CN110926620A - 一种基于单晶硅基底的红外靶标及其制作方法、保护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于单晶硅基底的红外靶标及其制作方法、保护结构，红外靶标包括单晶硅基底，单晶硅基底的厚度为100μm，单晶硅基底上设置有镂空图形，单晶硅基底的反射面上设置有高反射率膜，高反射率膜上设置有保护膜；采用单晶硅作为基底，使其在镂空图形的加工过程中不会产生表面变形，并且便于抛光和镀膜，不产生塑性变形，保证靶标表面的平整度。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种基于单晶硅基底的红外靶标及其制作方法、保护结构。
背景技术
红外探测设备对目标的识别主要取决于目标与背景间微小的温差或由发射率差引起的热辐射分布图像。目标形状的大小、灰度分布等物理特性是其识别的理论基础。所以在对目标进行模拟时不仅要模拟出一定空间分辨率的目标形状，而且要能实现目标与背景之间微小的温度差。
反射式红外目标模拟器通过目标辐射源和背景辐射源之间的共同作用，实现对目标热辐射特性的模拟。实现微小温差的核心部件即为反射式红外靶标。目标辐射源的辐射通过靶标上镂空处透射模拟目标的热特性，背景辐射源的辐射通过靶标未镂空处的反射来模拟目标周围背景的热特性。
现有靶标一般采用不锈钢、硬铝合金或黄铜等传统金属材料，其优点是加工工艺成熟、成本较低。但随着目标模拟器的发展，为防止镂空处图形厚度方向上的反射影响背景反射，反射式靶标向超薄化方向发展。
传统材料在满足厚度指标要求方面没有技术障碍，但是为了满足反射式靶标高反射率的要求，需要在厚度较薄的传统金属材质靶标基板上进行抛光并镀高反射率膜时，由于金属材料自身的强度特性，在抛光过程中会造成靶标表面的变形，影响其平面度，进而影响反射式红外目标模拟器的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的采用传统金属材料制作红外靶标带来的靶标表面变形、平整度不高的问题，提出一种基于单晶硅基底的红外靶标及其制作方法、保护结构，能够有效避免靶标表面变形，提高平整度。
一种基于单晶硅基底的红外靶标，包括单晶硅基底；
所述单晶硅基底的厚度为100μm；
所述单晶硅基底上设置有镂空图形；
所述单晶硅基底的反射面上设置有高反射率膜；
所述高反射率膜上设置有保护膜。
进一步地，所述单晶硅基底为圆形结构，所述镂空图形设置在所述单晶硅基底的几何中心处。
进一步地，所述镂空图形为四杆靶，所述四杆靶的狭缝宽度为44μm至56μm，狭缝长度为350μm。
进一步地，所述高反射率膜为金膜，所述保护膜为硫化锌膜。
进一步地，所述高反射率膜的厚度为150nm，所述保护膜的厚度为200nm。
一种红外靶标的保护结构，应用于上述的红外靶标，所述保护结构包括靶标底板、靶标盖板、紧固螺钉、上保护垫和下保护垫；
所述靶标底板通过紧固螺钉与所述靶标盖板固定连接，所述靶标底板上设置有凹槽，所述上保护垫和下保护垫设置在所述凹槽内，所述上保护垫和下保护垫之间形成安装空间，所述红外靶标设置于所述安装空间内。
一种基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，包括：
制备单晶硅基底；
对所述单晶硅基底的反射面进行抛光处理；
对所述单晶硅基底进行图案化，形成镂空图形；
在所述单晶硅基底的反射面上镀高反射率膜；
在所述高反射率膜上镀保护膜，形成红外靶标；
将所述红外靶标安装于所述保护结构中；
对所述红外靶标进行尺寸测量和反射率测量。
进一步地，采用激光切割对所述单晶硅基底进行图案化。
进一步地，对所述红外靶标进行反射率测量，包括：
将标准点源黑体加热至500℃，采用热像仪对准标准点源黑体的辐射口，获得辐射口的第一温场图像；
将所述红外靶标与所述标准点源黑体的辐射呈45°放置，获得辐射口经红外靶标后的第二温场图像；
根据所述第一温场图像和第二温场图像计算获得温度平均值，根据所述温度平均值计算红外靶标的反射率。
进一步地，所述反射率通过以下公式进行计算：
ε＝(Te/Ts)4；
其中，ε为反射率，Te为通过第二温场图像获得的温度平均值，Ts为通过第一温场图像获得的温度平均值。
本发明提供的基于单晶硅基底的红外靶标及其制作方法、保护结构，至少包括如下有益效果：
(1)采用单晶硅作为基底，使其在镂空图形的加工过程中不会产生表面变形，并且便于抛光和镀膜，不产生塑性变形，保证靶标表面的平整度；
(2)保护膜能够有效增强高反射率膜的附着强度，提高高反射率膜的使用寿命；
(3)将红外靶标设置在保护结构中，能够有效克服单晶硅的脆性大、受到冲击或震动时易碎的缺点。
附图说明
图1为本发明提供的基于单晶硅基底的红外靶标一种实施例的结构示意图。
图2为本发明提供的基于单晶硅基底的红外靶标一种实施例的剖面图。
