用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁及其应用

摘要

一种用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁及其应用，包括有梁体，其特征在于所述的梁体具有一体连接的两层或多层的波纹层并显示出各波纹层的上、下表面具有波纹，各波纹层相互贴合，各波纹层中具有两个热膨胀系数不同的主要波纹层，各波纹层波纹的各个波峰、波谷及相邻波纹层的接合面的各个波峰、波谷具有相同的弯折或弯曲的趋势。本发明的性能远高于平直结构的普通热变形梁，因此基于本发明的光-机械式热型红外传感器同时具有高空间分辨率和高响应率。本发明可由标准的微机械工艺制成。

权利要求

1.一种用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁，包括有梁体，其特征在于所述的梁体具有一体连接的两层或多层的波纹层并显示出各波纹层的上、下表面具有波纹，所述的各波纹层相互贴合，所述的各波纹层波纹的各个波峰、波谷及相邻波纹层的接合面的各个波峰、波谷具有相同的弯折或弯曲的趋势；所述光-机械式热型红外传感器包括具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器；所述的具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器包括按阵列分布的微梁单元，每个微梁单元主要由吸热反光板，热变形梁、热隔离梁和补偿梁组成，热变形梁、热隔离梁和补偿梁在反光板两侧依次来回转折，补偿梁直接与支撑框架相连使整个结构被侧向支撑在纵横交错的支撑框架上，热变形梁和补偿梁是结构和尺寸相同的上述高性能热变形梁；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

2.根据权利要求1所述的高性能热变形梁，其特征在于所述的梁体包含两个主要波纹层，即第一、第二波纹层：第一波纹层的参数包括：厚度t1，杨氏模量E1，热膨胀系数α1；

第二波纹层的参数包括：厚度t2，杨氏模量E2，热膨胀系数α2；

所述两个主要波纹层的材料热膨胀系数不同。

3.根据权利要求1所述的高性能热变形梁，其特征在于所述各波纹层上的波峰与波谷呈对称分布或者非对称分布。

4.根据权利要求1所述的高性能热变形梁，其特征在于所述波纹层上的波峰、波谷的半径为一常数或者变数。

5.根据权利要求1所述的高性能热变形梁，其特征在于所述各波纹层材料由金属材料构成，所述金属材料主要包括：铝、金或银；或者由非金属材料构成，所述非金属材料主要包括：二氧化硅或氮化硅。

6.根据权利要求1所述的用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁，其特征在于所述光-机械式热型红外传感器是基于热变形梁受热弯曲使其端部偏转角发生改变的原理。

7.根据权利要求1所述高性能热变形梁在光-机械式热型红外传感器的应用，其特征在于应用方法为：把权利要求1所述的高性能热变形梁代替有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器的热变形梁和补偿梁；所述的具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器包括按阵列分布的微梁单元，每个微梁单元主要由吸热反光板，热变形梁、热隔离梁和补偿梁组成，热变形梁、热隔离梁和补偿梁在反光板两侧依次来回转折，补偿梁直接与支撑框架相连使整个结构被侧向支撑在纵横交错的支撑框架上；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

8.根据权利要求6所述高性能热变形梁在光-机械式热型红外传感器的应用，其特征在于应用方法为：把如权利要求1所述的高性能热变形梁代替所述光-机械式热型红外传感器的热变形梁。

