第37卷 第9期 激光与红外 2007年9月 LA SER ＆ I NFRA RED
V o. l 37, N o . 9Septe m ber , 2007
文章编号:1001-5078(2007) 09-0801-05
国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展
雷亚贵, 王戎瑞, 陈苗海
(华北光电技术研究所, 北京100015)
摘 要:非制冷红外焦平面阵列探测器是目前发展最为迅速的红外探测器种类之一, 并已广泛渗透到军事和民事应用中。本文重点阐述几种国外具有代表性的非制冷红外焦平面探测器的现状及其发展趋势。
关键词:非制冷红外探测器; 红外焦平面阵列; 微测辐射热计; 微悬臂梁红外探测器中图分类号:TN215 文献标识码:A
Devel op m ent of Foreign Uncooled I RFPA Detectors
LEI Ya -gu i , WANG Rong -r ui , CHE N M iao -hai
(N orth China R esea rch Instit ute o f E l e ctro -op tics , Be ijing 100015, Ch i na )
Ab stract :U ncoo l ed infrared de tector is one t ype of t he m ost fa st evo l ved infrared de t ec t o rs and has w ide m ilitary and civ ili an appli ca tions . In the pape r , the sta t em en t is f o cused on the sta t e o f art and trend o f several f o re i gn rep resenta -tive uncoo l ed i nfrared detecto rs develop men. t
K ey w ord s :uncoo l ed i nfra red detec t o r ; infrared f oca l p lane array ; m icrobolo m e ter ; m icro cantilever de t ec t o r
1 引 言
由于应用需求的牵引, 红外焦平面阵列(I RF -PA ) 探测器技术已发展到第三代水平, 其中非制冷I R FPA 探测器发展迅速, 虽然目前的性能尚不及制冷型光子探测器那样好, 但其能够工作在室温状态下, 并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功耗小、启动快及稳定性好等优点, 满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要。事实表明, 采用非制冷I RFPA 探测器的轻型红外热像仪系统逐渐增多, 其中采用的规格主要有160×120元、256×128元和320×240元等。一些较大规格如640×480元氧化钒(VO x ) 非制冷红外探测器也得到少量装备和应用, 如美国DRS 公司已在其小型常平架的传感器中采用了型号为U6000的640×I 。
非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热电(或铁电) 探测器和热电堆探测器, 其中微测辐射热计和铁电红外探测器生产量所占市场份额较大, 而前者比后者的灵敏度高很多, 并保持上升势头
[1]
。
本文着重阐述典型非制冷I RFP A 探测器———微测辐射热计的发展状况, 同时也介绍了近年出现的一些新型非制冷I RFPA 探测器技术, 如硅-绝缘体(SO I ) 二极管非制冷I RFPA 探测器、双材料微悬臂梁非制冷I RFP A 探测器、利用热光效应的非制冷I RFPA 探测器等。2 微测辐射热计进展
微测辐射热计的工作原理是温度变化引起材料
作者简介:雷亚贵(1970-) , 女, 硕士, 高级工程师, 主要从事信
息技术工作。E -m ail :l yg5145@s i na . co m 27
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激光与红外 第37卷
电阻变化, 其种类较多, 应用也最广泛, 包括VO x , a -Si 以及YBaCuO , 其中VO x 和a -S i 是主流产品。2. 1 VO x
VO x 的电阻温度系数(TCR ) 较高(一般为2%～3%/K ), 是目前首选的非制冷红外FPA 探测器。美国BAE 公司、Raytheon 公司、DRS 公司、I ndigo 系统公司、日本的NEC 以及以色列的SCD 公司等单位都能生产160×120～640×480元VO x 非制冷I RF -PA 探测器, 噪声等效温差(NETD ) 为20～100mK 。目前, 美国B AE 和DRS 已经在进行大规格1024×1024元非制冷I RFP A 探测器的研究。