图3为本发明提供的保护结构一种实施例的结构示意图。
图4为本发明提供的基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法一种实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
参考图1和图2，本实施例提供一种基于单晶硅基底的红外靶标，包括单晶硅基底101；
单晶硅基底101的厚度为100μm；
单晶硅基底上设置有镂空图形102；
单晶硅基底的反射面上设置有高反射率膜103；
高反射率膜103上设置有保护膜104。
传统反射式靶标选用的金属材料中综合力学性能较好的为不锈钢材料。而相较于不锈钢材料(断裂强度2.1×109N/m2、努式强度660kg/mm2、杨氏模量2.0×1011N/m2)，单晶硅的断裂强度(7.0×109N/m2)比不锈钢的高，努氏硬度(850kg/mm2)比不锈钢的强，杨氏模量(1.9×1011N/m2)与不锈钢相近，单晶硅的屈服强度也相当高，可与不锈钢相比拟。
硅作为半导体，其化学连接是共价键，共价健的连接势垒具有强烈的各向异性并有最小值。金属中晶体的位错比半导体中的位错更易于移动，因而金属具有较好的延展性而半导体是易碎的。
易延展的金属材料容易塑性变形，意味着这类材料容易受力学滞后影响。当在厚度较薄的金属材料上加工小孔、狭缝或对其表面进行抛光时，外界的应力负载会使较薄的金属基板产生变形，影响其表面的平整度。而对原本无缺陷的单晶硅施加负载的过程中，由于其没有可以移动的位错，通过加负载引入新的位错可以立即使单晶硅材料产生断裂，并且单晶硅材料没有任何塑性延迟和力学滞后。正是基于单晶硅该方面优异的机械性能，使其在镂空图形的加工过程中不会产生表面变形，并且便于抛光和镀膜，不产生塑性变形，保证靶标表面的平整度。
作为一种优选的实施方式，单晶硅基底101为圆形结构，直径为50.8mm，镂空图形102设置在所述单晶硅基底的几何中心处，该直径尺寸能够与现有红外目标模拟器的焦距和视场角匹配。
作为一种优选的实施方式，镂空图形102为四杆靶，四杆靶的狭缝宽度为44μm至56μm，狭缝长度为350μm，四杆靶图形的长宽比为7:1。
作为一种优选的实施方式，高反射率膜103为金膜，保护膜104为硫化锌膜，保护膜能够有效增强高反射率膜的附着强度，提高高反射率膜的使用寿命。
进一步地，高反射率膜103的厚度为150nm，保护膜104的厚度为200nm。
本实施例提供的基于单晶硅基底的红外靶标，至少包括如下有益效果：
(1)采用单晶硅作为基底，使其在镂空图形的加工过程中不会产生表面变形，并且便于抛光和镀膜，不产生塑性变形，保证靶标表面的平整度；
(2)保护膜能够有效增强高反射率膜的附着强度，提高高反射率膜的使用寿命。
实施例二
参考图3，本实施例提供一种红外靶标的保护结构，包括靶标底板201、靶标盖板202、紧固螺钉203、上保护垫204和下保护垫205；
靶标底板201通过紧固螺钉203与靶标盖板202固定连接，靶标底板201上设置有凹槽，上保护垫204和下保护垫205设置在凹槽内，上保护垫204和下保护垫205之间形成安装空间，红外靶标200设置于安装空间内。
将红外靶标设置在该保护结构中，能够有效克服单晶硅的脆性大、受到冲击或震动时易碎的缺点。
实施例三
参考图4，本实施例提供一种基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，包括：
步骤S301，制备单晶硅基底；
步骤S302，对所述单晶硅基底的反射面进行抛光处理；
步骤S303，对所述单晶硅基底进行图案化，形成镂空图形；
步骤S304，在所述单晶硅基底的反射面上镀高反射率膜；
步骤S305，在所述高反射率膜上镀保护膜，形成红外靶标；
步骤S306，将所述红外靶标安装于所述保护结构中；
步骤S307，对所述红外靶标进行尺寸测量和反射率测量。
具体地，执行步骤S301，选择合适厚度、合适尺寸的单晶硅材料作为基底。
执行步骤S302，对单晶硅基底的反射面进行抛光处理，抛光后粗糙度优于0.1μm。作为靶标基板的单晶硅表面达到0.1μm的粗糙度是镀高反射率膜的先决条件。
执行步骤S303，对单晶硅基底进行图案化，形成镂空图形，为满足现阶段红外探测设备对于典型空间分辨率下的MRTD测试需求，结合现有红外目标模拟器的焦距，计算可得需要加工的镂空处四杆靶图形的最小线宽为50μm。四杆靶图形长宽比为7：1，因此镂空处狭缝的长度为350μm。
进一步地，采用激光切割对所述单晶硅基底进行图案化。激光加工采用DC030型激光器，选用连续模式，功率选用1500W，进给速率选用600mm/min，保护气体为氧气。
执行步骤S304，在单晶硅基底的反射面上镀高反射率膜，该高反射率膜为金膜，厚度为150nm。