说明书

用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁及其应

用

技术领域

[0001] 本发明涉及一种高性能热变形梁和包含这种梁的光-机械式热型红外传感器。尤其涉及包含大量波纹结构的热变形梁及在光-机械式热型红外传感器上的应用。

背景技术

[0002] 热变形梁一般由两种或两种以上材料构成的多层结构，热变形梁中至少有两层热膨胀系数不同，因此，当温度改变时，热变形梁中至少有两层在相同温度改变下产生的热应力大小不同，这些热应力导致了热致变形梁弯曲，当被加热时，热变形梁将向着具有低热膨胀系数的那一层弯曲，热变形梁的热致弯曲效应使得热变形梁的端部偏转角发生改变，基于这个原理，热变形梁广泛应用于光-机械式热型红外传感器，例如：本申请人的发明专利光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器(公开号：CN1556648)，光学读出红外传感器(公开号：CN1760651)，玻璃基底光学读出红外传感器(公开号：CN1970430)等。实现红外成像时，光-机械式热型红外传感器被置于一个透镜的焦平面处，因此也被称为“焦平面阵列(FPA)”。这些红外传感器的共同特征是：包括按阵列分布的微梁单元，微梁单元中包含热变形机构和红外吸收板，整个微梁单元为侧向支撑的无底单层平面结构，热变形机构由热隔离梁和热变形梁构成折转式分布。红外成像时，红外吸收板吸收红外辐射而被加热，这些热量传到热变形梁，由于热膨胀系数的不同，热变形梁发生弯曲变形，进而导致与热变形梁相连的红外吸收板相上或者向下偏转(取决于具体的设计)。本申请人在公开号为1474162发明专利所提到的光学读出方法和装置能量化读出红外吸收板偏转角度的变化，并将红外辐射源在微梁阵列上所成的热图像，转变为可见光学图像。

[0003] 目前，平直结构的普通热变形梁已经广泛应用于光-机械式热型红外传感器，但是仍然存在一些不足。第一：热变形梁作为光-机械式热型红外传感器，两个重要的性能指标是：空间分辨率和热机械响应率(单位温度变化所引起热变形梁偏转角的变化量)。空间分辨率与热变形梁的尺寸正反比，即热变形梁的长度越短空间分辨率越高，而热机械响应率与热变形梁的长度成正比，也就是说，热变形梁的长度越长热机械响应率越高。为了提高热变形梁的性能，需要解决的一个重要问题是：在给定像素大小内提高热变形梁的热机械响应率，即提高热变形梁的单位长度热机械响应率(单位温度变化所引起单位长度热变形梁偏转角的变化量)。第二：为了使平直结构的普通热变形梁具有热致弯曲效应，它一般是具有不同热膨胀系数的两层或者多层结构，这些层一般由不同材料构成，这就造成了各层之间不兼容的问题，例如，层与层之间黏附性不好的问题。为了解决这个问题，传统上在黏附性不好的层之间加入一层或者多层中间层以增强黏附性。这些中间层的材料与初始层的材料之间的兼容性，比初始层的材料之间的兼容性好得多。然而这种方法显著增加了制作复杂度和成本

发明内容

[0004] 本发明是为解决上述现有技术所存在的问题，提出一种用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁及其应用。通过使热变形梁包含大量波纹结构来显著提高光-机械式热型红外传感器的热机械响应率，并同时增强热变形梁各层之间的黏附性。

[0005] 本发明解决技术问题采用如下技术方案：

[0006] 一种用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁，包括有梁体，其特征在于所述的梁体具有一体连接的两层或多层的波纹层并显示出各波纹层的上、下表面具有波纹，所述的各波纹层相互贴合，所述的各波纹层波纹的各个波峰、波谷及相邻波纹层的接合面的各个波峰、波谷具有相同的弯折或弯曲的趋势。

[0007] 所述的高性能热变形梁，其特征在于所述的梁体包含两个主要波纹层，即第一、第二波纹层：

[0008] 第一波纹层的参数包括：厚度t1，杨氏模量E1，热膨胀系数α1；

[0009] 第二波纹层的参数包括：厚度t2，杨氏模量E2，热膨胀系数α2。所述两个主要波纹层的材料热膨胀系数不同。

[0010] 所述的高性能热变形梁，其特征在于所述各波纹层上的波峰与波谷呈对称分布或者非对称分布。

[0011] 所述的高性能热变形梁，其特征在于所述波纹层上的波峰、波谷的半径为一常数或者变数。

[0012] 所述的高性能热变形梁，其特征在于所述各波纹层材料由金属材料构成，所述金属材料主要包括：铝、金、银；或者由非金属材料构成，所述非金属材料主要包括：二氧化硅、氮化硅。