为提高分辨率, 在同等面积上增加像元数目可使像元尺寸减小, 导致灵敏度降低, 因此要最大限度地提高光学吸收和隔热性能。美国Ray t h eon 公司采用了独特的双层结构提高隔热和增加光学填充因子, 如图1所示
[2-3]
(a ) 双弯曲臂结构 (b ) 具有屋檐结构的像元
(c ) 新结构截面示意图图2 NEC 公司改进的像元结构图
VO x 虽然目前依然是微测辐射热计中使用最多的材料, 但其最大的缺点就是不能与标准硅集成电路工艺兼容。2. 2 a -S i (非晶硅)
非晶硅的TCR (4%/K ) 与VO x 的相当, 也是一种具有前途的微测辐射热计材料。其优点是可与标准硅工艺完全兼容, 可制作较大规格的阵列探测器, 大幅降低系统尺寸和成本。但是由于非晶硅是无定形结构, 呈现的1/f 噪声比VO x 要高。
法国非制冷红外探测器研究机构主要是在法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室
。图1(a ) 为像元间距为50μm
的像元结构; 图1(b ) 为Ray theon 公司的双层结构, 像元间距为25μm 。采用这种结构得到的填充因子大于70%,光吸收效率大于80%。这种新技术已经用于25μm 320×240元和640×512元I RFPA 的生产。目前Ray theon 公司正在研制20μm 640×512元I RFPA (SB -300), 使其性能与25μm 阵列相当
[3]
。
(a ) (b )
图1 单层结构和双层结构
(CEA -LETI /LIR ), 从1992年就开始研究a -S i 探测器, 现已成熟。So fr adir 公司下属的ULI S 公司负责将技术转化为大规模的生产。CE A -LET I /L I R 非晶硅制作技术与VO x 方法基本相同。ULI S 现在能够生产两种二代320×240元a -Si I RFP A 探测器, 按照计划, 2005已开始进行640×480(25μm ) 探测器的研制, 但至今未见有详细报道。
美国Ray t h eon 商用红外公司主要从事a -Si 非制冷I RFPA 探测器的生产。其160×120元非晶硅探测器结构中加入A l 反射层, 这样衬底/读出电路和A1反射层之间形成1/4波长共振腔, 能最大限度地吸收8～12μm 波段的红外光。具体产品及指标见表1。
2. 3 YB a CuO 非制冷I RFPA 探测器
), 在中波红外微测辐射热计研究方面, Ray t h eon 公司正在开发像元间距50μm 的320×240元VO x 非制冷红外探测器。
日本NEC 公司于2003年就研制出320×240元VO x 微侧辐射热计, 填充因子达到72%,光吸收率为80%。2004年, 在原有像元结构的基础上, 增加了新结构———双弯曲臂和屋檐结构, 如图2所示。双弯曲臂加长使热导减少了一半、隔热性能提高, 但却减小了填充因子, 所以在像元上方加屋檐结构(可用S i N 材料), 重新吸收部分反射光, 填充因子很容易达到90%以上。
[4]
。NEC 的这种新的像元结
构也可应用于高分辨率640×512元非制冷I R FPA
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用SO I 技术, 探测器的热导很低, 使探测器的性能大为提高。2005年他们研究的640×480元SO I 二极管探测器, 如图3所示。在吸收结构和臂之间安装了独立的红外反射层, 使红外吸收超过80%,响应率不均匀性
。
材料为Si N x 和Au 。其NETD 较高, 这是因为没有采用低噪声的读出元件。现在已经得到用这种阵列制作的红外热像仪。
图4 256×256元IRFPA 结构
目前, 光学读出已经开始成为新型非制冷I RF -图3 SOI 二极管非制冷I RFP A
P A 探测器的关键技术之一, 原因在于光学读出是非接触式的, 无需电学连接, 因此降低了电噪声
[6]
3. 2 新型热机械非制冷红外焦平面阵列
在热机械非制冷红外探测器中, 有一种新型双材料微悬臂梁探测器, 它利用的是机械力学性质原理探测红外辐射, 20世纪90年代末开始出现。其工作原理是:两种膨胀系数相差较大的材料, 当温度升高时两种材料之间产生大的应力差, 使得微悬臂梁发生形变, 可用电容、光学、压阻或电子隧穿等极高灵敏度方法读出, 并与常规电路如C MOS 和CCD 100%兼容。
双材料微悬臂梁非制冷红外探测器的噪声等效温差(NETD ) 非常小, 理论值可以达到零点几毫开尔文。据报道, R . Am antea 等人在电容读出方式下实现了NETD 为5mK 的结果, 比一般的非制冷探测器低1个数量级, 这与制冷光子型红外探测器的NETD 相当, 将满足高灵敏度、轻质和低成本的装备要求。国外主要研究单位有美国O ak R i d ge (橡树岭) 国家实验室、加利福尼亚大学、美国Sarcon 微系统公司等
[5]
, 也