执行步骤S305，在高反射率膜上镀保护膜，该保护膜为硫化锌膜，厚度为200nm，保护膜的作用是增强高反射率膜的附着强度，提高高反射率膜的使用寿命。采用上述方法镀的高反射率膜的使用温度范围较宽，可达-40℃～200℃，满足反射式靶标的实际使用环境要求。
执行步骤S306，将红外靶标安装于保护结构中，该保护结构能够克服单晶硅脆性大、受到冲击或震动时易碎的缺点。
执行步骤S307，使用显微镜对装入保护结构的红外靶标镂空图形的尺寸进行了测量。
进一步地，对所述红外靶标进行反射率测量，包括：
将标准点源黑体加热至500℃，采用热像仪对准标准点源黑体的辐射口，获得辐射口的第一温场图像；
将所述红外靶标与所述标准点源黑体的辐射呈45°放置，获得辐射口经红外靶标后的第二温场图像；
根据所述第一温场图像和第二温场图像计算获得温度平均值，根据所述温度平均值计算红外靶标的反射率。
进一步地，所述反射率通过以下公式进行计算：
ε＝(Te/Ts)4；
其中，ε为反射率，Te为通过第二温场图像获得的温度平均值，Ts为通过第一温场图像获得的温度平均值。
采用本实施例提供的方法制作的红外靶标，反射率96％以上，满足测试需求。
以此该红外靶标为关键部件，组装调试后的反射式红外目标模拟器能够在实验室环境下为红外探测设备MRTD等指标进行高精度的计量和测试。
本实施例提供的基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，至少包括如下有益效果：
(1)采用单晶硅作为基底，使其在镂空图形的加工过程中不会产生表面变形，并且便于抛光和镀膜，不产生塑性变形，保证靶标表面的平整度；
(2)保护膜能够有效增强高反射率膜的附着强度，提高高反射率膜的使用寿命；
(3)将红外靶标设置在保护结构中，能够有效克服单晶硅的脆性大、受到冲击或震动时易碎的缺点。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于单晶硅基底的红外靶标，其特征在于，包括单晶硅基底；
所述单晶硅基底的厚度为100μm；
所述单晶硅基底上设置有镂空图形；
所述单晶硅基底的反射面上设置有高反射率膜；
所述高反射率膜上设置有保护膜。
2.根据权利要求1所述的基于单晶硅基底的红外靶标，其特征在于，所述单晶硅基底为圆形结构，所述镂空图形设置在所述单晶硅基底的几何中心处。
3.根据权利要求1所述的基于单晶硅基底的红外靶标，其特征在于，所述镂空图形为四杆靶，所述四杆靶的狭缝宽度为44μm至56μm，狭缝长度为350μm。
4.根据权利要求1所述的基于单晶硅基底的红外靶标，其特征在于，所述高反射率膜为金膜，所述保护膜为硫化锌膜。
5.根据权利要求4所述的基于单晶硅基底的红外靶标，其特征在于，所述高反射率膜的厚度为150nm，所述保护膜的厚度为200nm。
6.一种红外靶标的保护结构，其特征在于，应用于如权利要求1-5任一所述的红外靶标，所述保护结构包括靶标底板、靶标盖板、紧固螺钉、上保护垫和下保护垫；
所述靶标底板通过紧固螺钉与所述靶标盖板固定连接，所述靶标底板上设置有凹槽，所述上保护垫和下保护垫设置在所述凹槽内，所述上保护垫和下保护垫之间形成安装空间，所述红外靶标设置于所述安装空间内。
7.一种基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，其特征在于，包括：
制备单晶硅基底；
对所述单晶硅基底的反射面进行抛光处理；
对所述单晶硅基底进行图案化，形成镂空图形；
在所述单晶硅基底的反射面上镀高反射率膜；
在所述高反射率膜上镀保护膜，形成红外靶标；
将所述红外靶标安装于所述保护结构中；
对所述红外靶标进行尺寸测量和反射率测量。
8.根据权利要求7所述的基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，其特征在于，采用激光切割对所述单晶硅基底进行图案化。
9.根据权利要求7所述的基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，其特征在于，对所述红外靶标进行反射率测量，包括：
将标准点源黑体加热至500℃，采用热像仪对准标准点源黑体的辐射口，获得辐射口的第一温场图像；
将所述红外靶标与所述标准点源黑体的辐射呈45°放置，获得辐射口经红外靶标后的第二温场图像；
根据所述第一温场图像和第二温场图像计算获得温度平均值，根据所述温度平均值计算红外靶标的反射率。
10.根据权利要求9所述的基于单晶硅基底的红外靶标的制作方法，其特征在于，所述反射率通过以下公式进行计算：
ε＝(Te/Ts)4；
其中，ε为反射率，Te为通过第二温场图像获得的温度平均值，Ts为通过第一温场图像获得的温度平均值。
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