[0013] 所述的用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁，其特征在于所述光-机械式热型红外传感器包括具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器；所述的具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器包括按阵列分布的微梁单元，每个微梁单元主要由吸热反光板，热变形梁、热隔离梁和补偿梁组成，热变形梁、热隔离梁和补偿梁在反光板两侧依次来回转折，补偿梁直接与支撑框架相连使整个结构被侧向支撑在纵横交错的支撑框架上，热变形梁和补偿梁是结构和尺寸相同的高性能热变形梁；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

[0014] 所述的用于光-机械式热型红外传感器的高性能热变形梁，其特征在于所述光-机械式热型红外传感器是基于热变形梁受热弯曲使其端部偏转角发生改变的原理，包括专利公开号：CN1556648光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器，专利公开号：CN1760651光学读出红外传感器，专利公开号：CN1970430玻璃基底光学读出红外传感器等。

[0015] 所述高性能热变形梁在光-机械式热型红外传感器的应用，其特征在于应用方法为：把所述的高性能热变形梁代替有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器的热变形梁和补偿梁；所述的具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器包括按阵列分布的微梁单元，每个微梁单元主要由吸热反光板，热变形梁、热隔离梁和补偿梁组成，热变形梁、热隔离梁和补偿梁在反光板两侧依次来回转折，补偿梁直接与支撑框架相连使整个结构被侧向支撑在纵横交错的支撑框架上；所述的微梁单元采用顺序平铺的方式构成阵列。

[0016] 所述高性能热变形梁在光-机械式热型红外传感器的应用，其特征在于应用方法为：把所述的高性能热变形梁代替所述光-机械式热型红外传感器的热变形梁。

[0017] 与已有平直结构的普通热变形梁相比，本发明有益效果体现在：

[0018] 1、在尺寸和材料相同的条件下，波纹结构的高性能热变形梁的单位长度热机械响应率远高于平直结构的普通热变形梁的单位长度热机械响应率。图5是同一长度(40μm)两种热变形梁的热机械响应率实验结果图，其中，一种热变形梁是含有许多波纹结构即高性能热变形梁，另外一种是平直结构的普通热变形梁。从图中可见，高性能热变形梁的热机械响应率(0.37°/℃)远高于同长度的普通变形梁(0.09°/℃)，即实验证明，波纹结构的高性能热变形梁的单位长度热机械响应率比平直结构的普通热变形梁高4倍。

[0019] 2、与平直结构的普通热变形梁相比，高性能热变形梁两个主要层都有许多波纹结构，在高性能梁受热变形时，波纹结构的波峰和波谷的曲率半径都将发生变化，波峰曲率半径变化趋势和波谷曲率半径变化趋势将相反，至于波峰曲率半径的变化趋势是变大还是变小取决于具体的设计，为了便于说明下面设波峰曲率半径的变化趋势是变大(如果是变小，那么波谷的曲率半径将变大，所以此处举例说明用波谷代替波峰即可)。那么波峰的内层比外层热膨胀系数大，受热膨胀时，内层比外层膨胀得大，也就是说内层往外层“挤”，使得高性能变形梁的两个主要层呈相互挤在一起，这样使得，两个主要层在波峰处的黏附性更强，对整条梁来说，每个波峰相当于一个“钉子”把两个主要层“钉”在一起，因此，高性能热变形层与层之间的黏附性得到明显增强。

[0020] 与平直结构的普通热变形梁相比，波纹结构的高性能热变形梁具有高的单位长度热机械响应率，主要原因在于：

[0021] a)、波纹结构的存在能够增加高性能热变形梁的有效变形长度，而高性能热变形梁两端长度维持不变。考虑两条热变形梁，这两条梁两端的之间的长度相同，一条是含有波纹结构的高性能热变形梁，另外一条是不含波纹结构的普通热变形梁。如果把高性能热变形梁的波纹结构“拉”平，那么高性能热变形梁的有效变形长度将大于普通热变形梁的有效变形长度。由于热机械响应实事上与有效变形长度正比，所以具有更长有效变形长度的高性能热变形梁具有更高的热机械响应率，但是由于梁两端之间的长度相同，故高性能热变形梁具有高的单位长度热机械响应率。

