[发明专利]用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能热变形梁和包含这种梁的光-机械式热型红外传感器。尤其涉及包含大量波纹结构的热变形梁及在光-机械式热型红外传感器上的应用。

背景技术

热变形梁一般由两种或两种以上材料构成的多层结构，热变形梁中至少有两层热膨胀系数不同，因此，当温度改变时，热变形梁中至少有两层在相同温度改变下产生的热应力大小不同，这些热应力导致了热致变形梁弯曲，当被加热时，热变形梁将向着具有低热膨胀系数的那一层弯曲，热变形梁的热致弯曲效应使得热变形梁的端部偏转角发生改变，基于这个原理，热变形梁广泛应用于光-机械式热型红外传感器，例如：本申请人的发明专利光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器(公开号：CN1556648)，光学读出红外传感器(公开号：CN1760651)，玻璃基底光学读出红外传感器(公开号：CN1970430)等。实现红外成像时，光-机械式热型红外传感器被置于一个透镜的焦平面处，因此也被称为“焦平面阵列(FPA)”。这些红外传感器的共同特征是：包括按阵列分布的微梁单元，微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板，整个微梁单元为侧向支撑的无底单层平面结构，热变形机构由热隔离梁和热变形梁构成折转式分布。红外成像时，红外吸收板吸收红外辐射而被加热，这些热量传到热变形梁，由于热膨胀系数的不同，热变形梁发生弯曲变形，进而导致与热变形梁相连的红外吸收板相上或者向下偏转(取决于具体的设计)。本申请人在公开号为1474162发明专利所提到的光学读出方法和装置能量化读出红外吸收板偏转角度的变化，并将红外辐射源在微梁阵列上所成的热图像，转变为可见光学图像。

目前，平直结构的普通热变形梁已经广泛应用于光-机械式热型红外传感器，但是仍然存在一些不足。第一：热变形梁作为光-机械式热型红外传感器，两个重要的性能指标是：空间分辨率和热机械响应率(单位温度变化所引起热变形梁偏转角的变化量)。空间分辨率与热变形梁的尺寸正反比，即热变形梁的长度越短空间分辨率越高，而热机械响应率与热变形梁的长度成正比，也就是说，热变形梁的长度越长热机械响应率越高。为了提高热变形梁的性能，需要解决的一个重要问题是：在给定像素大小内提高热变形梁的热机械响应率，即提高热变形梁的单位长度热机械响应率(单位温度变化所引起单位长度热变形梁偏转角的变化量)。第二：为了使平直结构的普通热变形梁具有热致弯曲效应，它一般是具有不同热膨胀系数的两层或者多层结构，这些层一般由不同材料构成，这就造成了各层之间不兼容的问题，例如，层与层之间黏附性不好的问题。为了解决这个问题，传统上在黏附性不好的层之间加入一层或者多层中间层以增强黏附性。这些中间层的材料与初始层的材料之间的兼容性，比初始层的材料之间的兼容性好得多。然而这种方法显著增加了制作复杂度和成本

发明内容

本发明是为解决上述现有技术所存在的问题，提出一种用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁及其应用。通过使热变形梁包含大量波纹结构来显著提高光-机械式热型红外传感器的热机械响应率，并同时增强热变形梁各层之间的黏附性。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

一种用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁，包括有梁体，其特征在于所述的梁体具有一体连接的两层或多层的波纹层并显示出各波纹层的上、下表面具有波纹，所述的各波纹层相互贴合，所述的各波纹层波纹的各个波峰、波谷及相邻波纹层的接合面的各个波峰、波谷具有相同的弯折或弯曲的趋势。

所述的高性能热变形梁，其特征在于所述的梁体包含两个主要波纹层，即第一、第二波纹层：

第一波纹层的参数包括：厚度t₁，杨氏模量E₁，热膨胀系数α₁；

第二波纹层的参数包括：厚度t₂，杨氏模量E₂，热膨胀系数α₂。所述两个主要波纹层的材料热膨胀系数不同。

所述的高性能热变形梁，其特征在于所述各波纹层上的波峰与波谷呈对称分布或者非对称分布。

所述的高性能热变形梁，其特征在于所述波纹层上的波峰、波谷的半径为一常数或者变数。

所述的高性能热变形梁，其特征在于所述各波纹层材料由金属材料构成，所述金属材料主要包括：铝、金、银；或者由非金属材料构成，所述非金属材料主要包括：二氧化硅、氮化硅。