基于MEMS技術(shù)的動態(tài)紅外場景模擬技術(shù)

周 朗，李 卓，石 諾，徐 暢，時慶峰，王 欣

(北京理工大學(xué)光電學(xué)院，北京,100081)

0 引 言

動態(tài)紅外場景生成技術(shù)是在實驗室條件下模擬運動目標(biāo)，如戰(zhàn)機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等，以及相應(yīng)戰(zhàn)場背景的紅外輻射特性，用于為紅外成像制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)試驗提供高逼真的目標(biāo)和背景圖像源，是半實物仿真試驗系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[1]。隨著紅外成像制導(dǎo)技術(shù)對紅外場景模擬精度要求的提升，動態(tài)紅外場景生成技術(shù)正朝著高分辨率、高溫和高幀頻方向發(fā)展[2,3]。MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片作為一種直接輻射型器件，具有波段范圍寬、分辨率高且成本低的特點，可以滿足動態(tài)紅外場景模擬系統(tǒng)的要求。本文采用MEMS技術(shù)制作了一種1 024×1 024陣列的MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片，并利用該轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)建了動態(tài)紅外場景模擬器，可以生成空間分辨率1 024×1 024，中、長雙波段紅外圖像。

1 MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片

1.1 MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片理論模型

MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片依靠熱傳導(dǎo)理論工作。當(dāng)可見光照射到芯片像元上時，像元吸收可見光能量而溫度升高，并產(chǎn)生紅外輻射。因為轉(zhuǎn)換芯片工作在真空冷腔中，且厚度較薄，所以像元僅通過橫向熱傳導(dǎo)和熱輻射與環(huán)境進(jìn)行熱交換。像元溫度可以用一維熱傳導(dǎo)方程描述。

(1)

(2)

響應(yīng)時間是描述像元溫度達(dá)到平衡時所需要的時間，響應(yīng)時間的大小決定了紅外圖像的刷新頻率，滿足公式(3)。

τ=Ctotal/(Gcond+Grad)

(3)

1.2 轉(zhuǎn)換芯片結(jié)構(gòu)

MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片襯底為聚酰亞胺(PI，Polyimide)材料，高溫處理后有良好的熱穩(wěn)定性[4]。通過MEMS技術(shù)在薄膜上制作周期性排列的微結(jié)構(gòu)作為像元，陣列尺寸大于1 024×1 024。為了避免熱膨脹引起的薄膜脫落，選取同種材料制成托圈進(jìn)行薄膜支撐。轉(zhuǎn)換芯片像元尺寸為35 μm×35 μm。圖1(a)展示了像元的示意圖。每一個像元由吸收/輻射層、熱隔離腿、輻射抑制通孔以及襯底框架組成。襯底框架通過兩個呈中心對稱分布的熱隔離腿支撐著吸收/輻射層。27 μm×17 μm的吸收/輻射層由聚酰亞胺襯底、鉻附著層和可見光吸收層組成，可見光吸收率達(dá)到90%。熱隔離腿寬度為3 μm，通過選取熱隔離腿長度和材料，可以控制像元最高物理溫度與響應(yīng)時間。輻射抑制區(qū)采用通孔結(jié)構(gòu)，寬度設(shè)計為 2 μm。通孔結(jié)構(gòu)可以直接隔離像元，有效降低像元之間的熱串?dāng)_，提高了紅外圖像的分辨率，同時起到薄膜應(yīng)力釋放的作用。為了在有限薄膜尺寸范圍內(nèi)提高空間分辨率，可等比例縮小像元尺寸。圖1(b)展示了像元的橫截面圖，硅襯底被完全移除，只留下聚酰亞胺薄膜作為支撐，形成自懸浮結(jié)構(gòu)。

圖1 MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片像元結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 轉(zhuǎn)換芯片制作工藝