[0022] b)、波纹结构的存在能有效降低高性能变形梁受热变形方向的抗弯刚度。由材料力学可知，具有初始曲率的梁比直梁具有更小的抗弯刚度，并且曲率越大，抗弯刚度越小。高性能热变形梁由于具有较小的抗弯刚度，故能有更大的热机械响应率。

[0023] 显然，波纹结构的高性能热变形梁能够在小的尺寸内具有大的热机械响应率。这样，使得基于高性能热变形梁的光-机械式热型红外传感器能同时满足高分辨率和高响应率的要求。高性能热变形梁在光-机械式热型红外传感器中的具体应用方法为：把高性能热变形梁代替光-机械式热型红外传感器的平直结构的普通热变形梁。由于高性能热变形梁在较小的尺寸内具有能具有较大的热机械响应率，这种新型的红外图像传感器每个象素可以做得更小，而其热机械响应率却依然很高，从而从根本上满足红外图像传感器高空间分辨率、高响应率的要求。

附图说明

[0024] 图1是基于波纹结构的高性能热变形梁的具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器，和关于这种具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器用于红外热成像仪的系统概图。

[0025] 图2是图1中具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器111的俯视图。

[0026] 图3A是图2中单个微梁单元201的三维示意图。

[0027] 图3B是在吸收红外辐射前图2中单个微梁单元201的侧视图(图中没有画出补偿梁304)。

[0028] 图3C是在吸收红外辐射后图2中单个微梁单元201的侧视图(图中没有画出补偿梁304)。

[0029] 图4A是图3中非对称波纹结构的高性能热变形梁302的一部分三维示意图。

[0030] 图4B-4I是图4A中所描述的非对称波纹结构的高性能热变形梁302的各种变体。

[0031] 图4J对称波纹结构的高性能热变形梁302J的示意图。

[0032] 图5是长度相同(40μm)，平直结构的普通热变形梁和波纹结构的高性能热变形梁的实验结果。

[0033] 图6是波纹结构的高性能热变形梁在发明专利光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器(公开号：CN1556648)中的应用实例具体实施方案

[0034] 为了更好的理解波纹结构的高性能热变形梁，这里首先给出基于高性能热变形梁的具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器及其在红外成像仪中的应用。图1、图2、和图3A-3C描述了该红外热像仪的成像原理，和该红外热像仪中具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器的环境温度补偿原理和传感原理。然后具体描述了波纹结构的高性能热变形梁，图4A到4I给出了波纹结构为非对称结构的具体实例，图4J给出波纹结构为非对称结构的具体实例，并结合这些图分析了波纹形状、大小和对称性对高性能热变形梁性能的影响图5是从实验上证明，在相同长度下，波纹结构的热变形梁与普通热变形梁相比具有高得多的热机械响应率。

[0035] 图1给出了红外成像仪的系统概图(对于光学测量装置，测量对象光-机械式热型红外传感器的安放架即处于图中红外辐射探测器的位置，光-机械式热型红外传感器由微梁阵列构成，微梁阵列作为测量对象置于安放架上)。图1中平行可见光束116照射在具有环境温度补偿结构的光-机械式热型红外传感器111上，并被微梁阵列111反射，反射光经滤波透镜105汇聚在其后焦平面上，形成光-机械式热型红外传感器111的光学衍射谱118。光学滤波单元106放置在滤波透镜105的后焦平面上，并预先设置有通光区域以及不通光区域。当被测物体109靠近红外成像仪时，光-机械式热型红外传感器111吸收红外光能后，产生一个角度偏转，衍射谱118相应地平移。衍射谱118的平移使它原来落在光学滤波单元106通光区域的一部分光线移入了光学滤波单元106的不通光区域(或者相反)。
因此能够通过光学滤波单元106的光线将减少(或增多)，到达光学接收器108的光能减少(或增多)。反映在光学接收器108上就是可见光图像光强的减弱(或增强)。换句话说，接收到的可见光光强的变化就反映了被测物体的红外辐射。

