非制冷微測輻射熱計受激光輻照的溫度響應(yīng)

周 冰,賀 宣,劉賀雄,李秉璇,黃富瑜

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電子與光學(xué)工程系,河北 石家莊 050003)

1 引 言

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

相比于連續(xù)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(yīng)更為復(fù)雜,特別是脈沖頻率、脈沖寬度和占空比等參數(shù)對輻照效果的影響是決定干擾成功的關(guān)鍵。在一定的能量范圍內(nèi),脈沖激光可以被斬波調(diào)制的連續(xù)激光等效替代?；诖?本文結(jié)合非制冷微測輻射熱計的構(gòu)造和工作機(jī)理,分析了像元的溫度響應(yīng)機(jī)制,建立了經(jīng)斬波調(diào)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(shù)的輻照效應(yīng)展開了研究,采用有限元分析的方法進(jìn)行了仿真,總結(jié)出了一定的規(guī)律,并歸納出相應(yīng)的結(jié)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(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱輻射信號向電信號轉(zhuǎn)換的功能。當(dāng)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(zhuǎn)化為材料的內(nèi)能。微觀上主要表現(xiàn)為三部分[2]:晶格振動產(chǎn)生并傳播聲子；電子吸收光子引起躍遷到導(dǎo)帶；發(fā)生激子吸收,逐步轉(zhuǎn)化能量。三者共同作用帶來了熱激發(fā),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(dǎo)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(xué)系統(tǒng)、紅外焦平面陣列和電氣系統(tǒng),電氣系統(tǒng)包括驅(qū)動電路板和圖象處理板。目標(biāo)輻射的遠(yuǎn)紅外光經(jīng)光學(xué)透鏡成像于焦平面的像元陣列,像元升溫,電阻發(fā)生變化,驅(qū)動電路板提供偏置電壓并逐行采集像元信號進(jìn)行前處理；圖像處理板將傳輸來的像素信號經(jīng)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(jié)構(gòu)，如圖1所示,并利用脈沖式直流電壓偏置,采集像元產(chǎn)生的電流信號,經(jīng)處理即可得到目標(biāo)區(qū)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(jìn)行非均勻校正,使得所有像元對目標(biāo)區(qū)域紅外輻射的響應(yīng)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(xiàn)[5]。

圖1 探測器像元的Ⅰ型橋式結(jié)構(gòu)

若像元電阻為R,則其電阻溫度系數(shù)(TCR)[6]為:

(1)

對于半導(dǎo)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(guān)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(jīng)MOS管線性放大,轉(zhuǎn)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(shè)其開啟電壓Ut,漏源電壓Uds,跨導(dǎo)系數(shù)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(shù)據(jù)。為了保證設(shè)備的正常工作,MOS管的線性工作對應(yīng)的像元溫度區(qū)間應(yīng)大于設(shè)備的額定溫度區(qū)間。

2.2 溫度響應(yīng)

對像元的受熱情況進(jìn)行分析,在正常工作的狀態(tài)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(jī)制的探測器,像元相應(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(huán)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(dǎo)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(huán)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(shè)像元的比熱容為C,對襯底的熱導(dǎo)率為G,忽略熱輻射損失的能量,當(dāng)功率恒為P0的連續(xù)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(wěn)態(tài)下的溫度:

(4)

假設(shè)作用于像元的激光受到占空比δ,頻率f的斬波調(diào)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(jīng)斬波調(diào)制的激光功率

因此,在第n個周期內(nèi),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(shè)備的參數(shù)及工作條件,利用Solid works軟件建立三維模型,并設(shè)定仿真條件,利用Ansys Workbench展開有限元分析。結(jié)合設(shè)備實際的工作溫度區(qū)間[7],設(shè)定斬波調(diào)制頻率、占空比和激光功率分別變化的條件,研究這些參數(shù)對非制冷微測輻射計溫度響應(yīng)的影響。值得注意的是,該方法已經(jīng)通過大量數(shù)值驗證是正確的[8-10]。

3.1 建立模型

基于法國ULIS公司設(shè)計的UL01011型320×240 α-Si非制冷微測輻射熱計的相關(guān)參數(shù)[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(diào)整。

圖3 非制冷微測輻射熱計的3-D模型

該設(shè)備的相關(guān)參數(shù)如表1所示[11],在陣列進(jìn)行非均勻矯正時,偏置電壓U會根據(jù)各像元的熱電性能被設(shè)定為不同的值。像元采用圖1的結(jié)構(gòu),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(shù)

3.2 仿真條件

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

3.2.1 材料參數(shù)

為了使模型具有表1的熱物理性質(zhì),做如下處理:

