非制冷微測輻射熱計受激光輻照的溫度響應

周 冰,賀 宣,劉賀雄,李秉璇,黃富瑜

(陸軍工程大學石家莊校區電子與光學工程系,河北 石家莊 050003)

1 引 言

近年來,在大眾市場應用的驅動下,非制冷紅外探測技術得以迅猛發展。特別是融合了MEMS和IR技術的微測輻射熱計,憑借其成本低、重量輕和功耗小的優勢而備受人們的青睞,也成為了軍隊作戰偵察、探測的重要途徑[1]。與此同時,為了占領信息化作戰的制高點,針對紅外探測器的激光干擾技術也悄然興起,并逐步成為了人們關注的焦點。在不同參數激光的輻照作用下,非制冷紅外探測器的溫度響應是分析激光干擾問題的關鍵。對這一方向的研究,一方面為激光干擾武器的研發提供理論指導,另一方面為紅外偵察系統開發抗干擾功能提供依據,因而具有重要意義。

相比于連續激光的輻照效果,脈沖激光輻照非制冷微測輻射熱計帶來的溫度響應更為復雜,特別是脈沖頻率、脈沖寬度和占空比等參數對輻照效果的影響是決定干擾成功的關鍵。在一定的能量范圍內,脈沖激光可以被斬波調制的連續激光等效替代?；诖?本文結合非制冷微測輻射熱計的構造和工作機理,分析了像元的溫度響應機制,建立了經斬波調制的激光輻照非制冷微測輻射熱計的模型。以激光輻照UL01011型非晶硅紅外探測器為例,對不同激光參數的輻照效應展開了研究,采用有限元分析的方法進行了仿真,總結出了一定的規律,并歸納出相應的結論。

2 理論分析

非制冷微測輻射熱計是紅外探測器的核心部件,依托光敏材料制成的空間微觀結構實現熱輻射信號向電信號轉換的功能。當紅外波段的光輻照至光敏材料時,除透射和反射的能量之外,被吸收的光能轉化為材料的內能。微觀上主要表現為三部分[2]:晶格振動產生并傳播聲子；電子吸收光子引起躍遷到導帶；發生激子吸收,逐步轉化能量。三者共同作用帶來了熱激發,獲得能量的電子掙脫了原子核的庫倫作用,這增加了自由載流子的濃度,從而提高了光敏材料的電導率。

2.1 成像原理

非制冷微測輻射熱計主要由三部分組成[3]:光學系統、紅外焦平面陣列和電氣系統,電氣系統包括驅動電路板和圖象處理板。目標輻射的遠紅外光經光學透鏡成像于焦平面的像元陣列,像元升溫,電阻發生變化,驅動電路板提供偏置電壓并逐行采集像元信號進行前處理；圖像處理板將傳輸來的像素信號經一系列后處理最終得到紅外圖像。為了得到較好的工作性能,非制冷微測輻射熱計的像元多為Ⅰ型微橋結構，如圖1所示,并利用脈沖式直流電壓偏置,采集像元產生的電流信號,經處理即可得到目標區域的紅外圖像。由于制造工藝的限制,各像元的光電性能有所差異[4],因而需要進行非均勻校正,使得所有像元對目標區域紅外輻射的響應性能一致。為了使各像元擁有相等的參照溫度,像元下方為恒定溫度的襯底(Substrate),它通過連接的熱電制冷器(TEC)來實現[5]。

圖1 探測器像元的Ⅰ型橋式結構

若像元電阻為R,則其電阻溫度系數(TCR)[6]為:

(1)

對于半導體而言,α<0,電阻隨著溫度升高而減小。在像素值讀出的過程中,與像元連接的MOS管起到了采集像元信號的關鍵作用。由于偏置電阻的存在,使得在恒定大小總偏置電壓的作用下,施加在像元上的分壓隨著其電阻的變化而變化。該電壓信號經MOS管線性放大,轉化為電流信號,然后被信號放大器采集和使用。MOS管的柵源電壓被定義為像元兩端電壓UR,設其開啟電壓Ut,漏源電壓Uds,跨導系數β。隨著溫度的升高,UR不斷減小,MOS管的漏源電流為:

(2)