[0036] 图2给出了图1中光-机械式热型红外传感器111的俯视图，这个微梁阵列由一系列的微梁单元201构成，每个微梁单元201为光-机械式热型红外传感器的一个像素(A注意：图1仅画出一部分微梁单元201)，光-机械式热型红外传感器111通常是一个较大的像素阵列，例如160X120像素阵列(也就是说包含19200个微梁单元201)。每个微梁单元201都是微米量级大小，他们可以通过标准微机械技术制成，每个微梁单元201被侧向支撑在纵横交错的支撑框架202上。

[0037] 图3A是微梁单元201的三维示意图，由图3A可见，微梁单元201主要由吸热反光板301，高性能热变形梁302、热隔离梁303和补偿梁304组成。吸热反光板301的一面用于吸收红外辐射(图3A中的下表面)，另外一面是光学读出检测用的反光面(图3A中的上表面)，即上述光-机械式热型红外传感器111发射平行光束116的功能由每个微梁单元201的吸热发光板实现。高性能热变形梁302、热隔离梁303和补偿梁304在吸热反光板两侧依次来回转折。补偿梁304梁直接与支撑框架202相连，使整个结构被侧向支撑在纵横交错的支撑框架202上。高性能热变形梁302和补偿梁304具有许多波纹结构即为本发明所揭示的高性能热变形梁，且两者结构和尺寸相同。在一些具体应用中，高性能热变形梁302和补偿梁304一般包含一层金属层如金、铝等，在金属层的下方还一般还有一层非金属层如氮化硅、二氧化硅等。金属层具有相对较高的热膨胀系数，当环境温度升高或降低时，高性能热变形梁302和补偿梁304将同时向下或者向上弯曲，由于高性能热变形梁302和补偿梁304的结构和尺寸相同，因此两者的弯曲程度相同，从而使得吸热反光板301的偏转角不随环境温度的改变而改变。

[0038] 当吸热反光板301吸收红外光能后，1)吸热反光板301温度升高，热隔离梁302具有很高的热阻，使得吸热反光板吸收的红外辐射不易以热传导的方式传出，故与吸热反光板301相连的高性能热变形梁302温度升高，故高性能热变形梁302向下弯曲；2)支撑框架202相连，补偿梁304的温度恒为环境温度，故补偿梁304的弯曲程度保持不变。最终使得在与高性能热变形梁302相连一侧的吸热反光板向下偏转。如果需要的话，金属层与非金属层的相对位置可以互换，这时吸热反光板的偏转方向将相反。

[0039] 图3B是在吸收红外辐射前微梁单元201的侧视图(图中没有画出补偿梁304)，由于标准微机械技术不可避免的存在残余应力，热变形梁存在一个初始弯曲，因此吸热反光板最初有一个初始转角θ。图3C是吸收红外辐射后微梁单元201的侧视图(图中没有画出补偿梁304)，微梁单元吸收红外辐射温度升高，热变形梁发生弯曲变形，吸热反光板偏转角将增加Δθ。通过高性能热变形梁302的热致弯曲效应，微梁单元吸收的红外辐射被转变为吸热反光板偏转角度的改变。与平直结构的普通热变形梁相比，由于高性能热变形梁具有很高的热机械响应率，热变形梁的热致弯曲效应得到增强，从而使得吸热反光板偏转角度在吸收红外辐射后具有更大的改变量，即：红外成像的系统灵敏度得到增大。

[0040] 波纹结构的高性能热变形梁具体实例和性能分析：

[0041] 图4A给出了非对称波纹结构的高性能热变形梁302的一部分三维示意图，从图可见，高性能热变形梁302包含两个主要层401和402，两个主要层的热膨胀系数不相同从而产生热致弯曲效应。通过选择层401和层402材料，可是使高性能热变形梁302提供特定的热致弯曲方向，例如，如果想使高性能热变形梁302受热向下弯曲，那么，可以通过使上层401为具有相对高热膨胀系数的材料如金属材料，而下层402为具有相对低热膨胀系数的材料如非金属材料；与此相反，如果想使高性能热变形梁302受热向上弯曲，那么，可以通过使上层401为具有相对低热膨胀系数的材料如非金属材料SiNx等，而下层402为具有相对高热膨胀系数的材料如金属材料Au等。需要指出的是，这里所说的具有相对高热膨胀系数的材料不局限于金属材料，也有非金属材料如塑料、高聚物等也具有很高的热膨胀系数，同理，具有相对低热膨胀系数的材料也不局限于非金属材料。

