光学读出微梁阵列红外成像及性能分析

熊志铭; 张青川; 陈大鹏; 伍小平; 郭哲颖; 董凤良; 缪正宇; 李超波

doi:10.7498/aps.56.2529

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摘要
在构建的光学读出微梁阵列(焦平面阵列FPA)非制冷红外成像系统中，实现了无硅基底FPA置于空气中对人体的热成像. 通过FPA在不同真空度环境条件下的成像结果进行比较，分析了热导和系统噪声值随气压变化的关系，以及对系统成像性能的影响，并对气体分子热运动自由程大于空气传热层特征尺度时的气体热传导模型进行了修正分析和实验验证. 实验结果表明：FPA置于空气中时，气体分子撞击微梁引起的微梁反光板无序振动产生的光学读出噪声成为系统噪声的主要来源. 当真空度小于1Pa时，总热导和光学读出噪声值的变化都趋于平缓；当真空度小于10-2Pa时，空气热导的影响可忽略，总热导降低到微梁感热像素的辐射极限，光学读出噪声也降低到一极小值. 实验结果与理论分析相符合.

关键词:
非制冷红外成像 /

光学读出 /

双材料微梁阵列 /

热导
Abstract
The uncooled IR imaging technology has wide applications. Using the optical readout uncooled IR imaging system built in our laboratory, thermal images of human body are obtained successfully by placing a bi-material micro-cantilever array (FPA) without silicon substrate in air. By comparing the IR imaging results obtained by placing FPA under different vacuum pressures, the pressure dependence of the thermal conductance and system noise is modeled, and the influence to the system performance is analyzed. The model of thermal conductance of gas is analyzed and verified experimentally on condition that the mean-free path of the gas molecules is larger than the gas gap between the bi-material cantilever and the wall of vacuum chamber. Experimental analysis indicates that for FPA working in air, the random vibration noise of the cantilever impacted by the gas molecules' thermal motion is the main source of the system noise. When the pressure decreases to lower than 10-2 Pa, the influence of gas conductance can be neglected, the total thermal conductance decreases to the limit of radiative conductance, and the random vibration noise of the cantilever is reduced to a minimum. The experimental results and theoretical analysis agree well.

Keywords:
uncooled infrared imaging /

optical readout /

bi-material micro-cantilever array /

thermal conductance
作者及机构信息
熊志铭¹,

张青川¹,

陈大鹏²,

伍小平¹,

郭哲颖¹,

董凤良¹,

缪正宇¹,

李超波²

(1)中国科学技术大学，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：10232030，50076040和10472111)资助的课题.
Authors and contacts
Xiong Zhi_Ming¹,