轉(zhuǎn)換芯片像元陣列采用MEMS工藝制作，包括8個主要步驟。首先采用旋涂工藝在清洗過的4 inch氧化硅片上制備PI薄膜作為襯底，如圖2(a)所示。PI層的厚度與PI溶液粘度、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速、旋涂時間及后續(xù)高溫干燥處理等有關(guān)[5]。本文選取粘度300～400 cp，固含量12%～13% 的ZKPI-305IIB型溶液。采用低轉(zhuǎn)速800 r/min旋涂1 min，高轉(zhuǎn)速4 000 r/min旋涂3 min。為了提高PI薄膜工作溫度，使用高溫爐對薄膜進(jìn)行亞胺化處理，以70 ℃為間隔，溫度從80 ℃階梯式升溫至300 ℃，每個階段烘烤30 min。使用臺階儀測量高溫處理后的PI薄膜厚度為0.5 μm。第二步是使用磁控濺射技術(shù)在PI薄膜上制備一層金屬材料作為掩膜，如圖2(b)所示。掩膜材料選取附著性優(yōu)異的鉻金屬，方便后續(xù)在薄膜表面制備光學(xué)吸收層。選擇直流濺射方法可提高濺射效率，功率設(shè)定150 W，制備5 min的鉻薄膜。第三步是利用旋涂工藝在濺射后的鉻掩膜層上制作光刻膠涂層，如圖2(c)所示。采用低轉(zhuǎn)速800 r/min旋涂5 s，高轉(zhuǎn)速3 000 r/min旋涂20 s，并在100 ℃烘膠臺上進(jìn)行3 min固化。使用紫外光刻機(jī)曝光18 s，顯影20 s，將掩膜版上的像元圖案轉(zhuǎn)移到光刻膠涂層上。此步驟需要嚴(yán)格控制曝光與顯影時間。過長的時間會造成像元通孔變寬，熱隔離腿變窄，導(dǎo)致像元機(jī)械性能變差，熱性能與設(shè)計值不符。過短的時間造成光刻不充分，影響后續(xù)工藝。將光刻后的樣品再次進(jìn)行100 ℃固化，持續(xù)10 min，以提高光刻膠耐刻蝕強度。第四步是使用離子束刻蝕(IBE， Ion Beam Etching)技術(shù)刻蝕無光刻膠遮蓋區(qū)域的鉻層，將像元圖案轉(zhuǎn)移到鉻層上，如圖2(d)所示。第五步是利用上一步形成的鉻層做掩膜，使用感應(yīng)耦合等離子刻蝕(ICP，Inductively Coupled Plasma Etching)技術(shù)刻蝕PI層，將像元圖案轉(zhuǎn)移到PI層上，如圖2(e)所示。第六步是刻蝕熱隔離腿和襯底邊框的鉻層，如圖2(f)所示。此步驟是為了保證只有吸收/輻射區(qū)有高的寫入光吸收率，可顯著提升紅外圖像分辨率。另外，為了提高像元響應(yīng)時間，可在熱隔離腿處制備高熱導(dǎo)率金屬層，提高熱傳導(dǎo)效率。此步驟結(jié)束后需要將樣品進(jìn)行退火處理。第七步是使用濕法腐蝕技術(shù)腐蝕二氧化硅犧牲層，將PI薄膜與硅襯底分離，如圖2(g)所示，然后使用聚酰亞胺材料的托圈將PI薄膜固定并烘干。最后一步是制備光學(xué)吸收層，如圖2(h)所示。本文選取低密度、稀疏多孔的鋁黑材料[6]，可見光吸收效率高達(dá)90%。

圖2 MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片MEMS工藝流程

2 動態(tài)紅外場景模擬系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

動態(tài)紅外場景模擬器由計算機(jī)圖像生成系統(tǒng)、可見光成像及投影系統(tǒng)、紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、紅外投影系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)組成，如圖3 所示。