[0042] 如图4A所示，高性能热变形梁包含许多波纹结构403，每个波纹结构403具有一个波谷和一个波峰。从上往下看，每个波纹结构403包含波谷404和波峰405；从下往上看，每个波纹结构403包含波峰406和波谷407。显然，波谷404和波峰406表示的是同一特征处的两个相对表面，同理，波峰405和波谷407也只是同一特征出两个相对的表面。为了清晰表示方式，如下的分析讨论都是从上往下看。

[0043] 波峰和波谷形状大小相同、位置对称的波纹结构称为对称波纹结构，如图4J所示的波纹结构，而波峰和波谷形状大小不相同的波纹结构称为非对称波纹结构。显然，图4A所表示的波纹结构为非对称波纹结构。实验表明，波纹结构的非对称性能有效增强热变形梁的热致弯曲效应即提高其热机械响应率，可能由非对称波纹结构上下表面弯曲半径的不同而导致的，而对于对称的波纹结构，由于波峰和波谷的对称性，波峰处上下表面弯曲半径的差异和波谷处上下表面弯曲半径的差异刚好相互抵消，使得其热致弯曲效应低于非对称波纹结构。

[0044] 图4B-4I是图4A中所描述的非对称波纹结构的高性能热变形梁302的各种变体，根据这些高性能热变形梁的具体实例，定性分析了非对称波纹结构的结构参数对高性能热变形梁的性能的影响，这些结构参数包括：波纹深度Dep，波峰角度α，高性能热变形梁所含波纹结构的数目和波峰弯曲半径。

[0045] 图4B到4D示意性给出了三种非对称波纹结构的高性能热变形梁302B到302D。在这三种高性能热变形梁的具体实例当中，高性能热变形梁302B具有最大的波纹深度Dep，而高性能热变形梁302D具有最小的波纹深度Dep，高性能热变形梁302C的波纹深度Dep介于302B与302D之间。由于波纹深度Dep越大，热变形梁的有效长度越长，所以波纹深度Dep越大，高性能热变形梁的热机械响应率也越大。高性能热变形梁302B具有最大的波峰角度α(90度角)，高性能热变形梁302C具有次之的波峰角度α(大约为70度角)，而高性能热变形梁302D具有最小的波峰角度α(大约为20度角)，高性能热变形梁的热机械响应率随着波峰角度α的增大而增大。综上所述，高性能热变形梁302B的性能将为最好，而高性能热变形梁302D的性能将为最差。值得注意的是，现有工艺不可能制作出波峰角度α大于90度的高性能热变形梁。

[0046] 如前所述高性能热变形梁的热机械相应率随着其有效长度的增加而增加，所以增加高性能热变形梁单位长度内波纹结构的数目将有效增加其热机械响应率。一种增加单位长度内波纹结构的数目的方法为尽可能的减少波谷长度。如图4E和4F所示，比较这两幅图，显然高性能热变形梁302F比高性能热变形梁302E在单位长度内具有更多的波纹数目，因此热机械响应率更高。事实上，高性能热变形梁302F的波纹结构是最优的，因为其波谷的长度已经是所有实际可能中的最小值，这个最小值由高性能热变形梁的厚度所决定。另外一种增加单位长度内波纹结构数日的方法为减少波峰弯曲半径，例如图4G和4H所示的高性能热变形梁的具体实例，高性能热变形梁302G由于波峰弯曲半径较小，因此其单位长度内的波纹结构数目多于高性能热变形梁302H，一般来说，高性能热变形梁302G的性能要优于高性能热变形梁302H的性能。需要注意的是，对于过小的波峰弯曲半径，很难获得大的波峰角度α(90度角)。

[0047] 以上所给出非对称波纹结构高性能热变形梁的各种实例，具有一个共同的特点，就是非对称波纹结构的波峰是圆周的一部分，即其弯曲半径是一个常数，而图4I所示的高性能热变形梁302I的波峰是一个一般曲线，即其弯曲半径不是一个常数而是一个变数。波峰弯曲半径是常数的高性能热变形梁要由于波峰弯曲半径是变数的高性能热变形梁。

