针对四臂微桥结构的微辐射热计的光学和热学设计,分析了SiO2红外吸收层/ poly-Si热敏感薄膜电阻层/SiO2支撑薄膜层的多层薄膜的光学特性,研究了SiO2红外吸收层的厚度对多层膜系平均红外吸收率的影响.与常规设计思想不同的是,我们没有假设微辐射热计的平均红外吸收率一定,而将不同厚度的SiO2红外吸收层所对应的膜系平均红外吸收率用于微桥的热学设计中,通过有限元分析软件ANSYS5.7,得到SiO2红外吸收层的最佳厚度,并对微桥支撑臂进行了优化设计.

利用有限元法对微桥结构的测辐射热计进行了二维热模拟．定量地分析了探测单元的大小尺寸、支撑层的厚度，支撑臂的长度和宽度、引线材料的选取等对微测辐射热计探测单元在红外辐射下温度的变化和热响应的快慢情况．评估了真空封装对微测辐射热计红外响应的影响．同时作为比较对平板空腔结构的红外探测器也进行了分析．

针对微测辐射热计的非均匀性校正对衬底温度要求较高的问题,从探测器的线性模型出发,提出了一种新型非均匀性校正方法.方法首先令阵列中不同探测单元的光响应率比和衬底温度响应率比分别相等,达到补偿衬底温度变化的目的;随后再执行传统的两点非均匀性校正.用数模转换器将存储在EPROM内的偏置电压输出到MOS管的栅极上,实现对偏置电流的控制,调节探测元及补偿元的响应率.仿真结果表明,该校正方法可以在变化范围约为4K的均匀衬底温度内达到良好校正效果.

在微测辐射热计热敏元的热平衡模型基础上,分析了CTIA读出方式的微测辐射热计在不同背景和衬底温度下的输出响应率,仿真了探测器面阵在偏移-增益两点校正法校正后的输出.为衡量不同衬底温度下校正后残余非均匀性噪声的大小,考虑到响应率随背景温度和衬底温度变化的因素,提出了非均匀性噪声等效功率(NNEP) 指标.研究结果表明,在采用20μs积分时间和5pF积分电容时,探测元响应率可以达到106V/W到107V/W;衬底温度的变化在约0.01K以内时,采用两点校正法可以对该读出方式的微测辐射热计输出进行良好的校正.

非致冷微测辐射热计具有较大不均匀性，并且输出响应受衬底温度影响很大．提出的读出电路在读出信号的同时能够扩大探测阵列的允许衬底温度．电路采用多列像素共享容式跨阻放大器（CTIA）和DAC，用补偿暗像元扣除静态电流，校正数据经DAC转换送至MOS管的栅极以控制偏置电流达到温度补偿目的．该电路灵敏度高、动态范围大，对于128×128面阵可以达到30Hz以上的帧频，通过PSPICE仿真验证了该读出电路的可行性．

在分析法国ULiS公司生产的320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011技术参数的基础上,论述了微测辐射热计非制冷红外焦平面热像仪温度控制的必要性,指出了温度控制设计的实质.并讨论了单片机、线性模式单芯片热电制冷器控制器和开关模式单芯片热电制冷器控制器温控方案的优缺点.提出了使用AD公司生产的全新单芯片热电制冷器控制器ADN8830的温控设计方案,以该芯片为核心设计出适合320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011的温度控制电路,该电路能够把焦平面阵列温度变化控制在30±0.01℃范围内,使探测器工作在最佳温度.该方案功耗低、效率高、体积小,是一种较好的温控设计方案.