使得噪声等效温差降低。其原理是:用一束激光照射在I RFPA 探测器上, 当I RFPA 探测器吸收红外辐射时, 其温度发生变化从而引起形变, 则激光束在I RFPA 探测器上的位置发生移动, 反射的激光再落到CCD 或C MOS 相机上被读出, 从而探测到红外信号。光学读出可使器件体积更小、携带更方便, 因此具有光学读出方式的微悬臂梁非制冷探测器是非制冷探测器的一个重要发展方向。美国O ak R idge 国家实验室和田纳西州大学设计的双材料微悬臂梁探测器FPA 为256×256元S i N x /A l , 就采用两种非接触光学方式读取信号。
新型热机械非制冷红外探测器正处于研制之中, 其应用前景看好, 但技术上还存在一些问题, 如探测器中存在固有的机械噪声。
3. 3 基于光学读出的热电光非制冷红外探测器
[8]
这种非制冷探测器的敏感元件是一种以顺电相工作的电光晶体。其工作原理是:当晶体处于临界相变温度T c 以上时, 晶体是各向同性的, 其折射率在各个方向相同。但是加电场时, 晶体会出现双折射效应, 而且双折射大小与温度变化有关, 因此可探测红外辐射。
以色列Nor m al 技术公司和Jer usale m 的H ebre w 大学正在研制这种非制冷红外探测器, 并将光学读出技术应用其中, 预计可达到理论极限值。
, 。
2003年, 美国Sarcon 微系统公司应用标准集成电路工艺制作320×240元双材料微悬臂梁I RFPA , 像元间距50μm 。其中低热膨胀系数材料为a -S i C ∶H , 高膨胀系数材料为Au , 电容温度系数达到20%以上, NETD
美国Oak Ridge 国家实验室和田纳西州大学合作一直在研究双材料微悬臂梁探测器, 2006年制作
出, [7][6]
,
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列N or m a l 技术公司选择钽铌酸钾锂(KLTN )。采用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD ) 生长KLTN 薄膜。KLTN 薄膜不仅与体单晶有相同的物理特性, 而且组分均匀。目前, 以色列No r m al 技术公司还在不断从事组分优化研究, 以期这种材料得到应用。
实验用蓝色激光作为读出光源, 吸收层为Si N 材料。预计这种探测器的填充因子很高, 能在90%以上。虽然目前还未得到实用的探测器, 但通过理论计算, 其NETD 可达到以下目标:
(NETD ) 50μ5mK m =(NETD ) 25μ12mK m =3. 4 新型热光非制冷红外探测器
[9]
比的非制冷红外探测器用于中、低端的军用和民用系统应该是目前最好的选择。
非制冷红外探测器最终达到的目标应是:(1) 与标准集成电路兼容, 实现大规模的生产; (2) 在同等面积上, 像元尺寸减小, 但性能提高, 以达到缩小尺寸、降低成本的目的;
(3) 优化材料和结构, 提高I R FPA 探测器的吸收率和填充因子;
(4) 发展低成本一次性非制冷红外探测器, 扩大军民两用范围;
(5) 采用噪声小的激光进行光学读出; (6) 接近NETD 理论极限值的双材料微悬臂梁非制冷红外探测器和热电光红外探测器技术研究向高端军用方向发展;
(7) 缩短响应时间, 发展快速响应的非制冷红外探测器;
(8) 同时发展中波非制冷红外探测器, 部分替代成本较高的I nSb 和H gCdTe I RFPA 探测器。参考文献:
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美国Aegis 半导体公司利用半导体的热光效应对红外光进行探测, 采用该技术推动其低成本非制冷红外探测器的应用。红外焦平面探测器由热可调谐薄膜滤光片像元组成, 每个热像元相当于一个波长转换器, 可将远红外辐射信号转换为近红外信号后, 用现有CCD 和C MOS 相机进行探测。这种探测器的研制成功将大大影响红外探测器的市场价格。但就目前来看, 规格160×120元探测器(像元合格率>99. 9%,填充因子>92%,温度系数为6%/K ) 的NETD 较大, 不能满足军用要求, 但可在民用市场如视频安全及汽车夜间辅助驾驶等方面得到使用。4 发展趋势
非制冷I RFPA 探测器已经成为国际上研究的热点之一, 美国Ray theon 公司、法国So fradir 公司等已经可以生产各种规格的非制冷I RFPA 探测器, 并用于各种军用或民用的红外系统中, 且有逐年增加的趋势。
目前非制冷红外探测器采用的原理、结构和工艺与制冷光子型I RFPA 探测器不同, 是将吸收的红外辐射(热能), 转化成对热敏感的电阻、电势、几何结构(形变) 等物理量进行读出, 实现红外探测。通过技术上的不断改进和提高, 可能会有更好的提高I R FPA 探测器性能的方法。就目前来看, 还处于研究阶段的热机械双材料微悬臂梁红外探测器和热电光红外探测器, 由于它们的噪声等效温差(NETD ) 非常接近制冷光子型探测器的NETD , 因此将有可能成为新一代I RFPA 探测器发展方向之一。
非制冷红外探测器的探测率目前还不及光子型I R FPA 探测器高, 已装备的非制冷红外热像仪的
