搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析

蒋兴凯 张青川 史海涛 毛亮 程腾 伍小平

引用本文:
Citation:

基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析

蒋兴凯, 张青川, 史海涛, 毛亮, 程腾, 伍小平

Analysis of theoretical model of thermal infrared imager based on the substrate-free focal plane array

Jiang Xing-Kai, Zhang Qing-Chuan, Shi Hai-Tao, Mao Liang, Cheng Teng, Wu Xiao-Ping
PDF
导出引用
  • 基于双材料微悬臂梁热变形原理的光学读出非制冷红外探测阵列经历了从有基底结构向无基底结构的发展过渡,无基底阵列的红外成像结果和有限元模型分析均表明无基底阵列不满足恒温基底条件.本文结合电学比拟的方法,提出了一种新的基于无基底焦平面阵列(focal plane Array,FPA)的热传递分析的理论模型.分析采用整体考虑的思路,避开了无基底FPA阵列各单元热传递互相影响所产生的复杂热分布分析,并考虑了框架对热量的吸收与传递.理论模型采用外边框与环境等温的边界条件,虽不及有限元方法对边界条件的处理灵活,但也已取
    Based on thermal deformation of bi-material microcantilever, the focal plane array (FPA)of uncooled optical readout infrared(IR) imaging system has undergone a development from substrate array to substrate-free array. The experimental imaging result and finite element method (FEM) analysis indicated that the substrate-free focal plane array (FPA) did not accord with the condition of constant frame temperature. This paper proposed a new theoretical model on thermal transmission of substrate-free FPA with electrical analogy method. Considering the system as a whole, the analysis of complex thermal interaction of adjacent elements could be averted while the heat absorption and transmission of frame could be considered. The temperature of outer frame was set to be equal to the ambient temperature as a boundary condition. Although it was not so flexible compared with FEM analysis when dealing with the boundary condition, the theoretical model was proved to correspond with the experimental result, and could be used as an approximate formula in thermal response calculation of substrate-free FPA. The model avoids the complication of FEM analysis, especially for large arrays. Further more, the model can be used for substrate-free FPA dimensions design and optimization under certain response target.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:10872191,10872189,10732080)资助的课题.
    [1]

    Rogalski A 2003 Prog.Quant.Electron 27 59

    [2]

    Chen C H, Yi X J, Xiong B F 2001 Acta.Phys.Sin. 50 450(in Chinese) [陈长虹、易新建、熊笔锋 2001 物理学报 50 450]

    [3]

    Mao M, Perazzo T, Kwon O, Majumdar A, Varesi J, Norton P 1999 Proc.IEEE MEMS 100

    [4]

    Ishizuya T, Suzuki J, Akagawa K, Kazama T 2001 J.Institute of Image Information and Television Engineers 55 304

    [5]

    Ishizuya T,Suzuki J, Akagawa K, Kazama T 2002 Proc.IEEE MEMS 578

    [6]

    Zhao Y, Mao M, Horowitz R,Majumdar A,Varesi J,Norton P, Kitching J 2002 J.MEMS 11 136

    [7]

    Senesaca L R, Corbeil J L,Rajic S,Kazama T 2003 Ultramicroscopy 97 451

    [8]

    Dong F L, Zhang Q C, Chen D P, Pan L, Guo Z Y, Wang W B, Duan Z H, Wu X P 2006 Sensors and Actuators A 133 236

    [9]

    Shi S L, Chen D P, Li C B, Jiao B B, Ou Y, Jing Y P, Ye T C, Guo Z Y, Zhang Q C, Wu X P 2007 Meas.Sci.Technol 18 1321

    [10]

    Miao Z Y, Zhang Q C, Guo Z Y, Wu X P, Chen D P 2007 Opt. Lett. 32 594

    [11]

    Xiong Z M, Zhang Q C, Gao J, Wu X P, Chen D P, Jiao B B 2007 J. Appl. Phys. 102 113524

