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 ........................................................................................................................................ 1 1、原理简介 ............................................................................................................................................................................... 1 2、基于MEMS的非致冷红外成像技术的读出方式 ............................................................................................................. 2 2.1、电学读出方式 .................................................................................................................................................................... 2 2.2、光学读出方式 .................................................................................................................................................................... 3

2.2.1、光学读出方式系统介绍 ......................................................................................................................................... 3 2.2.2、中科院研究的新型非制冷红外成像技术 ............................................................................................................. 5 2.2.3、尼康公司基于针孔滤波原理的光学读出方式 ..................................................................................................... 6 2.2.4、迈克耳逊干涉型光读出红外成像器件 ................................................................................................................. 7 2.2.5、法布里—泊罗干涉型光学读出热成像系统 ......................................................................................................... 8 2.2.6、其他读出方式（AFM、衍射等） ........................................................................................................................ 9 3、相关参数及总结 ................................................................................................................................................................. 10

参考文献 ............................................................................................................................................................................ 10

1、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--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的变化，比如电容、位移、偏转角等。

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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

2、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，如图2示意图所示。

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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，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

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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。

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

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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冷红外成像技术

中科大相关课题组研究的基于MEMS和光学读出的新型非制冷红外成像技术（如图4所示），在关键成果方面：（1）提出了在FPA谱平面上进行空间刀口滤波的光学读出方法。和其它光学读出方法相比，它采用了非相干的LED光源，具有高灵敏度、高分辨率、高抗震性等优点；（2）设计并实现了基于双材料微悬臂梁阵列的新概念无基底FPA（如图5所示）和传统的有基底FPA相比，它不仅制作工艺简单，避免了额外的能量损失和粘连失效问题，还大幅度提高了FPA探测单元的热转换效率和热变形效率。这些关键成果使课题组成为国内第一个实现非制冷红外成像、国际上继美国UC Berkeley、日本Nikon Corp之后，第三个实现光学读出非制冷红外成像的研究团队。

图4 基于MEMS和光学读出的非制冷红外成像技术（中科院）

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图5 无基底FPA(a)和单个探测单元(b)的结构示意图（中科院）

截至目前，课题组已制作了多批次不同结构的无基底FPA，系统级NETD最高已达到100mK，接近当前商用非制冷红外热像仪的典型指标。基于MEMS和光学读出的非制冷红外成像技术的性能在现有基础上还存在巨大的提升空间。

2.2.3、尼康公司基于针孔滤波原理的光学读出方式

Nikon 公司报道了采用基于光反射原理的方法（如图6所示）， 利用小孔滤波将变形转变为光强的变化，。在该设计中，采用表面微机械技术制作双层结构的可动微镜阵列。当没有红外辐射时，被微镜反射的入射可见光能被全部接收;当红外吸收部分吸收红外辐射，温度升高，与其相连的双材料梁发生形变，导致由双材料梁所支撑的微镜发生偏转，被微镜反射的入射可见光只能部分的被接收，于是我们得到了经过红外辐射调制过的可见光图像。其不足之处在于：为了能得到正确的红外图像，针孔板是必要的，增加了光学系统调试的难度；反射型光学读出热成像系统得到的是与实际红外辐射强度相反的可见光图像；该方法无法同时保证光学检测灵敏度和空间分辨率的要求。

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图6 尼康公司基于针孔滤波原理的红外探测器。(a)双层结构的FPA场；(b)基于针孔

滤波的光学4f处理系统；(c)人的红外图像

2.2.4、迈克耳逊干涉型光读出红外成像器件

中国科学院上海冶金研究所的张流强提出的迈克耳逊干涉型光读出红外成像器件，如图7所示，每个像元都包含连接在四条双材料梁上一个微镜， 红外辐射的吸收，会引起与双材料梁连接的微镜（采用表面微机械技术制作的可动微镜阵列）上下移动。利用光的干涉原理直接将红外辐射信号转变为可见光信号。这种设计在光路的调节上相对较为困难，并且在器件制作工艺中，利用湿法方式释放，不利于结构的成功安全释放。

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图7 像元结构示意图(左)和光学系统示意图(右)

2.2.5、法布里—泊罗干涉型光学读出热成像系统

2003年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的冯飞提出了基于法布里--泊罗干涉的光读出红外成像器件，如图8所示。法布里—泊罗腔中的一个反射面是采用体硅MEMS技术制作的可动微镜阵列，并和另一个固定反射面键合在一起构成了F-P MCRIDA。具体地，该系统包括三部分：红外光学系统；F-P MCRIDA (即传统意义上的焦平面阵列—FPA)；可见光读出部分。

