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1、测辐射热计性能评估与预测方法的研究南京理工大学硕士学位论文测辐射热计性能评估与预测方法的研究姓名:李庆林申请学位级别:硕士专业:物理电子学指导教师:皮德富2000.1.1吨卺蕊捌辐射热计性能评估与预测疗法的研究摘要本文对一种新型的红外热探测器?测辐射热计进行了系统、深入的理论研究。用热平衡理论分析并建立了描述探测器性能的宏观数学模型。并在此基础上,进一步利用热传导理论和有限元数值计算方法建立了描述探测器性能的微观数学模型,编制了专用的热分析有限元程序,通过对一个实际探测器模型的大量数值计算。获得了探测器材料特性、结构特性特别是热绝缘结构物理参数、几何参数对测辐射热计探测器性能的影
2、响关系。本文的研究工作为测辐射热计探测器性能评估和预测方法的研究提供了重要的理论依据,也是开发测辐射热计计算机设计和仿真工具的数学基础。【关键词】测辐射热计,热分析,有限元法研究生论文专用纸型塑型垫塑堂些皇堡型翌鲨塑堕一??..?,,,.,.,.伊..:,,研究生论文专用纸型塑型垫生丝竺鲨苎堡型立苎塑竺一一论绪第一章§.研究背景非制冷测辐射热计探测器是近年来发展起来的一种新型红外探测器件。它是随着大规模集成电路制造技术和新材料技术的发展而出现的;随着固体器件工业的发展,还采用了现代半导体薄膜制造工艺。它的出现不仅使传统的红外探测器研究发生了巨大的变革,同时也使红外探测系统的广泛应
3、用成为可能。..测辐射热计红外探测器的起源红外探测器是红外探测系统的核心元件,它的性能指标直接关系到整个系统的性能。作为把入射的红外辐射能转化为其它形式能量的变换器,红外探测器有多种分类,但一般按探测机理不同,可以分为光子探测器和热探测器两大类。二战以后,随着军事上对红外热成像技术的需求,作为热成像系统核心部件的红外探测器得到了迅速的发展。六、七十年代,光伏型和光导型红外探测器的开发工作取得成功,随之带来了机械扫描式前视红外热成像和凝视型热成像系统在军事上的广泛应用。这时的红外探测器多采用光子探测器,即入射红外辐射在探测器件中激发产生光生载流子,载流子定向移动产生可测量的正比于入
4、射辐射通量的光生电荷信号。为了探测器能正常工作并获得最大的探测率,必须使探测器工作在低温制冷条件下,以限制热噪声的影响。因此热成像系统需要昂贵的制冷和杜瓦系统;这导致目前使用的红外探测系统成本高、可靠性差、维护困难,使研究生论文专用纸塑墅垫丝壁竺:望型立堕塑竺里????????????一其只能应用:关健军事装备和尖端科学技术,大大限制了它的发展。工作机理与光子探测器不同,热探测器吸收红外辐射后,先引起器件温度升高,由温升,伴随着器件襞种物理性质的变化,测量其变化大小就可以确定入射辐射的能量和功率。热探测器主要包括:热电堆、测辐射热计和热释电红外探测器等。热电堆是根据塞贝克效应检测
5、热端和冷端之间的温度梯度,信号形式是电压;测辐射热计探测温度变化引起的载流子密度和迁移率的变化,其信号形式是电阻变化;热释电效应探测温度变化引起介电常数和自发极化强度的变化,信号形式是电荷的变化。这三种情况的比较如表.和表.所示。热释电温差电堆测辐射热计极化强度原理塞贝克效应载流子浓度温度变化温度变化对象温度梯度电阻△电压△信号电荷△需要温控不需要需要不需要不需要不需要调制表.热探测器基本原理的比较热探热器工作温度时间常数探测率有效波长。类型??×≤热电偶?.≤×热电堆..测辐射热计一?≤×。热释电表四种热探测器关键性能参数的比较从表和表中可知测辐射热计探测器在综合技术性能七优于
6、其研究生论文专用纸型塑塑垫盐丝堂堂堕量堡型互堕塑竺墨???????????一它的热探测器。其优点主要在于:将薄膜技术和半导体器件工艺相结合,具有较高的动态响应范围和很好的噪声等效温差性能。由器件:艺采用硅微细加工技术,可将探测器与信号读出和处理电路集成在同一芯片上组成单芯片探测器且无须制冷、调制,制作成本大为降低。由于使用硅超大规模集成电路工艺。使得成千上万个微测辐射热计探测器可以集成在同一硅片上,制成性能优良的探测器阵列,且像素之间串扰小,像素越小,图像越清晰。.。测辐射热计红外探测器的应用将测辐射热计红外探测器和多路信号读出和处理电路集成或互连而成的非制冷红外焦平面阵列有很多
7、技术优点,主要表现在:①工作在长波红外;②能用与硅集成电路工艺相似的微机械加工技术制作;③可制成高密度阵列;④不需要制冷;⑤不需要调制;⑥全固体结构,无真空系统;⑦体积小,重量轻;⑧使用、维护简单。因此成为非制冷红外焦平面探测器发展的优选方案。其潜在的应用领域极其宽广如表.所示。正是由于有如此优良的性能和广泛的应用前景,从八十年代中期以来,世界各国的研究机构都将红外探测器研究的重点转向有可能实现低成本、低功耗、高度集成和室温工作的测辐射热计红外探测器。..测辐射热计红外探测器的国