    [12]

    Pan L, Zhang Q C, Wu X P, Duan Z H, Chen D P, Wang W B, Guo Z Y 2004 Experimental Mechanics 19 403 (in Chinese)[潘 亮、张青川、伍小平、段志辉、陈大鹏、王玮冰 2004 实验力学 19 403]

    [13]

    Xiong Z M, Zhang Q C,Chen D P,Wu X P, Guo Z Y, Dong F L, Miao Z Y, Li C B 2007 Acta.Phys.Sin. 56 2529 (in Chinese) [熊志铭、张青川、陈大鹏、伍小平、郭哲颖、董凤良、缪正宇、李超波 2007 物理学报 56 2529]

    [14]

    Dong F L, Jiao B B, Zhang Q C, Chen D P, Miao Z Y, Xiong Z M 2007 Experimental Mechanics 22 401 (in Chinese)[董凤良、焦斌斌、张青川、陈大鹏、缪正宇、熊志铭 2007 实验力学 22 401]

    [15]

    Cheng T, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Shi H T, Gao J 2009 Acta.Phys.Sin. 58 852 (in Chinese) [程 腾、张青川、陈大鹏、伍小平、史海涛、高 杰 2009 物理学报 58 852]

    [16]

    Cheng T, Zhang Q C, Chen D P, Shi H T, Gao J, Qian J, Wu X P 2010 Chin.Phys.B 19 010701

    [17]

    Miao Z Y, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Li C B, Guo Z Y, Dong F L, Xiong Z M 2006 Acta.Phys.Sin. 55 3208 (in Chinese)[缪正宇、张青川、陈大鹏、伍小平、李超波、郭哲颖、董凤良、熊志铭 2006 物理学报 55 3208]

    [18]

    Guo Z Y, Zhang Q C, Cheng D P, Wu X P, Dong F L, Miao Z Y, Xiong Z M, Li C B 2006 Experimental Mechanics 20 213 (in Chinese )[郭哲颖、张青川、陈大鹏、伍小平、董凤良、缪正宇、熊志铭、李超波 2005 实验力学 20 213]

    [19]

    Zhang Q C, Miao Z Y, Guo Z Y, Dong F L, Xiong Z M, Wu X P, Chen D P, Li C B, Jiao B B 2007 Optoelectron.Lett. 3 119

    [20]

    Kruse P W 1997 Semiconductors and Semimetals 47 17

  • [1]

    Rogalski A 2003 Prog.Quant.Electron 27 59

    [2]

    Chen C H, Yi X J, Xiong B F 2001 Acta.Phys.Sin. 50 450(in Chinese) [陈长虹、易新建、熊笔锋 2001 物理学报 50 450]

    [3]

    Mao M, Perazzo T, Kwon O, Majumdar A, Varesi J, Norton P 1999 Proc.IEEE MEMS 100

    [4]

    Ishizuya T, Suzuki J, Akagawa K, Kazama T 2001 J.Institute of Image Information and Television Engineers 55 304

    [5]

    Ishizuya T,Suzuki J, Akagawa K, Kazama T 2002 Proc.IEEE MEMS 578

    [6]

    Zhao Y, Mao M, Horowitz R,Majumdar A,Varesi J,Norton P, Kitching J 2002 J.MEMS 11 136

    [7]

    Senesaca L R, Corbeil J L,Rajic S,Kazama T 2003 Ultramicroscopy 97 451

    [8]

    Dong F L, Zhang Q C, Chen D P, Pan L, Guo Z Y, Wang W B, Duan Z H, Wu X P 2006 Sensors and Actuators A 133 236

    [9]

    Shi S L, Chen D P, Li C B, Jiao B B, Ou Y, Jing Y P, Ye T C, Guo Z Y, Zhang Q C, Wu X P 2007 Meas.Sci.Technol 18 1321

    [10]

    Miao Z Y, Zhang Q C, Guo Z Y, Wu X P, Chen D P 2007 Opt. Lett. 32 594

    [11]