將模型沿虛線處區(qū)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(zhì)量密度為ρ=2.33 g/cm3,在300 K的溫度下熱導(dǎo)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(dǎo)熱量,將它的熱導(dǎo)率定義為:

(7)

其中,S和L分別是在熱傳導(dǎo)方向上,微橋腿的截面積和長度。

3.2.2 載 荷

根據(jù)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(yuǎn)小于硅對于遠(yuǎn)紅外激光的吸收厚度(0.7 mm)[2]。然而,依托微橋結(jié)構(gòu)形成的諧振腔[15],光敏材料對激光的吸收率達(dá)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(rèn)為激光在材料內(nèi)部發(fā)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(chǎn)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(fā)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(shè)該溫度T0=300 K。

3.2.3 仿真內(nèi)容

為了研究斬波調(diào)制頻率f對溫度響應(yīng)的影響,設(shè)定了仿真1～5的條件,根據(jù)公式(8)的計算Pe,參數(shù)如表2所示。

表2 第1組仿真實驗參數(shù)

為了研究斬波調(diào)制占空比δ對溫度響應(yīng)的影響,設(shè)定了仿真6～10的條件,參數(shù)和Pe計算結(jié)果如表3所示。

表3 第2組仿真實驗仿真參數(shù)

為了研究激光功率p0對溫度響應(yīng)的影響,設(shè)定了仿真11～16的條件,參數(shù)和Pe計算結(jié)果如表4所示。

表4 第3組仿真實驗參數(shù)

4 仿真結(jié)果及分析

首先,為了確保模型的正確無誤,對模型施加未經(jīng)調(diào)制的激光載荷,將仿真結(jié)果與公式計算結(jié)果進(jìn)行對比。功率為P0=7.8×10-6W,對應(yīng)Pe=5 W/mm3。按照式(4)計算出模型穩(wěn)態(tài)的溫度為T=362.50 K,模型經(jīng)Ansys仿真得到的結(jié)果如圖4,模型在穩(wěn)態(tài)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(xù)激光熱源仿真的模型溫度

在Ansys中,將APDL命令插入Workbench的瞬態(tài)熱分析模塊中,實現(xiàn)了斬波調(diào)制函數(shù)的定義。插入的APDL命令為[16]:

用數(shù)值代替Pe,f,k,δ錄入軟件中,對結(jié)果進(jìn)行了歸整。

4.1 調(diào)制頻率的影響

第一組仿真結(jié)果中,根據(jù)模型穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)溫度振蕩值

對溫度振蕩的均值與調(diào)制頻率進(jìn)行曲線擬合,得到圖5和關(guān)系式:

T=575.2f-1.011+363.2

(9)

式(9)表明,溫度振蕩均值與調(diào)制頻率成負(fù)指數(shù)關(guān)系。

圖5 第一組仿真溫度振蕩的均值與調(diào)制頻率的曲線擬合

4.2 占空比的影響

第二組仿真結(jié)果中,根據(jù)模型穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)溫度振蕩值

對溫度振蕩的均值與占空比進(jìn)行曲線擬合,得到圖6和關(guān)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(shù)關(guān)系。

4.3 激光功率的影響

第三組仿真結(jié)果中,根據(jù)模型穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)溫度振蕩值

對溫度振蕩均值與激光功率做數(shù)據(jù)擬合,得到圖7和關(guān)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(wěn)態(tài)溫度振蕩均值與激光功率成線性關(guān)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(zhuǎn)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(diào)制的激光輻照像元時,溫度升高量的震蕩均值同調(diào)制頻率成負(fù)指數(shù)關(guān)系,與占空比成正指數(shù)關(guān)系,與激光功率成倍率關(guān)系。

5 結(jié) 論

本文在介紹非制冷微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上,立足UL01011型320×240 α-Si探測器的實際參數(shù)建立了激光輻照模型,結(jié)合理論推導(dǎo)公式進(jìn)行了驗證；并改變輻照激光的不同參數(shù)實施仿真,對各組仿真結(jié)果中穩(wěn)態(tài)溫度均值與激光參數(shù)進(jìn)行了曲線擬合,通過分析得到結(jié)論:功率穩(wěn)定的連續(xù)激光經(jīng)斬波調(diào)制后輻照至非制冷微測輻射熱計時,穩(wěn)定狀態(tài)下像元溫度升高量的振蕩均值與三個參數(shù)分別成以下關(guān)系:

與調(diào)制頻率f成指數(shù)關(guān)系,且隨著f的增大而減?。慌c占空比δ成指數(shù)關(guān)系,且隨著δ的增大而增大；與激光功率成線性關(guān)系。