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国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展
雷亚贵, 王戎瑞, 陈苗海
(华北光电技术研究所, 北京100015)
摘 要:非制冷红外焦平面阵列探测器是目前发展最为迅速的红外探测器种类之一, 并已广泛渗透到军事和民事应用中。本文重点阐述几种国外具有代表性的非制冷红外焦平面探测器的现状及其发展趋势。
关键词:非制冷红外探测器; 红外焦平面阵列; 微测辐射热计; 微悬臂梁红外探测器中图分类号:TN215 文献标识码:A
Devel op m ent of Foreign Uncooled I RFPA Detectors
LEI Ya -gu i , WANG Rong -r ui , CHE N M iao -hai
(N orth China R esea rch Instit ute o f E l e ctro -op tics , Be ijing 100015, Ch i na )
Ab stract :U ncoo l ed infrared de tector is one t ype of t he m ost fa st evo l ved infrared de t ec t o rs and has w ide m ilitary and civ ili an appli ca tions . In the pape r , the sta t em en t is f o cused on the sta t e o f art and trend o f several f o re i gn rep resenta -tive uncoo l ed i nfrared detecto rs develop men. t
K ey w ord s :uncoo l ed i nfra red detec t o r ; infrared f oca l p lane array ; m icrobolo m e ter ; m icro cantilever de t ec t o r
1 引 言
由于应用需求的牵引, 红外焦平面阵列(I RF -PA ) 探测器技术已发展到第三代水平, 其中非制冷I R FPA 探测器发展迅速, 虽然目前的性能尚不及制冷型光子探测器那样好, 但其能够工作在室温状态下, 并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功耗小、启动快及稳定性好等优点, 满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要。事实表明, 采用非制冷I RFPA 探测器的轻型红外热像仪系统逐渐增多, 其中采用的规格主要有160×120元、256×128元和320×240元等。一些较大规格如640×480元氧化钒(VO x ) 非制冷红外探测器也得到少量装备和应用, 如美国DRS 公司已在其小型常平架的传感器中采用了型号为U6000的640×I 。
非制冷红外探测器主要包括测辐射热计、热电(或铁电) 探测器和热电堆探测器, 其中微测辐射热计和铁电红外探测器生产量所占市场份额较大, 而前者比后者的灵敏度高很多, 并保持上升势头
[1]
。
本文着重阐述典型非制冷I RFP A 探测器———微测辐射热计的发展状况, 同时也介绍了近年出现的一些新型非制冷I RFPA 探测器技术, 如硅-绝缘体(SO I ) 二极管非制冷I RFPA 探测器、双材料微悬臂梁非制冷I RFP A 探测器、利用热光效应的非制冷I RFPA 探测器等。2 微测辐射热计进展
微测辐射热计的工作原理是温度变化引起材料
作者简介:雷亚贵(1970-) , 女, 硕士, 高级工程师, 主要从事信
息技术工作。E -m ail :l yg5145@s i na . co m 27
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电阻变化, 其种类较多, 应用也最广泛, 包括VO x , a -Si 以及YBaCuO , 其中VO x 和a -S i 是主流产品。2. 1 VO x
VO x 的电阻温度系数(TCR ) 较高(一般为2%～3%/K ), 是目前首选的非制冷红外FPA 探测器。美国BAE 公司、Raytheon 公司、DRS 公司、I ndigo 系统公司、日本的NEC 以及以色列的SCD 公司等单位都能生产160×120～640×480元VO x 非制冷I RF -PA 探测器, 噪声等效温差(NETD ) 为20～100mK 。目前, 美国B AE 和DRS 已经在进行大规格1024×1024元非制冷I RFP A 探测器的研究。
为提高分辨率, 在同等面积上增加像元数目可使像元尺寸减小, 导致灵敏度降低, 因此要最大限度地提高光学吸收和隔热性能。美国Ray t h eon 公司采用了独特的双层结构提高隔热和增加光学填充因子, 如图1所示
[2-3]
