基于CO2红外气体传感器微型化、智能化、低功耗的发展要求,创新性地提出一种中心温度为407℃的CO2检测用微电子机械系统(MEMS)红外光源芯片。采用X型悬空桥式微热板结构,内部发热区域以环形走线的钨(W)电极为加热丝,以SiO2和Si3N4双层薄膜作为机械支撑保护层,可防止钨电阻丝氧化并提高寿命。电热耦合有限元仿真分析显示,该光源芯片具有发热区温度分布均匀、热响应时间短、功耗低的优点。采用10.16cm(4inch)MEMS工艺完成了芯片的流片制造。测试结果表明,该光源芯片在24ms内即可快速升温至工作温度407℃,功耗低至46mW,工作电压为2.85V,工作电流为16.2mA,具有热响应时间快、功耗低、集成度高的特点。

热响应时间是微测辐射热计的关键参数，它会制约非制冷红外探测器的最高工作帧频。热响应时间的像元级测试能够真实反映传感器的物理热响应时间，为产品设计优化提供及时、有效的数据支持，因此准确测量该参数具有十分重要的意义。但目前像元级测试方法均未能有效补偿微测辐射热计的自热效应，无法精准地测量热响应时间。基于频率响应法测试了微测辐射热计的有效热响应时间。通过用电阻温度系数对自热效应进行补偿，可以精确测量物理热响应时间。通过实验分析了不同偏置电流下测得的物理热响应时间。结果表明，该方法准确度高，稳定性强。

对空基光电对抗平台可见光变焦镜头进行了光机结构设计以及被动消热差设计,依据-20~50 ℃的工作温度指标要求,对变焦镜头进行光机热集成分析。用Patran软件对镜头加载温度应力,计算光机结构的热弹性变形,用Nastran软件解算热变形后各光学元件镜面节点的刚体位移。用Sigfit光机接口软件分析变形后每个透镜表面的Zernike系数,将结果导入Zemax中,预判镜片面型变化以及刚体位移变化对调制传递函数(MTF)与波前差的影响。实验结果表明,在-20~50 ℃的温度载荷下,后固定组的最大轴向位移可达6.107×10 -3 mm,严重影响了成像质量。通过挠性压圈实现轴向位移可控消热差设计,以减小温度载荷带来的影响。光机热集成分析表明,温度载荷下光学系统的MTF均大于0.3,满足技术指标要求。最后通过温度可靠性实验测试了变焦镜头的温度适应能力以及光机热集成分析的准确性,提供了一套高效、准确、适用范围广的光机热集成分析流程。

在涡流脉冲热像技术中，高频涡流瞬时加热被测物体时，不同区域的热响应会发生混叠现象，这势必影响缺陷区域热响应信号的判别。本文以红外图像序列为观测信号，建立热响应信号的混叠模型；其次，利用不同区域的热响应彼此独立的特点，开展了基于主成分分析的盲源分离数据处理方法研究；最后，建立仿真模型研究了不同区域的热响应形态，采用了基于混叠向量和峰度系数定量分析主成分强化的区域。实验结果表明该方法能够实现不同生热区域的盲源分离，为缺陷的特征提取和识别提供了理论支撑。

介绍了一种计算多层结构微测辐射热计探测单元的红外吸收模型，并计算了所设计25 μm 微测辐射热计探测单元的红外吸收。当探测单元表面金属吸收层的方阻从2～600 Ω/□变化时，单元的吸收功率先逐渐增大，之后缓慢下降。对于300K 黑体辐射，当探测单元的吸收层方阻达到332 Ω/□时，吸收率达到最大。此时在8～14 μm 波段单元的红外吸收率平均值为72%，吸收功率为16nW。在此基础上对探测单元结构的悬空高度进行优化，得到最优的两层悬空间隙高度均为0.8 μm，最优吸收率为82%。