[0048] 图4J是对称波纹结构的高性能热变形梁302J的示意图，从上往下看，每个波纹结构都包括一个波谷404J和一个波峰405J，波谷404J和波峰405J的形状大小相同，位置对称。由前面的讨论可知，对称波纹结构的高性能热变形梁的热机械响应率要低于非对称结构的高性能热变形梁的热机械响应率。

[0049] 图4A到4J所示的所有高性能热变形梁都具有两层401和402，但是需要强调的是，(a)在一些其它的具体实例中，高性能热变形梁可以含有两层或多层波纹层；(b)高性能热变形梁的各波纹层的上、下表面都含有波纹，各波纹层的材料不同且相互贴合，(c)各波纹层波纹的各个波峰、波谷及相邻波纹层的接合面的各个波峰、波谷具有相同的弯折或弯曲的趋势。

[0050] 对于用于图3A红外热成像的高性能热变形梁，其热机械响应率ST可以定义为微梁单元的温升ΔTC引起的反光板偏转角变化Δθ，

[0051]

[0052] 其中 第一层材料参数：厚度t1，杨氏模量E1，热膨胀系数α1；第二层材料参数：厚度t2，杨氏模量E2，热膨胀系数α2；Lleg为变形梁的长度，kcrg是与波纹的结构参数(波纹深度Dep、波峰角度α、所含波纹结构的数目和波峰弯曲半径)有关的比例常数。根据(1)式和实际情况，可以优化选择第一、二层具体材料，并且优化设计第一层和第二层的厚度比。例如第一层可以选择金、银、铝、钛、锌、锡等金属材料，而第二层可以选择SiNx、SiO2、非晶硅、非晶碳化硅等非金属材料，需要再一次指出的是，根据需要第一层和第二层所使用的材料可以对换，并且，可使用的材料并不局限于这些材料。

[0053] 图5是长度相同(40μm)，平直结构的普通热变性梁和波纹结构的高性能热变形梁的实验结果。从图可见，普通热变形梁的热机械响应率约为0.09°/℃，而经过波纹结构的优化(具体见上述对图4A到4J分析讨论内容)，高性能热变形梁的热机械响应率最高可达0.37°/℃。一般地，通过波纹结构的优化，高性能热变形梁的单位长度热机械响应率远高于普通热变形梁的单位长度热机械响应率。

[0054] 波纹结构的高性能热变形梁在专利公开号：CN1556648光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器、专利公开号：CN1760651光学读出红外传感器、专利公开号：CN1970430玻璃基底光学读出红外传感器等光-机械式热型红外传感器中的具体应用方法为：把高性能热变形梁代替上述光-机械式热型红外传感器的平直结构的普通热变形梁。例如，图6是波纹结构的高性能热变形梁在发明专利光-机械式微梁阵列热型红外图像传感器(公开号：CN1556648)中的应用实例，微梁单元601主要由吸热反光板601，高性能热变形梁602和热隔离梁603组成。高性能热变形梁602和热隔离梁603在吸热反光板两侧依次来回转折(可以转折多次，图6中只画出转折一次的情况)，最后整个结构被侧向支撑在纵横交错的支撑框架602上。高性能热变形梁602具有许多波纹结构，即本发明所揭示的高性能热变形梁。

[0055] 高性能热变形梁的制作方法：

[0056] 非对称波纹结构或者对称波纹结构的高性能热变形梁的标准MEMS制造工艺如下：首先在基底上形成适当大小、间隔和深度的凹槽，然后在此基础上沉积两层或者多层薄膜，从而形成高性能热变形梁的两个主要层，由于基底上存在凹槽，因此薄膜上将含有大量的波纹结构，显然波纹的结构参数将由基底上凹槽的参数决定。然后经过一次光刻，然后刻蚀薄膜，从而使整个薄膜变成一条条的微梁。最后用合适的刻蚀技术(如可利用干法刻蚀技术或者湿法刻蚀技术)刻蚀基底使这些微梁从基底上“释放”出来，最终形成高性能热变形梁及其阵列。