一个CMOS-SOI-MEMS红外传感器的多物理光热和机械建模,具有半表面吸收器
Moshe Avraham1, Yael Nemirovsky1
1Electrical and Computer Engineering Department, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa 3200003, Israel.
Sensors (Basel, Switzerland)
|November 27, 2025
概括
本研究引入了一个多物理建模框架,用于将Metasurface吸收器集成到热红外 (IR) 传感器中. 该框架优化了可扩展,低成本的红外成像应用的光学,热学和机械性能.
科学领域:
- 光电学是指光电子产品.
- 纳米光子学 纳米光子学
- 微电子机械系统 (MEMS) 是一种微电子机械系统.
背景情况:
- 在CMOS-SOI-MEMS平台上的红外 (IR) 热传感器提供可扩展,低成本的热成像解决方案.
- 优化光学,热和机械性能对于这些传感器至关重要.
- 超表面吸收器提供了提高红外传感器效率的机会.
研究的目的:
- 开发和展示一个多物理建模框架,用于将Metasurface吸收器集成到热CMOS-SOI-MEMS红外传感器中.
- 为了研究Metasurface吸收器对传感器性能的影响.
- 为设计高性能,未冷却的红外传感器提供预测工具.
主要方法:
- 有限差异时间域 (FDTD) 模拟用于光学吸收分析.
- 热有限元分析 (FEA) 用于热性能评估.
- 分析性RC电路建模和热动力学和结构完整性的机械模态/和分析.
主要成果:
- 使用Metasurface吸收器,在目标红外波长 (例如4.26μm,10μm) 中证明了近单位的吸收.
- 实现了高热隔离和最大化的温度升高 (ΔT),并量化了热时间常数对Metasurface质量的灵敏度.
- 对3D FEA进行验证的分析RC模型,以准确捕捉热动力学.
- 经过验证的结构完整性,自然频率超过20kHz.
结论:
- 开发的多物理框架全面量化了光学效率,热响应和机械稳定性之间的权衡.
- 该框架作为设计先进,未冷却的红外传感器的预测工具,与CMOS制造工艺兼容.
- 超表面集成显示了提高热红外传感器性能的巨大潜力.
