第1章緒論

本人自2009年起進入光測力學實驗室,參與課題組的研究工作。在對課題組之前的王作進行了學習之后發(fā)現,原有的基于恒溫基底結構的FPA分析模型逐步不再適用,實際測量值與模型的理論計算值相差達到一個數量級。為了解決這一問題,課題組先后做了很多的工作,提出了基于無基底FPA的變溫基底結構模型,以及基于紅外熱成像儀的工程應用問題。本文主要針對這個問題開展了一系列的工作:第二章:課題組通過研究發(fā)現,因為早期的FPA為娃-有基底結構,成像像素單元通過犧牲層工藝懸浮在珪基底之上,所以珪基底為恒溫結構,像素單元之間熱響應獨立,相互之間沒有熱串擾,在對其成像性能進行分析通常采用恒溫基底結構熱學分析模型。而通過對無基底FPA的有限元分析發(fā)現,其無基底支撐框架為變溫結構且像素單元之間熱響應非獨立,單個像素單元吸收的熱流心義點擴散函數的形式向外福射,所以無基底FPA的整體熱響應為陣列中單個像素單元熱響應的疊加,原有的恒溫基底結構熱學模型不再適用。本章節(jié)針對上述問題,在對其結構進行分析之后,建立了無基底FPA的熱學模型;然后通過電學比擬建立了無基底FPA的電學模型并對其成像性能進行了分析。為了進一步驗證電學模型的有效性,設計制作了像素單元尺寸的紅外探測FPA,陣列大小24維bcelx240pixel。實驗結果證明了電學模型的有效性,相比于有限元分析,該模型在大陣列FPA設計及性能分析方面優(yōu)勢明顯。

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第2章無基底FPA的等效電學模型

2.1引言

傳統(tǒng)的FPA為有基底結構,其像素單元通過犧牲層工芝懸浮在珪基底上。由于珪基底的熱容相對很大,因此被視為恒溫結構,各像素單元的熱響應相互獨立,互不影響。但在無基底FPA中,通過有限元分析發(fā)現,其支撐框架是變溫結構,單個像素單元吸收的熱流會擴散函數的形式向相鄰單元擴散,其整體熱響應是單個像素熱響應點擴散函數的線性疊加。因此,針對無基底FPA,原有的基于恒溫基底假設而僅分析單個像素單元的熱學模型不再適用,需要根據受熱區(qū)域從整體分析其熱學性能。因此,本文針對無基底的結構特點,通過電學比擬方法,提出了一個簡單快捷的分析無基底FPA熱學性能的等效電學模型。該模型綜合考慮了像素單元和支撐框架的空氣熱導對系統(tǒng)紅外成像性能的影響,通過該理論模型發(fā)現:無基底FPA在大氣壓下具有優(yōu)良的紅外成像性能。設計制作的像元尺寸無基底FPA上的實驗表明:標準大氣壓環(huán)境下,系統(tǒng)NETD為1.08K。實驗結果與理論模型分析一致。

2.2無基底FPA原理介紹

本文采用間隔鍍金雙回折結構設計制作無基底FPA,其像素單元的結構如圖2.1所示,由反光板,熱隔離梁和熱變形梁組成。其中,熱隔離梁為單材料SiNx膜,用于隔離像素單元與框架之間的熱傳導,并將像素單元側向支撐;反光板和熱變形梁為雙材料SiNx-Au膜,反光板的用于反射可見探測光,SiNx面吸收紅外福射,使熱變形梁產生溫升,由于兩種材料熱膨脹系數的巨大差異,熱變形梁發(fā)生彎曲變形,反光板出現發(fā)生熱致偏轉。間隔被金雙回折結構加大了反光板的熱致偏轉角度,顯著提高了單元的熱變形效率(繆正宇等,2007)。

第3章頰窩蛇紅外成像仿生的研究.......23

3.1引言.......23
3.2頰窩熱學性能的有限元模擬24
第4章熱合缺陷檢測裝置的研制.......41
4.1引言.......41
4.2原理及系統(tǒng)組成.......42
第5章研究生期間的其他工作.......49
5.1三維DIC形貌測量精度研究究.......49
5.2三維DIC教學裝置的研究..........53
5.3基于聲光調制的生化微梁陣列傳感裝置..............57