該電流信號就是處理成像素值的原始數據。為了保證設備的正常工作,MOS管的線性工作對應的像元溫度區間應大于設備的額定溫度區間。

2.2 溫度響應

對像元的受熱情況進行分析,在正常工作的狀態下,主要為以下三點:

(1)偏置電壓引起的焦耳熱。對于50 f/s或60 f/s成像機制的探測器,像元相應地每秒受到偏置作用50或60次,每次作用的時間低于100 μs。由于作用時間遠遠小于偏置周期,焦耳熱引起的像元溫升量不大,可以忽略不計。

(2)周圍環境的散熱作用。一方面,像元通過支撐腿與襯底連接,受熱升溫后不斷向襯底傳導熱量；另一方面,像元自身的熱輻射也造成了熱量的損失。一般情況下,像元組成了紅外焦平面陣列被置于金屬封裝的真空環境,因此可以忽略空氣對流的影響。

(3)激光輻照,使其溫度升高。設像元的比熱容為C,對襯底的熱導率為G,忽略熱輻射損失的能量,當功率恒為P0的連續激光作用于單像元時,有熱平衡方程:

(3)

其中,η是吸收率;T0是像元的初始溫度,也是襯底為紅外焦平面陣列提供的參照溫度。解這個一階微分方程,得到穩態下的溫度:

(4)

假設作用于像元的激光受到占空比δ,頻率f的斬波調制,圖2為光能隨時間的變化情況,其中k=1/f為斬波周期。

圖2 經斬波調制的激光功率

因此,在第n個周期內,溫度變化情況可描述為:

(5)

3 熱分析模型的建立

基于實際設備的參數及工作條件,利用Solid works軟件建立三維模型,并設定仿真條件,利用Ansys Workbench展開有限元分析。結合設備實際的工作溫度區間[7],設定斬波調制頻率、占空比和激光功率分別變化的條件,研究這些參數對非制冷微測輻射計溫度響應的影響。值得注意的是,該方法已經通過大量數值驗證是正確的[8-10]。

3.1 建立模型

基于法國ULIS公司設計的UL01011型320×240 α-Si非制冷微測輻射熱計的相關參數[11],建立了3-D模型,如圖3所示。為了便于計算,將像元的尺寸做了微小調整。

圖3 非制冷微測輻射熱計的3-D模型

該設備的相關參數如表1所示[11],在陣列進行非均勻矯正時,偏置電壓U會根據各像元的熱電性能被設定為不同的值。像元采用圖1的結構,由金屬真空封裝。

表1 UL01011型320×240 α-Si非制冷微測輻射熱計的典型參數

3.2 仿真條件

非制冷微測輻射熱計激光輻照效應的關鍵在于像元的溫度,因此采用Ansys Workbench軟件的瞬態熱分析(Transient Thermal)模塊展開研究[12-14]。

3.2.1 材料參數

為了使模型具有表1的熱物理性質,做如下處理:

將模型沿虛線處區分開，如圖3所示,使模型的微橋面與兩橋腿分別被定義成兩種材料。微橋面主要功能為吸收光能,溫度升高,并通過偏置電路提供像素值。硅材料的質量密度為ρ=2.33 g/cm3,在300 K的溫度下熱導率k=0.151 W/(mm·K)。將光敏材料的熱熔率(Heat Capacity)定義成:

(6)

其中，Vdeck是微橋光敏材料的體積。在熱分析中,橋腿的作用主要為傳導熱量,將它的熱導率定義為:

(7)

其中,S和L分別是在熱傳導方向上,微橋腿的截面積和長度。

3.2.2 載 荷

根據以上分析,該模型受到的熱載荷作用主要為兩項。

(1)像元吸收的光能。像元的光敏材料厚度為0.5 μm,遠小于硅對于遠紅外激光的吸收厚度(0.7 mm)[2]。然而,依托微橋結構形成的諧振腔[15],光敏材料對激光的吸收率達到了0.8。為了簡化研究,忽略光敏材料對激光吸收率的縱向差異,認為激光在材料內部發生了均勻吸收。從這個角度來看,它也可以等效為材料自身產生的體熱源。該熱源大小為:

(8)

