,1996)。构造这些装置时，使用各向异性蚀刻法制成的硅片来制作隔热的Si3N4微型桥路，对IR辐射很敏感。 1982，Kruse通过计算表明硅微型机械加工的微型辐射计可以达到接近室温下IR探测器的性能，并提出了他们作为一个两维的凝视型焦平面阵列的构造。 1982，Arch和Heiser对微机械加工的Si3N4微型辐射计做了 大量的测量。测得的D* 为109cmHz1/2/W ， D*足够在凝视焦平面中产生一个很好的噪声等效温差 。 1983年，带有微机械加工的测辐射热计的红外成像仪演示于众(Wood 1983)。 1992年，240×336元阵列的NETD值为39mk(Fno=1, 30Hz帧速)，被用于一个便携式的非致冷摄像机上 。 从1981年到1992年，微测辐射热计的发展是很机密的（Wood et al 1982-1991）。第一本关于这项工作的披露著作于1992年在美国出版。 (Flanney,Miller,1992;Wood et al 1992b;Horn Buser ,1993) 另外在Honeywell实验室，Kimura (1981)独立开展了微机械加工微测辐射热计的工作。 Downey(1984)，Liddiard (1984, 1986)以及Neikirk(1984)也做了此类工作。自从1992年起，关于这一项目的著作大量增加，可以参考附录中的参考文献。 第二节 微测辐射热计的响应率 在这一节中，我们使用电和热工作模式来推导有用的实际公式，同时对响应率进行定量估计。 1、微测辐射热计模型 假定表面的发射率为ε,热容为C,在温度T下微测辐射热计内部耗散的能量为W，辐射热计与支撑结构之间的热导为g： g=dW/dT (3-1) g由支撑臂及其周围的空气的热导决定,也由热辐射决定。定义两个支撑臂之间与温度有关的电阻为R(T)。 微测辐射热计安装图 图Fig.2中的光学装置的F数可以由几种方式 定义（Slater,1980）,其中一种为 Fno=1/2sinθ (3-3) 其中sinθ叫做数值孔径(NA)。 参考图Fig.2,辐亮度为L的辐射目标以一半锥角θ 入射到前表面面积 为A的单辐射计元上所产生的辐射能为Pt (Slater,1980)： 可用以下的另一方式表达： 因此，IR吸收功率Q为： 其中：L可由普郎克定律给出： 其中传播红外光波波段在 λ1 和λ2 之间,Tt 为目标 温度， 为目标发射率。 在图Fig.2中，由目标温度Tt 变化而引起的微测辐射热计温度的变化,用下式表示： 其中dL/dTt 的数值是很有用的（Klein,1976），并列于表3.1中。 表3﹒1 对于目标温度为290K,300K以及310K时的dL/dTt