碳纳米管微悬臂梁红外探测器的优化设计

对复合层微悬臂梁红外探测器进行了理论分析，并建立了相应的理论模型，实验研究了在硅基底上生长碳纳米管的吸热特性，优化设计了一种生长有碳纳米管的三层硅微悬臂梁谐振式红外探测器。该探测器基于复合层微悬臂梁的谐振频率随着微悬臂梁温度的改变发生漂移的特性，在一定的红外辐射下，微悬臂梁的温度会随着辐射光强的强弱而发生变化，从而根据微悬臂梁谐振频率的漂移而感知温度变化实现对辐射光的探测，利用碳纳米管的红外吸收特性，在二层微悬臂梁上生长碳纳米管薄膜作为吸收层，提高了微悬臂梁探测器的红外吸收性能。研究表明：其功率灵敏度可达fw级，比传统的静态测试方法提高了两个数量级。而且这种基于微机电系统技术的传感器与集成电路工艺是兼容的。     

基于VO_2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO2 薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料 .研究中应用微电子工艺制备了VO2 溅射薄膜红外探测器 ,在 2 96K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对 873K标准黑体源 8— 12 μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压 ,在 10和 30Hz的调制频率下其响应率分别大于 17kV/W和接近 10kV/W .该探测器实现了探测率D 大于 1 0× 10 8cmHz/W ,热时间常量为 0 0 11s的 8— 12 μm非致冷红外探测     

微机械生化传感器

自从Clark和Lyons在1962年研制出第一个生物传感器以来,探测各种生物和化学分子的生化传感器相继问世.这类传感器的基本原理是通过生化敏感层,被分析分子在敏感层上的物理或化学吸附被换能器转化为电信号.在众多的设计中,将活泼的生化敏感材料涂镀在硅器件表面是一个最有新意的设想.以往的硅生化传感器多设计为膜片式,器件的灵敏度受到限制.硅微机械悬臂梁是一种灵敏度极高的器件,近年来在传感器领域受到关注.文章总结了目前世界上硅基微悬臂梁生化传感器的最新发展动态.对几种硅悬臂梁的设计方法和工作原理进行了讨论,并给出了几种新型微生化气体和液体传感器检测不同有机分子和生物分子的结果.     

微悬臂梁探测器的理论模型及优化设计

对基于微悬臂梁的光学和红外探测技术进行了理论分析,并建立了相应的理论模型,在此基础上对该类探测器进行了优化设计,包括：微悬臂梁材料的优化选择、金属镀膜材料及厚度的优化选择以及光辐射吸收层材料的选择。最终给出了一种新型的三层结构微悬臂梁探测器,理论上这种新型结构的探测器比现报道的同类探测器灵敏度高出20多倍,噪声等效功率降低了85％－70％。     

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

U形阵列式微机械悬臂梁的研究

为提高悬臂梁的分辨率，实现悬臂梁的多功能性，设计了一种U形阵列式压阻悬臂梁.从理论上对悬臂梁的应力、噪声和灵敏度进行分析，优化了悬臂梁及力敏电阻的几何尺寸.选用多晶硅为力敏材料，基于硅微机械加工技术，制备U形阵列式悬臂梁.测量悬臂梁的噪声及灵敏度，得到多晶硅力敏材料的Hooge因子和应变灵敏度系数，分别为3×10^-3和27.在6V偏压和1000Hz测量带宽条件下，计算悬臂梁的最小可探测位移为0.5nm.同时对多晶硅力敏电阻噪声的产生机理进行了探讨. 关键词： 悬臂梁 噪声 灵敏度 最小可探测位移     

微环谐振腔加速度传感器光谱特性研究

为满足加速度传感器微型化、低成本的需求,提出了一种带有单微环谐振腔的悬臂梁式光学加速度传感器结构,采用耦合模和传输矩阵理论求取了微环谐振器的传递函数,利用检测同一波长处光强度变化的新测量方法实现了对加速度的探测,从而得到了加速度传感器的灵敏度和探测极限,深入研究了不同结构参数对系统灵敏度的影响,数值仿真并分析了输出端口的光谱特性。结果表明：加速度传感器在外界加速度作用时,悬臂梁在应力的作用下会发生弯曲,使得固定在悬臂梁上的微环谐振器发生形变,即微环谐振器的长度和折射率都发生了变化,从而光在微环谐振器中的传输特性发生变化,因此可以通过探测微环输出端光场强度的变化来测定加速度值;悬臂梁的长度、厚度以及微环谐振腔的固定位置都是影响加速度传感器性能的直接因素,并且选择最佳的结构参数可以有效地提高系统灵敏度和精度。经过数值仿真,对于信噪比为30 dB系统,波长在1.515 μm处,悬臂梁的长度、厚度分别为180和3 μm时,系统的灵敏度可达到2.112 g-1,探测极限为1.421×10-3 g,因此在悬臂梁可承受的范围内,选取长度较长的悬臂梁结构能够有效地改善系统的灵敏度和探测极限。该结构为制备高灵敏度、低成本、易于加工的加速度传感器及可嵌入式微型光学器件提供理论基础。     

