红外成像技术在军事、工业、医学等许多领域都有广泛的应用，特别是非制冷红外成像技术因其体积小、功耗低、成本低等优势而备受关注。随着微机械(MEMS)技术的发展，光读出红外成像技术因其无接触式的读出方法、不需要复杂的读出电路、具有良好的热隔离、更易加工的焦平面阵列(FPA)结构等优点成为近些年来的研究热点。本论文在课题组已有的工作基础上，对基于MEMS技术的光读出非制冷红外成像技术进行了深入的研究，在理论上完善了器件与系统的工作模型，在器件设计上采用了创新的结构与材料，在器件加工中攻克了多种工艺难题并最终实现了国内第一款光学读出非制冷红外热像仪的开发。取得的主要成果如下:　　 (1)基于夫琅禾费单缝衍射理论，建立了刀口滤波读出光路系统对FPA芯片中像元初始转角偏差要求的理论模型，得到光路系统所能接受的像元间最大初始转角偏差与像素反光板长度以及读出光波长的关系。同时指出，基于空间滤波技术的光学读出红外焦平面阵列器件，为了消除环境温度变化对像元转角变化的影响，工作时必须对器件进行控温。　　 (2)将FPA器件的响应模型从单像元扩展为阵列像元响应模型。在新的模型中充分的讨论了连接像元与像元的框架结构对于器件整体响应的影响。新模型指出，若要让FPA中每个单元独立工作而不影响其周围单元，在机械强度上需满足支撑框架固有频率大于单像元固有频率的要求，在热学性能上需要满足支撑框架的热容和热导足够大或者热导足够小的条件。　　 (3)设计了带有框架热沉结构的新FPA器件，通过ANSYS分析和实验验证得出具有体硅框架热沉结构的FPA器件的框架具有足够的热容与热导，可以降低阵列中各像素的串扰问题，并使FPA器件满足在室外环境下工作的有效控温需求，且所设计框架具有良好的机械性能，能够有效解决框架谐振问题。　　 (4)分析了影响FPA中像元偏转角度均匀性的各种因素:像元敏感区域的温差、框架平整度、薄膜厚度均匀性以及薄膜应力均匀性。建立了像元偏转角随各影响因素变化的理论模型，得到从薄膜材料淀积厚度到薄膜内应力分布，以及框架应力控制和敏感区域温度均匀性等一系列工艺与控制标准。　　 (5)在带有热沉结构的新型FPA开发过程中，开发了两种SiOx/Al双材料悬臂梁的应力匹配工艺:(a)利用已开发出的两项或两项以上薄膜淀积菜单（具有不同残余应力）生长同一材料薄膜，在材料中引入阶梯式应力梯度，通过调整淀积膜层厚度，来实现与另一种材料薄膜的应力匹配。(b)采用在SiOx薄膜中进行低能磷离子注入进行应力调节，从而实现与Al薄膜的应力匹配。两种工艺都经过了可行性验证。考虑到FPA器件的具体结构特征，本工作最终采用了低能离子注入作为FPA器件中镜面应力匹配的解决方案。　　 (6)开发出利用PECVD低温制备具有高抗KOH溶液腐蚀性能的SiNx薄膜的工艺条件，采用此条件淀积的SiNx薄膜在70℃的wt.33％KOH溶液中的腐蚀速率仅为38(A)/h。探索得到具有高腐蚀均匀性的单晶硅腐蚀工艺条件，并成功将该工艺条件应用于FPA芯片背面体硅腐蚀工艺中。　　 (7)开发出一套完整的带有框架体硅热沉结构的无基底SiOx/Al-FPA的制备工艺，成功制作出带有框架体硅热沉结构的无基底SiOx/Al-FPA芯片，测试得到带有加强筋反光板的曲率半径达到12mm以上，初始转角为11.8°，框架平整度小于15μm。经过测试，此芯片实现了敏感区域控温的设计需求，其响应率为17.6815 gray/K，响应时间为112ms，成像系统的总体噪声为9gray，并成功获得室温下人手的红外热像图。　　 (8)以全镂空SiNx/Au-FPA芯片为核心，开发出国内第一台基于刀口滤波技术的光读出红外成像样机。在相机开发中解决了FPA真空封装、光路小型化以及智能CCD模组开发等关键问题，并最终成功获得室温下人体成像动画，测试得到该红外成像样机的温度分辨率为300mK，系统噪声为8 gray，图像采集速度为10帧/秒。