设计了一种用于研究在电阻阵像素单元中使用过驱动技术的电路结构。与 国外过驱动技术的实现方式相比，该方式采用开环控制形式，省去了系统闭环计算和查 表环节，节省了系统资源，改善了系统的实时性。该电 路结构是通过分析过驱动技术原理而设计的，能满足对电阻阵微桥电阻热响应时间t1、过驱动因子Kod和温度动态范围的研究 要求，而且符合像素单元面积的限制条件，其Kod在1～1.5的范围内是可调的。对该电路进行了仿真、版 图设计，并请华润上华公司(CSMC)用0.5m工艺进行了流片，最后用搭建的测试系统对该电路的功能进行了验证。 结果表明，该电路的过驱动因子符合设计要求。

激光治疗的研究和临床应用缺少有效反馈指导，导致治疗效果高度不稳定，针对这一问题提出激光辐照与扫频光学相干层析成像(OCT)系统整合以实现组织光热作用过程中的实时监测。利用OCT 的M 模式成像，采集激光照射过程中皮肤样品同一位置随时间变化的干涉光谱信号，测量信号深度分辨复反射率，通过其幅度和相位变化分析来探测热效应诱导组织变形过程中光散射中心位置和轴向位移的变化，并基于OCT 散射模型获取组织在激光辐照过程中光衰减系数变化信息，从而实时监测热损伤边界和损伤程度的演变。实验结果显示在一定的激光功率辐射下，随着激光作用时间的增长，组织出现热凝固坏死，热损伤边界单调下移，伴随损伤加重组织光衰减系数非线性增加。通过与光学显微、组织染色切片检测的对比分析进一步验证了该技术应用于精确监测和指导光热治疗的可行性。

为了模拟激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态热响应，建立了轴对称计算模型。模型考虑了激光辐照过程中基体热分解、质量迁移、比热容和热导率等物理量的变化情况。采用有限元方法求解控制方程，边界条件包含了激光辐照、对流换热以及辐射换热。在此基础上编写了计算程序，预测了激光辐照下碳纤维增强复合材料的瞬态温度场和基体热分解状况。为了校核模型，开展了激光辐照碳纤维复合材料试验。计算结果与试验数据比较表明，模型预测的复合材料温度-时间曲线与试验结果较好吻合，在较低功率密度激光辐照下复合材料热响应以基体热分解为主，与试验烧蚀形貌观察结果一致。

为解决金属材料在激光辐照过程中因时变能量沉积所致的热响应问题，构建了由多层氧化膜生长模型、吸收基底表面多层吸收膜模型和热传导方程组成的能量沉积-热响应时变耦合模型。多层氧化膜包括Fe2O3、Fe3O4和FeO等三层，Fe2O3和Fe3O4氧化膜初期以线性规律生长，后期以抛物线规律生长，其中Fe3O4氧化膜在250 ℃以上开始生长；FeO氧化膜在570 ℃后以抛物线规律生长。利用吸收基底表面多层吸收膜模型计算了不同厚度多层氧化膜的反射率；利用热传导方程计算样品温度，联立求解了激光辐照过程中样品温度和反射率的变化历程。最后，建立了积分球反射率测量装置，在线测量了不同功率1.06 μm连续激光辐照过程中45#钢的反射率和温度，实验结果与数值模拟结果吻合较好。

利用超音速气流环境模拟装置, 开展了自然对流和马赫数为3切向气流下, 1064 nm连续激光辐照TA15钛合金和LY12铝合金热响应实验研究, 得到了材料在两种条件下的温升曲线及熔穿时间。结果表明: 在激光辐照材料未使得其表面发生熔化前, 气流对材料激光辐照过程中的冷却效应较为明显, 在表面发生熔化时, 熔化的液态物质在气流切向力剥蚀作用下被吹离材料表面, 使得激光继续作用在材料上, 熔化→剥离→熔化→剥离如此反复, 可加速熔穿过程; 此外, 切向气流将影响钛合金这类热扩散系数较低材料的温度场分布, 使得气流下游处的温度高于上游, 而对铝合金这类热扩散系数较高的材料而言, 影响不明显。