微机械生化传感器

自从Clark和Lyons在1962年研制出第一个生物传感器以来，探测各种生物和化学分子的生化传感器相继问世。这类传感器的基本原理是通过生化敏感层，被分析分子在敏感层上的物理或化学吸附被换能器转化为电信号。在众多的设计中，将活泼的生化敏感材料涂镀在硅器件表面是一个最有新意的设想。以往的硅生化传感器多设计为膜片式，器件的灵敏度受到限制。硅微机械悬臂梁是一种灵敏度极高的器件，近年来在传感器领域受到关注。文章总结了目前世界上硅基微悬梁生化传感器的最新发展动态。对几种硅悬臂梁的设计方法和工作原理进行了讨论，并给出了几种新型微生化气体和液体传感器检测不同有机分子和生物分子的结果。     

基于VO2薄膜非致冷红外探测器光电响应研究

VO₂薄膜是非致冷微测辐射热红外探测器热敏电阻材料.研究中应用微电子工艺制备了VO₂溅射薄膜红外探测器,在296K的环境中测试了该探测器在不同的直流偏置、光调制频率下对873K标准黑体源8—12μm红外辐射的光电响应以及器件的噪声电压,在10和30Hz的调制频率下其响应率分别大于17kV/W和接近10kV/W.该探测器实现了探测率D大于1.0×10⁸cm (Hz)^1/2/W,热时间常量为0.011s的8—12μm非致冷 关键词： 非致冷测辐射热探测器 红外探测器 二氧化钒 薄膜     

燃烧喷焰的红外辐射特性分析

在探测燃烧形成的火焰目标时,由于不同红外波段辐射特性不同,不同波段下成像效果差异明显。以喷枪火焰为研究对象,用仿真与实验相结合分析了其在近红外(0.9～1.7 μm)、中红外(3.8～4.7 μm)、远红外(7.5～13 μm)三个波段下的红外辐射特性。从气体辐射理论出发,根据辐射传输方程对喷焰在0.9～1.7 μm、3.8～4.7 μm、7.5～13 μm三个波段下的红外辐射特性进行了计算和比较。通过辐射成像实验,对响应波段的辐射图像信息进行了采集,并与仿真计算结果进行了比对分析。结果表明:在640×512分辨率下火焰的中波红外成像目标像素约10 000个,包含了最多的信息量,其红外辐射强度最大,长波红外有效目标像素约7 000个,但其红外辐射分布最广且受环境影响最小,近红外成像像素约3 400个。为各类动力目标的探测和识别以及图像的融合、信息增强等提供了依据。     

基于差频中红外激光的痕量气体高分辨光谱检测研究

研究了基于差频光源的高分辨中红外激光光谱检测系统,差频中红外光源使用两台近红外半导体激光器作为种子光源,采用PPLN晶体作为非线性混频器件,结合准相位匹配技术实现了3.2～3.7μm中红外相干光源输出,最大差频输出功率约为1μW.以CH4为例检验了系统的高分辨红外光谱检测特性,选择CH4分子3028.751cm-1 v3基频吸收线作为分析谱线,10cm光程的检测限为0.8ppm.光谱数据分析表明,系统检测限主要受到标准具光学噪音的限制.     

双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.     

A novel opto-mechanical uncooled infrared detector

This paper presents a novel opto-mechanical uncooled infrared detector that has successfully been fabricated. The detector is composed of a bi-material micro-cantilever array released from the Si substrate, whose reflector retains its shape even with changes in temperature. In comparison with the generally used sacrificial layer cantilever, the loss of incident IR energy caused by the reflection from and absorption by the silicon substrate is eliminated in this substrate-free structure. Moreover, the freestanding structure of the detector makes it easy to fabricate. The revised reflector in this structure has no distortion during its activity that keeps the sensitivity of the detector from being passivated. We present an infrared (IR) image of a person’s hand to demonstrate the ability of the structure to create images. The performance test showed that the noise-equivalent temperature difference of the imaging system can reach about 175 mK.     

Diffractive lenses for high-power terahertz radiation beams

Techniques for manufacturing silicon binary (two-level) diffractive lenses and polypropylene kinoform diffractive lenses for the terahertz spectrum range are described. The elements are 1 and 0.8 mm thick, respectively. The silicon lens is manufactured in two versions: with no coating and with a parylene C (polyparaxylylene) antireflection coating. Characteristics of the diffractive optical elements are studied in the beam of a pulse-periodic free electron laser at a radiation wavelength of 141 μm and a repetition rate of 5.6MHz. The radiation resistance of the parylene coating, tested on the Novosibirsk free electron laser, was not impaired when the coating was exposed to an average power density of 4 kW cm^?2, the peak power in a 100-picosecond pulse being almost 8 MW cm^?2.     