Zhang Qing_Chuan¹,

Chen Da_Peng²,

Wu Xiao_Ping¹,

Guo Zhe_Ying¹,

Dong Feng_Liang¹,

Miao Zheng_Yu¹,

Li Chao_Bo²

(1)中国科学技术大学，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029
参考文献

施引文献

[1]	吴成伟, 任雪, 周五星, 谢国锋. 多孔石墨烯纳米带各向异性和超低热导的理论研究. 物理学报, 2022, 71(2): 027803. doi: 10.7498/aps.71.20211477
[2]	吴成伟, 任雪, 周五星, 谢国锋. 多孔石墨烯纳米带各向异性和超低热导的理论研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211477
[3]	周欣, 高仁斌, 谭仕华, 彭小芳, 蒋湘涛, 包本刚. 多空穴错位分布对石墨纳米带中热输运的影响. 物理学报, 2017, 66(12): 126302. doi: 10.7498/aps.66.126302
[4]	卿前军, 周欣, 谢芳, 陈丽群, 王新军, 谭仕华, 彭小芳. 多通道石墨纳米带中弹性声学声子输运和热导特性. 物理学报, 2016, 65(8): 086301. doi: 10.7498/aps.65.086301
[5]	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
[6]	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
[7]	姚海峰, 谢月娥, 欧阳滔, 陈元平. 嵌入线型缺陷的石墨纳米带的热输运性质. 物理学报, 2013, 62(6): 068102. doi: 10.7498/aps.62.068102
[8]	彭小芳, 陈丽群, 罗勇锋, 刘凌虹, 王凯军. 含双T形量子结构的量子波导中声学声子输运和热导. 物理学报, 2013, 62(5): 056805. doi: 10.7498/aps.62.056805
[9]	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
[10]	鲍志刚, 陈元平, 欧阳滔, 杨凯科, 钟建新. L型石墨纳米结的热输运. 物理学报, 2011, 60(2): 028103. doi: 10.7498/aps.60.028103
[11]	叶伏秋, 李科敏, 彭小芳. 低温下多通道量子结构中的弹性声子输运和热导. 物理学报, 2011, 60(3): 036806. doi: 10.7498/aps.60.036806
[12]	彭小芳, 王新军, 龚志强, 陈丽群. 量子点调制的一维量子波导中声学声子输运和热导. 物理学报, 2011, 60(12): 126802. doi: 10.7498/aps.60.126802
[13]	聂六英, 李春先, 周晓萍, 程芳, 王成志. 结构缺陷对量子波导腔中热导的调控. 物理学报, 2011, 60(11): 116301. doi: 10.7498/aps.60.116301
[14]	蒋兴凯, 张青川, 史海涛, 毛亮, 程腾, 伍小平. 基于无基底焦平面阵列红外热像仪的理论模型分析. 物理学报, 2011, 60(5): 054401. doi: 10.7498/aps.60.054401
[15]	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
[16]	姚凌江, 王玲玲. 含半圆弧形腔的量子波导中声学声子输运和热导特性. 物理学报, 2008, 57(5): 3100-3106. doi: 10.7498/aps.57.3100
[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]	赵俊, 申彩霞, 周放, 熊季午. 磁场对La2－xSrxCuO4单晶热导的影响研究. 物理学报, 2005, 54(8): 3845-3850. doi: 10.7498/aps.54.3845
[19]	蔡炜颖, 李志锋, 陆卫, 李守荣, 梁平治. Si微电阻桥温度分布与热传导特性的显微Raman光谱研究. 物理学报, 2003, 52(11): 2923-2928. doi: 10.7498/aps.52.2923
[20]	王德宁, 陈红, 王渭源. 多层衬底、高Tc超导薄膜热敏红外探测器的热导研究. 物理学报, 1992, 41(10): 1679-1985. doi: 10.7498/aps.41.1679

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光学读出微梁阵列红外成像及性能分析

1. (1)中国科学技术大学，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029

基金项目: 国家自然科学基金(批准号：10232030，50076040和10472111)资助的课题.

收稿日期: 2006-06-22

修回日期: 2006-09-01

刊出日期: 2007-05-20

摘要: 在构建的光学读出微梁阵列(焦平面阵列FPA)非制冷红外成像系统中，实现了无硅基底FPA置于空气中对人体的热成像. 通过FPA在不同真空度环境条件下的成像结果进行比较，分析了热导和系统噪声值随气压变化的关系，以及对系统成像性能的影响，并对气体分子热运动自由程大于空气传热层特征尺度时的气体热传导模型进行了修正分析和实验验证. 实验结果表明：FPA置于空气中时，气体分子撞击微梁引起的微梁反光板无序振动产生的光学读出噪声成为系统噪声的主要来源. 当真空度小于1Pa时，总热导和光学读出噪声值的变化都趋于平缓；当真空度小于10-2Pa时，空气热导的影响可忽略，总热导降低到微梁感热像素的辐射极限，光学读出噪声也降低到一极小值. 实验结果与理论分析相符合.

关键词:

Optical-readout micro-cantilever array IR imaging system and performance analysis

1.
(1)中国科学技术大学，中国科学院材料力学行为和设计重点实验室，合肥 230027; (2)中国科学院微电子研究所，北京 100029

Received Date: 22 June 2006

Accepted Date: 01 September 2006

Published Online: 20 May 2007

Abstract: The uncooled IR imaging technology has wide applications. Using the optical readout uncooled IR imaging system built in our laboratory, thermal images of human body are obtained successfully by placing a bi-material micro-cantilever array (FPA) without silicon substrate in air. By comparing the IR imaging results obtained by placing FPA under different vacuum pressures, the pressure dependence of the thermal conductance and system noise is modeled, and the influence to the system performance is analyzed. The model of thermal conductance of gas is analyzed and verified experimentally on condition that the mean-free path of the gas molecules is larger than the gas gap between the bi-material cantilever and the wall of vacuum chamber. Experimental analysis indicates that for FPA working in air, the random vibration noise of the cantilever impacted by the gas molecules' thermal motion is the main source of the system noise. When the pressure decreases to lower than 10-2 Pa, the influence of gas conductance can be neglected, the total thermal conductance decreases to the limit of radiative conductance, and the random vibration noise of the cantilever is reduced to a minimum. The experimental results and theoretical analysis agree well.

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