测辐射热计探测器中温度场有限元计算分析

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1、第!"卷第#期兵工学报-./0!"+.0#!$$!年!月%&’%%()%)*+’%(,,1230!$$!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!测辐射热计探测器中温度场有限元计算分析顾文韵皮德富周士源（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京，!#$$45）摘要本文主要介绍用有限元数值分析的方法对非致冷红外测辐射热计探测器的温度分布进行计算，其有限元模型可以对测辐射热计探测器热敏层表面的稳态和瞬态温度场进行仿真。主要通过对探测器敏感层温度场的计算，考虑探测器结构尺寸对其

2、性能参数的影响，起到优化设计的作用。仿真结果分析证明了热绝缘结构在探测器设计中是占有重要地位的，同时说明本文所做工作是有意义的。经大量运算，与有关数据进行对比分析，计算结果准确可靠。关键词测辐射热计；有限元；温度场；热传导中图分类号’+!#6测辐射热计属于热探测器，其热敏材料的电导率依赖于温度，所以当辐射引起热敏材料温度上升时，表现为探测器电阻的变化。因此，探测器热敏层的温度分布对分析探测器性能有重要作用。本文主要提供了用有限元方法对该温度场进行数值计算的专用软件，同时改变探测器的结构尺寸，分析它们对探测器上温度分布的影响。该软件用17(’(%,+语言编写，

3、在一般的8&机上即可使用。图#0#物理简化模型!有限元模型的建立1?@0#0#%>?9A/?B?2CADE>?FG/9.C2/热敏层在由多个薄膜层构成的测辐射热计探测时间；$+H·9I#·=I#为材料的导热系数；器中起着关键的作用，它是由半导体材料制成的。!+J@·9I"为材料的密度，作常数处理；%&+K·J@I#·=I#为为了提高探测器的灵敏度，将其设计成桥状结构以形成良好的热绝缘。所以，热敏层由金属“腿”支撑材料的定压比热，作常数处理；*<+H·9I"为材料的于含有读出电路的硅基底之上。其简化物理模型如内热源强度，作常数处理。图#0#所示。其中热敏探测部

4、分的尺寸为5$!9:!"!边界、初始条件和内热源问题5$!9；支撑腿的宽为6!9，长度可变；薄膜层厚度为为了得到固体导热的偏微分方程的唯一解，必$0#!9;须附加边界条件和初始条件。这里四条“腿”底端始研究测辐射热计探测器的温度分布是基于传热终为基底的温度，符合传热学的第一类边界条件：学的理论进行的。在传热学中，具有内热源和瞬态!#"$$L（#0!）温度场的固体导热微分方程为其余各边界均属于第三类边界条件：$!!!!*"!#"("(<（#0#）"!""(!!$),$#"（!,!B）（#0"）!%&"’")"-式中，!+=为物体的瞬态温度；"+>为过程进行的式

5、中，"是换热系数；!B是与物体相接触的流体介!$$$年#!月收稿，!$$#年##月定稿。$$!兵工学报第)"卷质的温度。这里设探测器处于真空中，因此!!!，种材料，所以在网格剖分程序中应注意两种材料交属于绝热边界条件。界处的单元剖分。假设整个探测器的初始温度是均匀的，并且它由剖分图可见，热敏探测部分有$&层单元，支的初始温度与环境温度相等：撑腿部分有$!层单元，单元总数为)"’个，节点总"!!"!!#（$%&）数为)?+个。此外，（$%$）式中右边第三项代表内热源项。由探测器其它各层如保护层、吸收层的剖分情况于测辐射热计探测器工作在一个给定的偏置功率之与热敏

6、层类似，均有二百多个节点。下，由此产生的焦耳热即为热敏层的内热源。此处$计算结果的分析设偏置功率为"%’’［)］!(*!"#非稳态温度场的总体合成公式$"!计算结果（$%$）式的左端项显示探测器的温度分布还存在有限元数值计算过程中，对探测器的辐射热在一个随时间变化的瞬态温度场的问题。研究探测传递作了合理的简化：假定探测器底部的辐射系数器的瞬态温度分布能很容易地分析探测器的响应过为零，其上表面的辐射系数为!%@*由于有限元分析程，对获取探测器的有关重要性能参数（如响应时是无法对辐射损失进行处理的，因此还必须将其转间）有很大的帮助。化成探测器表面的等效热传导。通

7、过变分计算，瞬态温度场的有限元总体合成图"%$展示了支撑腿长为)!!7的热敏层的温公式为［$］度分布。可见，在"%’’的直流偏置条件下，热敏!(［!］｛"｝#$［#］｛!"%!#｝#!｛$｝#（$%+）探测部分的温度分布是起伏不平的，并在支撑腿部式中，系数矩阵［!］称为温度刚度矩阵；［#］为非稳分有显著的下降。而探测器的瞬态温度场的情况见态变温矩阵；｛"｝是未知温度值的列向量；｛%｝是相图"%)所示，它是支撑腿长为)!!7的热敏层表面关常数项的列向量。#网格的剖分由图$%$可以看出探测器热敏层的结构是对称的，所以只取有阴影的象限来计算分析即可。剖分图如图)%

8、$所示。由于热敏层的结构非常规则，所图"%$支撑腿长