    Xiong Z M, Zhang Q C, Gao J, Wu X P, Chen D P, Jiao B B 2007 J. Appl. Phys. 102 113524

    [12]

    Pan L, Zhang Q C, Wu X P, Duan Z H, Chen D P, Wang W B, Guo Z Y 2004 Experimental Mechanics 19 403 (in Chinese)[潘 亮、张青川、伍小平、段志辉、陈大鹏、王玮冰 2004 实验力学 19 403]

    [13]

    Xiong Z M, Zhang Q C,Chen D P,Wu X P, Guo Z Y, Dong F L, Miao Z Y, Li C B 2007 Acta.Phys.Sin. 56 2529 (in Chinese) [熊志铭、张青川、陈大鹏、伍小平、郭哲颖、董凤良、缪正宇、李超波 2007 物理学报 56 2529]

    [14]

    Dong F L, Jiao B B, Zhang Q C, Chen D P, Miao Z Y, Xiong Z M 2007 Experimental Mechanics 22 401 (in Chinese)[董凤良、焦斌斌、张青川、陈大鹏、缪正宇、熊志铭 2007 实验力学 22 401]

    [15]

    Cheng T, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Shi H T, Gao J 2009 Acta.Phys.Sin. 58 852 (in Chinese) [程 腾、张青川、陈大鹏、伍小平、史海涛、高 杰 2009 物理学报 58 852]

    [16]

    Cheng T, Zhang Q C, Chen D P, Shi H T, Gao J, Qian J, Wu X P 2010 Chin.Phys.B 19 010701

    [17]

    Miao Z Y, Zhang Q C, Chen D P, Wu X P, Li C B, Guo Z Y, Dong F L, Xiong Z M 2006 Acta.Phys.Sin. 55 3208 (in Chinese)[缪正宇、张青川、陈大鹏、伍小平、李超波、郭哲颖、董凤良、熊志铭 2006 物理学报 55 3208]

    [18]

    Guo Z Y, Zhang Q C, Cheng D P, Wu X P, Dong F L, Miao Z Y, Xiong Z M, Li C B 2006 Experimental Mechanics 20 213 (in Chinese )[郭哲颖、张青川、陈大鹏、伍小平、董凤良、缪正宇、熊志铭、李超波 2005 实验力学 20 213]

    [19]

    Zhang Q C, Miao Z Y, Guo Z Y, Dong F L, Xiong Z M, Wu X P, Chen D P, Li C B, Jiao B B 2007 Optoelectron.Lett. 3 119

    [20]

