基于稀土荧光体的光学读出非制冷红外热成像阵列的研究

Uncooled infrared thermal imaging technology has been used widely in both military and civil applications, and it becomes a research focus in infrared field. In the present research, an optical readout uncooled infrared thermal imaging system based on rare-earth phosphor is proposed. The invisible infrared radiation is converted into visible signal by using the temperature-sensitive luminescence from the phosphor and thus infrared detection can be realized. Such infrared imaging can greatly reduce the fabrication cost because there is no electrical interconnects. In this project, it is based on the preliminary work, planning to discuss the influence of thermosensitive materials and pixel design on key performances of thermal imaging system (thermal sensitivity, thermal response time, spatial resolution and NETD, etc). The luminescence properties of rare-earth phosphor Eu(TTA)3 will be further studied to reveal the mechanism of thermal quenching, which will provide a theoretical basis to synthesis a high temperature sensitive phosphor. A model for temperature rising of pixel will be established by combining the theoretical analysis and simulation. Optimized designs for sensing element and thermal isolation structure will be obtained by this model, which aims to achieve thermal imaging at room temperature with high thermal sensitivity and low NETD. The research of this project is highly potential to provide an alternative solution for optical readout uncooled thermal imaging technology, which is of great importance in realizing low-cost and high-performance thermal imaging at room temperature.

非制冷红外热成像技术已广泛应用于军事和民用领域，是红外领域的研究热点之一。本项目提出一种基于稀土荧光体的光学读出非制冷红外热成像技术，它利用稀土荧光体Eu(TTA)3的温敏性发光，将不可见的红外信号转化为可见光信号而实现红外探测，无需电子引线，大大降低了制造难度和成本。在前期研究的基础上，本项目拟从热传递理论出发，探讨热敏材料和像元结构设计对热成像系统关键性能（热响应灵敏度、热响应时间、空间分辨率和噪声等效温差等）的影响规律。通过研究Eu(TTA)3的光致发光性能的影响因素，揭示其热淬灭机理，为制备高温敏性荧光体提供理论依据。采用理论分析和仿真，建立像元温升模型，优化敏感元和热绝缘结构设计，从而获得高热响应灵敏度和低噪声等效温差的室温热成像。本课题的研究有望提供一种新型光学读出非制冷红外热成像技术，为实现高性能室温热成像和探索该原理的极限性能奠定原理和技术上的支撑。

非制冷红外热成像技术已广泛应用于军事和民用领域，是红外领域的研究热点之一。本项目提出一种基于稀土荧光体的光学读出非制冷红外热成像技术，可以实现高灵敏度红外探测，且利用软光刻工艺制备了红外探测阵列，实现了高效加工和批量生产。所制备的红外探测阵列呈现出优异的室温成像特性。主要工作内容包括：1）完成了适用于红外成像的Eu 基荧光体的合成、光谱宽化及温度稳定性方面的研究工作，初步获得了光致发光机理，建立荧光体配方与发光性能的关系，建立其量子效率、发光强度与温度的关系，阐明热猝灭机理，发现了一种反热猝灭现象并且对此完成了初步探究，为制备高温敏性 Eu 基荧光体薄膜提供理论依据。2）开发并验证了荧光体薄膜的软光刻工艺，制备了一种电化学辅助转移的Au/PDMS 透明导电电极及一种基于编织银纳米线 (Ag-NW) 3D 网络的轻质、超薄、透明、柔性的导电蔽膜，该柔性软光刻工艺在红外成像阵列中的应用前景广阔。3）根据热传递理论，建立热传递模型，优化材料和结构设计。采用软光刻工艺制备了一种添加 AgNPs 的 Ru基荧光体红外传感器阵列，探究了AgNPs对红外传感器阵列的性能影响，制作的红外传感器阵列可检测温度阈值为 313 K，证明了一种构建用于红外热成像的室温成像装置的有效方法。4）设计并搭建了光学读出式红外热成像测试平台。该测试平台包括温度可控的模拟黑体、激发光源、滤光器、CCD 相机和用于数据处理的电脑。项目执行期间共发表SCI检索论文5篇，申请国家发明专利3项，培养研究生4人，其中已毕业1人。本项目的研究具有重要的应用价值，可为研制与构建高性能MEMS红外探测器开辟一条新的技术道路。