高分辨率、高帧频MEMS非制冷红外探测器研究

项目针对传统非制冷红外探测器长期没有解决的分辨率低、响应速度慢、功耗高、抗干扰能力差等领域前沿问题，以基于MEMS技术的非制冷红外探测技术为研究对象，通过解决微尺度下MEMS FPA的热力学基础问题、高空间分辨率和热分辨率FPA的设计矛盾问题、FPA像元的非均匀校正与补偿等关键科学问题，突破大面阵FPA的关键制造瓶颈工艺、低成本的FPA混合圆片级真空封装、高空间分辨率的光学读出、高速大动态范围数字影像处理、以及探测系统的设计等关键技术，完成焦平面阵列形式达到640×480、噪声等效温差小于100mK、帧频超过200Hz的MEMS非制冷红外探测器原理演示样机，获得一批具有自有知识产权的亮点成果。高性能MEMS非制冷红外探测理论和技术的研究将极大地促进新概念红外探测器的快速发展，项目的开展将为早日实现非制冷红外焦平面阵列的国产化和MEMS热探测技术的广泛应用奠定坚实的理论和技术基础。

近年来，基于微机电系统(MEMS)的光学读出式非制冷热成像理论和技术的提出，极大地促进了新概念热成像系统的产生。项目针对未来红外探测技术的广泛需求，以及目前我国非制冷式红外探测器长期没有解决的噪声等效温差、响应速度、功耗、小型化等领域前沿问题，进行一种基于MEMS技术的新型非制冷式红外成像技术研究。.项目组经过大量的技术攻关，深入开展了FPA的热力学性能分析和像元结构设计，优化得到基本的像元结构和设计参数；系统研究了多种纳米薄膜和超材料的红外吸收理论，设计制备出单带、多带及宽带超材料红外吸收体，实现了FPA的红外增强吸收，微悬臂梁像元的热机械灵敏度达到0.46μm/K。开发出三种新型的FPA制备工艺，制备出包含640480像素的FPA。新型的FPA制备工艺有效消除了硅衬底引起的红外能量损失；复合框架式和PI牺牲层工艺保证了大面阵FPA加工的可靠性；通过将超材料吸收结构集成到FPA像元上，实现了短波、中波和人体的高灵敏度红外成像，系统NETD小于100mK。提出了用于FPA温度场提取的一系列高灵敏度的光学读出方法，利用这些方法开展了短波、中波、长波多波段高帧频红外成像技术研究；同时针对阵列像元非均匀性问题，提出了全息照明/补偿、边框黑体辐射校正及结构光照明补偿技术，有效提升了系统的成像质量；开展了高帧频成像技术研究，采集到200Hz帧频下酒精喷灯的点火过程。采用非球面集成式空间滤波光学读出技术进行了集成式小型化读出系统设计，以异型的直角分光棱镜为核心器件，集照明光准直、光学傅里叶变化、傅里叶逆变换功能为一体，研制了小型化的红外成像系统样机。.项目研究已获授权发明专利5项，申请发明专利20项，出版专著1本，发表SCI、EI等收录的学术论文62篇，培养博士、硕士研究生22名。这些创新性的技术与成果具有完全自主的知识产权，对高端性能产品的开发具有自由的广阔前景，将为早日实现非制冷红外焦平面阵列的国产化和MEMS热成像技术的广泛应用奠定坚实的理论和技术基础，并为系统的标准化和产业化探索出一条可行之路。