圖3 動態(tài)紅外場景模擬器系統(tǒng)框圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

計算機(jī)圖像生成系統(tǒng)輸出的帶有紅外特征的動態(tài)圖像信號如山地、丘陵、平原、工事、城市等背景，以及艦船、戰(zhàn)機(jī)、坦克、導(dǎo)彈等目標(biāo)，為寫入光照明系統(tǒng)提供圖像源?？梢姽獬上窦巴队跋到y(tǒng)包括微顯示器、照明光學(xué)引擎、計算機(jī)控制系統(tǒng)以及投影鏡頭等。照明系統(tǒng)提供均勻的光源照射到微顯示器上，通過提高照明系統(tǒng)功率可提高轉(zhuǎn)換芯片模擬溫度。計算機(jī)控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)接口控制微顯示器對入射的可見光進(jìn)行調(diào)制，使可見光讀出光的強度按照調(diào)制的強度輸出，從而產(chǎn)生可見光灰度圖像。產(chǎn)生的灰度圖像由投影鏡頭投影到紅外圖像轉(zhuǎn)換器中。紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)為紅外圖像轉(zhuǎn)換器，為MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片提供低溫真空工作環(huán)境。其結(jié)構(gòu)主要包括可見光窗口、中/長波段紅外窗口、熱沉、電氣接口及密封結(jié)構(gòu)等?？梢姽鈽?gòu)成灰度圖像由可見光窗口入射到薄膜上。轉(zhuǎn)換芯片的每一個像元對應(yīng)于寫入光灰度圖像上的一個像素。因為每一個寫入圖像像素攜帶的能量不同，所以每一個像元吸收的熱量也會不同，這樣就會在薄膜表面產(chǎn)生不同的溫度場分布，從而形成不同的紅外輻射分布。然后這些紅外輻射通過紅外窗口，被前端的光學(xué)投影系統(tǒng)讀出，最終生成紅外圖像，被紅外焦平面探測。紅外圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換芯片所需的溫度環(huán)境由溫度控制系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)控制。薄膜制冷依據(jù)輻射制冷原理，整個轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一個小型冷艙，內(nèi)壁表面涂有高發(fā)射率涂層。通過制冷系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)換器熱沉達(dá)到低溫，通過溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度跟蹤。通過在薄膜表面制備輻射層，實現(xiàn)與低溫?zé)岢恋妮椛鋼Q熱。紅外圖像轉(zhuǎn)換器真空系統(tǒng)為圖像轉(zhuǎn)換器創(chuàng)造一個獨立的真空環(huán)境，由機(jī)械泵、分子泵及控制系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)換器內(nèi)置吸氣材料，可保證多種工作環(huán)境下都具備高真空狀態(tài)。

3 動態(tài)紅外場景生成裝置實驗

3.1 轉(zhuǎn)換芯片微觀結(jié)構(gòu)

通過實驗制備了MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片，有效區(qū)域為圓形，直徑65 mm。使用掃描電子顯微鏡觀察轉(zhuǎn)換芯片微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。薄膜厚度 0.5 μm，像元尺寸滿足35 μm，像元陣列數(shù)大于1 024×1 024。

圖4 掃描電子顯微鏡下的轉(zhuǎn)換芯片微觀結(jié)構(gòu)

3.2 輻射波段

將MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片安裝在真空冷腔中進(jìn)行動態(tài)紅外場景生成性能測試，控制轉(zhuǎn)換器環(huán)境溫度低于0 ℃，真空度高于1×10-3Pa。利用計算機(jī)輸出全白圖加熱轉(zhuǎn)換芯片，使用掃描光柵光譜儀對動態(tài)紅外場景生成裝置光譜進(jìn)行測量。MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片吸收可見光能量產(chǎn)生類黑體輻射光譜，然后經(jīng)過鍍有3～5 μm或8～12 μm增透膜的鍺窗口。測得的紅外光譜如圖5所示，滿足中/長波段要求。

圖5 動態(tài)紅外場景生成系統(tǒng)光譜，(a) 3～5 μm，(b) 8～12 μm

3.3 紅外圖像與灰度等級

利用計算機(jī)生成可見光灰度圖像，如圖6(a)所示，分別使用3～5 μm和8～12 μm的紅外熱像儀采集動態(tài)紅外場景生成裝置輸出圖像，如圖6(b)和6(c)所示。紅外圖像清晰地展示了目標(biāo)的輪廓及表面熱特征。所有圖像均為原始圖像，并沒有進(jìn)行任何圖像處理。其中輸入圖像“貓”為256級灰度圖像，輸出的中長波紅外圖像有明顯灰度級次。利用計算機(jī)生成0～255級寫入光灰度圖像，使用測溫?zé)嵯駜x進(jìn)行溫度采集。當(dāng)溫度噪聲小于相鄰灰度級溫差時，認(rèn)為相鄰灰度級可分辨。測試結(jié)果表明利用MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片生成的紅外圖像滿足256個灰度等級。

(a) Input images (b) MWIR images (c) FWIR images圖6 動態(tài)紅外場景生成系統(tǒng)生成的紅外圖像

3.4 空間分辨率

圖7 1 024條紋數(shù)空間分辨率測試結(jié)果

空間分辨率有多種表示方法，根據(jù)實驗室條件，用單位長度范圍內(nèi)可識別的線對數(shù)來表示空間分辨率。一線對為一組明暗條紋，明條紋和暗條紋的寬度相等。相鄰兩條明條紋中心之間的距離稱為空間周期，單位為毫米(mm)?？臻g周期的倒數(shù)稱為空間頻率，單位為線對每毫米(lp/mm)。MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片為周期性結(jié)構(gòu)，相鄰兩個像元中心之間的距離35 μm。使用像元尺寸30 μm的中波熱像儀搭配顯微鏡頭測量1 024條紋數(shù)的紅外圖像如圖7所示。相鄰黑條紋間距為70 μm，即14 lp/mm，說明轉(zhuǎn)換芯片滿足空間分辨率1 024×1 024。