高温二氧化碳气体红外辐射实验研究

主要介绍了依托高频等离子体风洞建立的高温气体辐射测量平台,并在此平台上开展了高温二氧化碳气体红外辐射实验测量。介绍了高频等离子体风洞的运行原理、流场特性及工作介质;介绍了实验测量的条件、装置、标定、数据处理方法和结果分析;通过自建的高温气体发射光谱测量平台实验测量了二氧化碳气体在1 500～3 000 K范围内4个温度点的红外发射光谱;介绍了Abel变换在测量二氧化碳气体红外辐射空间分布中的应用,通过Abel变换获得了高温下二氧化碳气体红外辐射的空间分布结果; 分析了高温二氧化碳气体在4.3 μm附近的红外辐射的强度及其中心波长随温度变化的分布,得到了发射峰中心波长随温度的升高向长波方向展开的结果,并与文献结果进行了对比分析。     

Determination of Young's modulus of epoxy coated polyethylene micro-cantilever using phase-shift shadow moiré method

Young′s moduli of various epoxy coated polyethylene terephthalate (PET) micro-cantilevers were determined from the deflection results obtained using the phase-shift shadow moiré (PSSM) method. The filler materials for epoxy coatings were aluminum and graphite powders that were mixed with epoxy at various percentages. Young′s moduli were calculated from theory based on the deflection results. The PET micro-cantilever coated with aluminum-epoxy coating showed increasing value of Young′s modulus when the ratios of the aluminum-epoxy were increased. The graphite-epoxy coating on the PET micro-cantilever also showed the same trend. The experimental results also show that Young′s modulus of the graphite-epoxy coating is higher than aluminum-epoxy coating in comparison at the same mixing ratio.     

Infrared radiation characteristics of liquid oxygen/kerosene rocket engine plume with different number of nozzles

A method for calculating the liquid oxygen (LOX)/kerosene rocket engine plume infrared radiation characteristics was proposed, infrared radiation characteristics of the gas oxygen/kerosene model engine were studied by simulation and experiment, and the accuracy of the method was proved. On this basis, studies on infrared spectral radiation characteristics and infrared imaging characteristics of single- and double-nozzle 120?ton thrust LOX/kerosene engine plume were carried out. It is found that, the engine nozzle number can be determined according to infrared imaging characteristics of the engine plume at the appropriate detection angle. Compared to using 2–5?µm band, the infrared radiation imager with clearer plume structure can be obtained using the spectral band such as 2.7 and 4.3?µm bands. The change in the detection angle and the increase in the engine number will have a significant effect on the infrared radiation intensity of the LOX/kerosene engine plume, but they will not change the infrared spectral radiation characteristics.     

一种红外目标模拟器黑体辐射源选型的计算方法

在光电系统测试中目标模拟器是必不可少的测试设备,黑体辐射源是红外目标模拟器的关键部件,它的选型直接影响着红外目标模拟器的性能。从黑体探测灵敏度与系统探测灵敏度的关系,推导出黑体辐射源的温度计算公式,以此计算黑体辐射源所需的最低温度点。通过仿真验证了计算方法的正确性,为黑体辐射源的选型提供了理论依据。     

舰船尾迹和海面红外仿真成像

舰船在军事领域有着极其重要的地位,其尾迹对海面的温度和高度都会造成相较明显的变化,且具有持续时间长、不易消除等特点,所以模拟舰船尾迹和海面红外辐射图像可以更为直观地识别舰船目标,具有强烈的军事需求。以MODTRAN软件模拟的不同背景环境下大气对8μm～14μm波段的透过率为数据基础,结合Cox-Munk坡度概率分布模型并考虑海浪遮挡因素建立了一种舰船尾迹红外辐射模型,模拟了不同背景环境、不同探测距离的红外尾迹图像。仿真结果表明：相同探测条件下,随着探测距离增大,舰船尾迹辐射亮度减小,但粗糙海面对红外辐射的遮挡作用显著减弱,海面舰船尾迹更易被识别;大气传输模型对红外成像结果影响较大,夏季背景辐射能量大且海面平均遮挡作用小,舰船尾迹红外成像更为清晰。     

微悬臂梁FPA红外成像系统实时图像去噪算法研究

基于MEMS热传感效应的红外成像有着独特的优势。利用双材料微悬臂梁制作了MEMS IR FPA,并构建了红外成像系统。针对基于双材料微悬臂梁FPA红外成像系统中的图像噪声,提出了离散量和平均灰度的红外图像实时处理算法,解决了灰度阈值分割法在去除噪声的同时滤除掉目标物体像素、使红外图像细节丢失且灰度级减少的问题,在目标物体像素损失较小的情况下,去除了目标物体周围的随机噪声及背景噪声,提高了信噪比。