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图8 法布里—泊罗干涉型光学读出热成像系统结构图

红外光学系统主要由红外透镜组构成，它将目标红外辐射成像于焦平面阵列上。可见光读出部分主要包含CCD相机(或光屏)、半透镜和激光光源(632nm)，激光由半透镜反射至F-P MCRIDA，来自法布里一泊罗微腔阵列的两个反射面的反射光再次通过半透镜，反射光干涉图像成像于CCD相机(或光屏)上，也可以由人眼接收。F-P MCRIDA是该系统的关键部件—由固定镜面、mXn的可动微镜阵列和滤光片构成，如图2.3所示。可动微镜的上表面和固定镜面的下表面构成法布里一泊罗腔的两个反射面，每个可动微镜就是一个像素，单个像素结构如图.24所示，镜面由四根固定在基底上的双层材料弯折梁支撑着，镜面有两方面的作用:一是反射光线，二是吸收红外辐射。当含有被探测目标温度分布信息的红外辐射经红外光学系统成像在F-P MCRIDA上时，红外辐射通过滤波片被镜面吸收，导致镜面区域与弯折梁的固定端之间存在一个温度梯度，双层材料弯折梁将发生弯曲，带动镜面上下运动，改变了可动微镜与固定镜面之间的距离，当微镜的位移在0-1/4波长内变化时，反射光强随之单调变化，我们用眼睛、光屏或者CCD相机就可以接受到经过红外辐射调制过的可见光图像，通过上述过程，就实现了从红外图像向增强的可见光图形的转变，其图像的获取过程可简单地表示为：红外信号—位移—可见光信号。

2.2.6、其他读出方式（AFM、衍射等）

除了上面介绍的关于反射式、干涉式的读出方式外，还有以AFM、衍射等为读出方式的系统。其中AFM（Atomic Force Microscopy），通过光点的移动检测悬臂梁的热转角，这是目前最灵敏的检测系统，可以检测原子尺度上的悬臂梁变形。但是它只使用了一个悬臂梁作为探测单元，在读出物体热像时需要进行扫描，优点是检测灵敏度高，但是这种测量方式只能实现单点测量，难于应用到阵列整体测量中，同时悬臂梁单元对热信号的响应时间长，在扫描整个阵列的时候需要较长的时间，无法实时观察。

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3、相关参数及总结

虽然各种红外探测器的工作原理各有不同,但其红外探测性能可用一些统一的参数来描述。也只有确立了红外技术中的性能参数后,才能设计红外探测系统的性能指标。通常,红外探测器的性能由以下几个参数描述：响应率、噪声等效功率、探测率、响应时间、光谱响应等。

而在这里，我们最关心的参数也是最重要的参数是噪声等效温差（温度分辨率）（NETD），在前面介绍的系统中制冷型NETD典型值为5-10mK，非制冷型NETD典型值为50-100mK，可见虽然非致冷型的NETD性能不如制冷型，但由于不需要超低温制冷，该技术在体积、成本、功耗等方面具有明显优势，仍然是人们的主流选择。而光学读出方式的NETD值已经低于100mK ，美国安捷讯、日本尼康等都在开发光学读出方式的非致冷红外成像技术。中国部分院校和科研机构也在推进相关工作。也有学者在文献中预测光学读出方式的NETD典型值可以达到制冷型的水平。

参考文献

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[2]. 刘亮.双材料微悬臂阵列非致冷热成像探测器件研究.西安工业大学硕士毕业论文，2014,4,10.

[3]. 程腾.基于MEMS技术的光学读出非致冷红外成像系统研究.中国科学技术大学博士毕业论文，2010，5.

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[4]. 杨广立.微机械反射式光读出非致冷红外成像阵列器件研究.中国科学院研究生院博士毕业论文.2007,5.

[5]. 史海涛，欧毅，陈大鹏等.基于MEMS工艺微悬臂梁阵列光学读出红外成像研究现状[J].电子工业专用设备，2007,1（144）：6-9.

[6]. 赵捷，吴文捷，孔凡武等.基于MEMS技术的光学读出红外成像系统[J].MEMS器件与技术，2008,45（1）：38-44.

[7]. 冯飞.微机械法布里-泊罗干涉型光学读出非制冷热成像技术研究.中国科学院研究生院博士毕业论文，2004,6.

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