第5章研究生期間的其他工作

5.1三維DIC形貌測量精度研究

使用三維DIC方法對硬幣表面三維形貌進行了測量,并且使用游標卡尺與臺階儀測量了同一硬幣的局部尺寸,對實驗結果進行了比較。實驗結果表明:(1)三維DIC方法可以實現復雜物體表面三維形貌的測量,為物體表面三維數據獲取提供了一個可靠有效的測量方法。(2)實驗表明,三維DIC方法在測量硬幣表面三維形貌時精度較高測量視場大小約為30mmx30mm,形貌測量精度,即形貌測量精度可達視場大小的1/10000。(3)對比試驗表明方法系統(tǒng)平均誤差在mm量級小于1%,在量級時誤差小于5%。微米量級時誤差較大的原因是，方法計算模板的大小導致變化梯度較大部分的形貌數據被平滑,導致誤差増大。作者在第十四屆實驗力學學術會議(2015,中國重慶)上該部分研究內容為主做了分會場報告。

5.2三維DIC教學裝置的研究

三維DIC作為目前實驗力學發(fā)展最成功的非接觸全場測量方法之一,具有實驗設備簡單、測量環(huán)境要求低、測量范圍廣和精度高等優(yōu)勢,已成為工程實際應用中非接觸二維平面和三維曲表面變形場測量的最佳選擇。但是,這些優(yōu)勢是相比較己有的光學測量方法而言,對于初學者或者是剛剛接觸三維DIC的工程師來說,還是有一定的難度的。為了進一步普及三維DIC方法在高校當中的研究和實際當中的應用,有必要在相關高校開展三維DIC教學工作。目前市場可朗構買得到的三維DIC設備均為商用測量儀器,其主要的客戶為工業(yè)用戶、高校和研究所價格昂貴。最為主要的是,該類設備的設計理念抖使用方便、高效測量為主,對于一些參數的設置盡曇簡化,使得該類設備很難在實際的教學環(huán)境中得到應用。本文針對現有的問題,結合實驗室之前的工作介紹針對教學實驗研制的三維數字圖像相關系統(tǒng),包含三維應變光學測量裝置、教學實驗加載裝置和2維3維數字圍像分析教學軟件;配套的懸臂梁、三點彎化及半圓環(huán)等典型教學實驗,將測量物體表面王維形貌、位移以及應變場的基本展現給學生;通過試件表面散斑的人工裝備、系統(tǒng)的標定、圖像采集和圖像數據分析等標準操作步驟,讓學生深入的理解數字圖像相關方法的基本原理;相關計算之后,結果通過三維云圖的方式動態(tài)顯示,直觀的展現整個加載過程中試件表面的全場變化;軟件還引入了散斑圍質量評價功能化及標定結果評價因子,客觀的給學生展示出人為操作因素對計算結果和計算精度的影響。

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第6章總結與展望

6.1全文工作總結

本文針對光學讀出非制冷紅外成像系統(tǒng)中的核必部件一"無基底紅外焦平面陣列義及紅外成像在工業(yè)中的應用開展了一系列的研究工作。首先分析了無基底紅外FPA的熱學性能,提出了基于無基底FPA的等效電學模型;然后以響尾蛇的頰窩器官為樣本,進行了無基底FPA的紅外成像仿生研究工作。提出了基于鎖相紅外的方法并設計了檢測裝置。另外,作者在攻讀博士期間還從事了王維數字圖像相關研究レ:^及食品安全多殘留檢測用生化微梁陣列傳感器相關的研究工作。本文的主要工作和成果如下;(1)本文考慮了無基底FPA的三種熱傳導方式,提出了無基底FPA的熱學模型來描述反光板、微懸臂梁、支撐框架與外框之間在收到外界紅外熱福射時相互之間的熱影響;由于無基底FPA外框的熱導遠大于單個像素的熱導,所以將外框和真空腔內端面一起視為恒溫基底之后,采用電學比擬的方法,將熱流等效為電中的恒流源,熱阻等效為電阻,恒溫基底等效為接地,得到了無基底FPA的等效電學模型。實驗結果表明,無基底FPA在大氣條件下?lián)碛凶吭降某上裥阅?其NETD值與使用等效電學模型分析結果一致,證明該模型是有效的、可信的。

6.2全文工作展望

小像素單元尺寸的無基底FPA的設計與制作。伴隨著大陣列尺寸無基底FPA的研發(fā),同時必須減小單個像素單元的尺寸。期間,無基底FPA像素之間的熱串擾問題將會成為研究者所面臨的主要問題,如何解決像素之間的熱串擾并且設計制作更小尺寸的像素單元也是光學讀出非制冷紅外成像需要解決的一大難題。提高無基底FPA流片良品率�，F有的無基底FPA流片良品率偏低,表現為同一FPA之中,各像素單元之間的非一致性;同一批FPA中,每一片FPA相互之間的非一致性。甚至是像素壞點等的出現,大大影響了無基底FPA的性能,間接導致了其制作成本無法降低。在未來的發(fā)展當中,無基底FPA的制作工藝將會成為制約其發(fā)展的瓶頸,必須得到適當的解決。

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參考文獻（略）

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本文編號：80150