(2)在微橋兩腳底,固定于襯底的兩個接觸面發生散熱。在像元正常工作的情況下,被TEC制冷的襯底保持恒溫來提供參照溫度,因而該載荷等效為接觸面上固定大小的溫度,設該溫度T0=300 K。

3.2.3 仿真內容

為了研究斬波調制頻率f對溫度響應的影響,設定了仿真1～5的條件,根據公式(8)的計算Pe,參數如表2所示。

表2 第1組仿真實驗參數

為了研究斬波調制占空比δ對溫度響應的影響,設定了仿真6～10的條件,參數和Pe計算結果如表3所示。

表3 第2組仿真實驗仿真參數

為了研究激光功率p0對溫度響應的影響,設定了仿真11～16的條件,參數和Pe計算結果如表4所示。

表4 第3組仿真實驗參數

4 仿真結果及分析

首先,為了確保模型的正確無誤,對模型施加未經調制的激光載荷,將仿真結果與公式計算結果進行對比。功率為P0=7.8×10-6W,對應Pe=5 W/mm3。按照式(4)計算出模型穩態的溫度為T=362.50 K,模型經Ansys仿真得到的結果如圖4,模型在穩態下的最高溫度為363.13 K,存在誤差是因為式(7)的計算中取了近似值。模型得證。

圖4 持續激光熱源仿真的模型溫度

在Ansys中,將APDL命令插入Workbench的瞬態熱分析模塊中,實現了斬波調制函數的定義。插入的APDL命令為[16]:

用數值代替Pe,f,k,δ錄入軟件中,對結果進行了歸整。

4.1 調制頻率的影響

第一組仿真結果中,根據模型穩態溫度振蕩的極高點和極低點,計算出平均值,如表5所示。

表5 第一組仿真的穩態溫度振蕩值

對溫度振蕩的均值與調制頻率進行曲線擬合,得到圖5和關系式:

T=575.2f-1.011+363.2

(9)

式(9)表明,溫度振蕩均值與調制頻率成負指數關系。

圖5 第一組仿真溫度振蕩的均值與調制頻率的曲線擬合

4.2 占空比的影響

第二組仿真結果中,根據模型穩態溫度振蕩的極高點和極低點,計算出平均值,如表6所示。

表6 第二組仿真的穩態溫度振蕩值

對溫度振蕩的均值與占空比進行曲線擬合,得到圖6和關系式:

T=84.26δf0.474+285.5

(10)

圖6 第二組仿真溫度振蕩均值與占空比的曲線擬合

由此可知,溫度振蕩的均值與占空比成正指數關系。

4.3 激光功率的影響

第三組仿真結果中,根據模型穩態溫度振蕩的極高點和極低點,計算出平均值,如表7所示。

表7 第三組仿真的穩態溫度振蕩值

對溫度振蕩均值與激光功率做數據擬合,得到圖7和關系式:

T=8.767×105P0+300.7

(11)

圖7 第三組仿真溫度振蕩均值與占空比的曲線擬合

顯然,穩態溫度振蕩均值與激光功率成線性關系。

4.4 各因素影響的對比分析

取溫度升高量ΔT=T-T0=T-300,則式(9)～(11)可依次轉化為:

ΔT=575.2f-1.011+63.2

(12)

ΔT=84.26σ0.474-14.15

(13)

ΔT=8.767×105P0+0.7≈8.767×105P0

(14)

由式(12)～(14)可以看出,斬波調制的激光輻照像元時,溫度升高量的震蕩均值同調制頻率成負指數關系,與占空比成正指數關系,與激光功率成倍率關系。

5 結 論

本文在介紹非制冷微測輻射熱計的結構組成和工作原理的基礎上,立足UL01011型320×240 α-Si探測器的實際參數建立了激光輻照模型,結合理論推導公式進行了驗證；并改變輻照激光的不同參數實施仿真,對各組仿真結果中穩態溫度均值與激光參數進行了曲線擬合,通過分析得到結論:功率穩定的連續激光經斬波調制后輻照至非制冷微測輻射熱計時,穩定狀態下像元溫度升高量的振蕩均值與三個參數分別成以下關系:

與調制頻率f成指數關系,且隨著f的增大而減??；與占空比δ成指數關系,且隨著δ的增大而增大；與激光功率成線性關系。