    Kruse P W 1997 Semiconductors and Semimetals 47 17

  • [1] 杨卫涛, 武艺琛, 许睿明, 时光, 宁提, 王斌, 刘欢, 郭仲杰, 喻松林, 吴龙胜. 碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真. 物理学报, 2024, 73(23): 232402. doi: 10.7498/aps.73.20241246
    [2] 马腾飞, 王敏杰, 王圣智, 焦浩乐, 谢燕, 李淑静, 徐忠孝, 王海. 光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的研究. 物理学报, 2022, 71(2): 020301. doi: 10.7498/aps.71.20210881
    [3] 马腾飞, 王敏杰, 王圣智, 谢燕, 焦浩乐, 李淑静, 徐忠孝, 王海. 光学腔增强Duan-Lukin-Cirac-Zoller量子记忆读出效率的实验研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20210881
    [4] 张玉燕, 殷东哲, 温银堂, 罗小元. 基于自适应Kalman滤波的平面阵列电容成像. 物理学报, 2021, 70(11): 118102. doi: 10.7498/aps.70.20210442
    [5] 冯帅, 常军, 胡瑶瑶, 吴昊, 刘鑫. 偏振成像激光雷达与短波红外复合光学接收系统设计与分析. 物理学报, 2020, 69(24): 244202. doi: 10.7498/aps.69.20200920
    [6] 张敏睿, 贺正权, 汪韬, 田进寿. 偏振双向衰减对光学成像系统像质影响的矢量平面波谱理论分析. 物理学报, 2017, 66(8): 084202. doi: 10.7498/aps.66.084202
    [7] 鞠旭东, 董明义, 周传兴, 董静, 赵豫斌, 章红宇, 祁辉荣, 欧阳群. 基于阻性阳极读出方法的气体电子倍增器二维成像性能. 物理学报, 2017, 66(7): 072902. doi: 10.7498/aps.66.072902
    [8] 安莎, 彭彤, 周兴, 韩国霞, 黄张翔, 于湘华, 蔡亚楠, 姚保利, 张鹏. 光学微操纵过程的轴平面显微成像技术. 物理学报, 2017, 66(1): 010702. doi: 10.7498/aps.66.010702
    [9] 常松涛, 孙志远, 张尧禹, 朱玮. 制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法. 物理学报, 2015, 64(5): 050702. doi: 10.7498/aps.64.050702
    [10] 袁红辉, 陈永平. 非制冷红外探测器读出电路的非均匀性研究. 物理学报, 2015, 64(11): 118503. doi: 10.7498/aps.64.118503
    [11] 姚银萍, 万仁刚, 薛玉郎, 张世伟, 张同意. 基于统计光学的正负热光非定域成像. 物理学报, 2013, 62(15): 154201. doi: 10.7498/aps.62.154201
    [12] 吴健雄, 程腾, 张青川, 高杰, 伍小平. 光学读出红外成像中面光源影响下的光学检测灵敏度研究. 物理学报, 2013, 62(22): 220703. doi: 10.7498/aps.62.220703
    [13] 赵菲菲, 赵宝升, 刘永安, 胡慧君, 曹希斌. 感应读出方式紫外光子计数成像技术的研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6306-6311. doi: 10.7498/aps.59.6306
    [14] 程腾, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 史海涛, 高杰. 无基底焦平面阵列的红外成像性能分析. 物理学报, 2009, 58(2): 852-859. doi: 10.7498/aps.58.852
    [15] 熊志铭, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 郭哲颖, 董凤良, 缪正宇, 李超波. 光学读出微梁阵列红外成像及性能分析. 物理学报, 2007, 56(5): 2529-2536. doi: 10.7498/aps.56.2529
    [16] 高国良, 钱昌吉, 李 洪, 谷温静, 黄晓虹, 叶高翔. 无格点基底表面的杂质分布对分枝状凝聚体的影响. 物理学报, 2006, 55(7): 3349-3354. doi: 10.7498/aps.55.3349
    [17] 缪正宇, 张青川, 陈大鹏, 伍小平, 李超波, 郭哲颖, 董凤良, 熊志铭. 双材料微梁阵列室温物体红外成像. 物理学报, 2006, 55(7): 3208-3214. doi: 10.7498/aps.55.3208
    [18] 沈 健, 刘守华, 沈自才, 孔伟金, 黄建兵, 邵建达, 范正修. 基底微缺陷对介质薄膜光学性能影响的理论研究. 物理学报, 2005, 54(10): 4920-4925. doi: 10.7498/aps.54.4920
    [19] 高国良, 钱昌吉, 李 洪, 黄晓虹, 谷温静, 叶高翔. 含杂质无格点基底表面分枝状凝聚体的计算机模拟. 物理学报, 2005, 54(6): 2600-2605. doi: 10.7498/aps.54.2600
    [20] 张海涛, 巩马理, 赵达尊, 闫平, 崔瑞祯, 贾维溥. 实现超分辨率的微变焦法. 物理学报, 2001, 50(8): 1486-1491. doi: 10.7498/aps.50.1486
计量
  • 文章访问数:  8424
  • PDF下载量:  616
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2010-06-19
  • 修回日期:  2010-08-24
  • 刊出日期:  2011-05-15

/

返回文章
返回