文章编号:
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微悬臂梁探测器的理论模型及优化设计
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刘月明
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刘君华
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张少君
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),西安交通大学电气工程学院,西安
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),西安理工大学理学院,西安
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摘要: 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
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多倍,噪声等效功率降低了
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关键词: 微悬臂梁;探测器;光辐射;优化设计
中图分类号:
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文献标识码:
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国家自然科学基金(
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)、陕西省教委专项科研
计划项目(
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收稿日期:
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;收到修改稿日期:
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引 言
利用微悬臂梁技术实现光学和红外探测是近几
年出现的一种新技术
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,目前,该研究主要集中在
美、英等少数发达国家
[
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]
。这种技术与传统的红外
探测方法相比具有诸多优点:第一,基于半导体工艺
的微悬臂梁体积小,其典型尺寸的长度为
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,宽度为
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,厚度为
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,因此这种探测器易于集成为一维或三维的单
片器件,尤适用于红外成像系统;第二,这种基于微
悬臂梁的红外探测器具有极高的分辨率,其值可达
’!
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5
[
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]
;第三,通过在微悬臂梁上镀上不同的光辐
射吸收材料,可实现对不同波段光的辐射探测,故该
种探测技术具有灵活的光谱响应范围;第四,微悬臂
梁通过半导体硅微机械加工工艺制成,故可成批生
产,从而降低器件的成本。正由于该类探测器的上
述优点,目前,它已经成为光学和红外探测的又一重
要发展方向。
用微悬臂梁进行光学和红外探测,主要基于微
悬臂梁在光辐射下的热挠曲,实现对辐射光的探测。
为提高探测灵敏度,通常需要在微悬臂梁表面镀一
层光辐射吸收膜,这样做目的有两个:一是微悬臂梁
进行镀膜后,成为双层结构,由于双层材料存在的
“双金属热挠曲效应”,微悬臂梁的热挠曲将大大增
加;二是微悬臂梁的镀膜同时可作为光辐射吸收层,
提高微悬臂梁对光辐射的吸收系数,提高热挠曲度。
目前通常选择的镀膜材料为高吸收系数、高热胀系
数和低比热的金属材料
[
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]
,如铝、金、铬等。但是,
这种双层金属镀膜结构的微悬臂梁探测器存在不足
之处,那就是金属镀膜虽能提高热挠曲效率,但对光
辐射的吸收系数太小,从而又影响了热挠曲效率,比
如:铝对
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光辐射的吸收系数只有
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左
右。为解决这一问题,本文优化设计了一种三层结
构的微悬臂梁探测器。
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微悬臂梁光学和红外探测的理论模
型及实验验证
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理论模型
图
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(
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)所示为镀膜后双层微悬臂梁的结构简
图和挠曲图,硅基材料的厚度、热膨胀系数、热导率
和弹性模量分别为
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、
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、
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和
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;而金属镀层的
厚度、热膨胀系数、热导率和弹性模量分别为
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、
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、和
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。假设在环境温度为
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时悬臂梁未发
生热挠曲,则当微悬臂梁在光辐射下温度由
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升
高到
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#
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时,悬臂梁将发生热挠曲,其自由端
的最大挠度为
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,如图
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(
8
)所示。
由弹性力学的梁弯曲理论,考虑到热应力作用,
则悬臂梁的挠曲微分方程可表达为
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式中,
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为光辐射下微悬臂梁相对于环境的温
度分布,
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为与双层材料有关的常数,其值为:
第
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卷 第
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期
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年
(
月
光 学 学 报
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