實驗測量的空間分辨率是整個紅外動態(tài)圖像生成裝置的空間分辨率。紅外動態(tài)圖像生成裝置的空間分辨率不僅與可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片有關(guān)，而且受可見光圖像生成系統(tǒng)和投影光學(xué)系統(tǒng)的空間分辨率的限制。另外，轉(zhuǎn)換芯片安裝方向與可見光圖像的方向不匹配會導(dǎo)致有效像元尺寸增大，從而降低空間分辨率。

3.5 溫度范圍與幀頻

使用波長532 nm的調(diào)制激光均勻照射薄膜直徑5 mm的區(qū)域，測試MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片的最高溫度和時間特性。測溫?zé)嵯駜x測得薄膜最低工作溫度為283 K，最高可持續(xù)工作溫度為500 K。調(diào)制激光器輸出頻率為50 Hz方波信號，使用紅外探測器測試薄膜的時間特性如圖8所示。上升時間的10%-90%為4 ms，下降時間的90%-10%為3.8 ms，幀頻達(dá)到50 Hz。由公式(3)可知，通過減小薄膜厚度、縮短熱隔離腿長度、降低環(huán)境溫度可進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換芯片幀頻。

圖8 轉(zhuǎn)換芯片在532 nm激光方波調(diào)制信號下的瞬態(tài)響應(yīng)

4 結(jié)束語

本文建立了基于MEMS技術(shù)的可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片的理論模型。通過MEMS工藝制作了像元尺寸35 μm，陣列數(shù)大于1 024×1 024的轉(zhuǎn)換芯片，并利用該轉(zhuǎn)換芯片搭建動態(tài)紅外場景模擬器。基于MEMS可見光/紅外轉(zhuǎn)換芯片的動態(tài)紅外場景模擬器具有波段寬、分辨率高、成本低的優(yōu)勢。論文對模擬器的主要性能進(jìn)行了實驗分析，結(jié)果表明動態(tài)紅外場景模擬器系統(tǒng)滿足空間分辨率大于1 024×1 024，工作波段范圍3～5 μm和8～12 μm，溫度范圍 283 K～500 K，幀頻50 Hz，灰度等級256等性能。

[1] Li Zhuo, Qian Lixun, Ou Wen. New technologies of infrared scene projection [J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(1):1-6. (in Chinese)

李卓, 錢麗勛, 歐文. 動態(tài)紅外場景生成新技術(shù) [J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(1):1-6.

[2] Zhang Li, Tian Yi, Li Qi. Research status and prospect of dynamic infrared scene projector [J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(6):1423-1431. (in Chinese)

張勵, 田義, 李奇. 動態(tài)紅外場景投影器的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 紅外與激光工程, 2012, 41(6):1423-1431.

[3] Laveigne J, Danielson T, Lannon J, et al. Development of an ultra-high temperature infrared scene projector at Santa Barbara Infrared Inc.[C] // SPIE. 2015:94520W.

[4] Li Zhuo, Ou Wen, Wang Xin, et al. Study on thermal transfer properties of polyimide thin films [J]. Transactions of Beijing Institute of Technology, 2013, 33(6):650-652. (in Chinese)

李卓, 歐文, 王欣,等. 聚酰亞胺薄膜的熱擴(kuò)散特性研究[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2013, 33(6):650-652.

[5] Wang Dong, Liu Hong ying, He jun hui,et al. Progress in preparation of functional films by spin-coating [J]. Imaging Science and Photochemistry, 2012, 30(2):91-101. (in Chinese)

王東, 劉紅纓, 賀軍輝,等. 旋涂法制備功能薄膜的研究進(jìn)展[J]. 影像科學(xué)與光化學(xué), 2012, 30(2):91-101.

[6] Goldsmith J, Vasilyev V, Vella J H, et al. Black Aluminum: a novel anti-reflective absorbing coating[C] // Aerospace and Electronics Conference, NAECON 2014-IEEE National. IEEE, 2015:69-70.