(a ) 双弯曲臂结构 (b ) 具有屋檐结构的像元
(c ) 新结构截面示意图图2 NEC 公司改进的像元结构图
VO x 虽然目前依然是微测辐射热计中使用最多的材料, 但其最大的缺点就是不能与标准硅集成电路工艺兼容。2. 2 a -S i (非晶硅)
非晶硅的TCR (4%/K ) 与VO x 的相当, 也是一种具有前途的微测辐射热计材料。其优点是可与标准硅工艺完全兼容, 可制作较大规格的阵列探测器, 大幅降低系统尺寸和成本。但是由于非晶硅是无定形结构, 呈现的1/f 噪声比VO x 要高。
法国非制冷红外探测器研究机构主要是在法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室
。图1(a ) 为像元间距为50μm
的像元结构; 图1(b ) 为Ray theon 公司的双层结构, 像元间距为25μm 。采用这种结构得到的填充因子大于70%,光吸收效率大于80%。这种新技术已经用于25μm 320×240元和640×512元I RFPA 的生产。目前Ray theon 公司正在研制20μm 640×512元I RFPA (SB -300), 使其性能与25μm 阵列相当
[3]
。
(a ) (b )
图1 单层结构和双层结构
(CEA -LETI /LIR ), 从1992年就开始研究a -S i 探测器, 现已成熟。So fr adir 公司下属的ULI S 公司负责将技术转化为大规模的生产。CE A -LET I /L I R 非晶硅制作技术与VO x 方法基本相同。ULI S 现在能够生产两种二代320×240元a -Si I RFP A 探测器, 按照计划, 2005已开始进行640×480(25μm ) 探测器的研制, 但至今未见有详细报道。
美国Ray t h eon 商用红外公司主要从事a -Si 非制冷I RFPA 探测器的生产。其160×120元非晶硅探测器结构中加入A l 反射层, 这样衬底/读出电路和A1反射层之间形成1/4波长共振腔, 能最大限度地吸收8～12μm 波段的红外光。具体产品及指标见表1。
2. 3 YB a CuO 非制冷I RFPA 探测器
), 在中波红外微测辐射热计研究方面, Ray t h eon 公司正在开发像元间距50μm 的320×240元VO x 非制冷红外探测器。
日本NEC 公司于2003年就研制出320×240元VO x 微侧辐射热计, 填充因子达到72%,光吸收率为80%。2004年, 在原有像元结构的基础上, 增加了新结构———双弯曲臂和屋檐结构, 如图2所示。双弯曲臂加长使热导减少了一半、隔热性能提高, 但却减小了填充因子, 所以在像元上方加屋檐结构(可用S i N 材料), 重新吸收部分反射光, 填充因子很容易达到90%以上。
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。NEC 的这种新的像元结
构也可应用于高分辨率640×512元非制冷I R FPA
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用SO I 技术, 探测器的热导很低, 使探测器的性能大为提高。2005年他们研究的640×480元SO I 二极管探测器, 如图3所示。在吸收结构和臂之间安装了独立的红外反射层, 使红外吸收超过80%,响应率不均匀性
。
材料为Si N x 和Au 。其NETD 较高, 这是因为没有采用低噪声的读出元件。现在已经得到用这种阵列制作的红外热像仪。
图4 256×256元IRFPA 结构
目前, 光学读出已经开始成为新型非制冷I RF -图3 SOI 二极管非制冷I RFP A
P A 探测器的关键技术之一, 原因在于光学读出是非接触式的, 无需电学连接, 因此降低了电噪声
[6]
3. 2 新型热机械非制冷红外焦平面阵列
在热机械非制冷红外探测器中, 有一种新型双材料微悬臂梁探测器, 它利用的是机械力学性质原理探测红外辐射, 20世纪90年代末开始出现。其工作原理是:两种膨胀系数相差较大的材料, 当温度升高时两种材料之间产生大的应力差, 使得微悬臂梁发生形变, 可用电容、光学、压阻或电子隧穿等极高灵敏度方法读出, 并与常规电路如C MOS 和CCD 100%兼容。
双材料微悬臂梁非制冷红外探测器的噪声等效温差(NETD ) 非常小, 理论值可以达到零点几毫开尔文。据报道, R . Am antea 等人在电容读出方式下实现了NETD 为5mK 的结果, 比一般的非制冷探测器低1个数量级, 这与制冷光子型红外探测器的NETD 相当, 将满足高灵敏度、轻质和低成本的装备要求。国外主要研究单位有美国O ak R i d ge (橡树岭) 国家实验室、加利福尼亚大学、美国Sarcon 微系统公司等
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, 也
使得噪声等效温差降低。其原理是:用一束激光照射在I RFPA 探测器上, 当I RFPA 探测器吸收红外辐射时, 其温度发生变化从而引起形变, 则激光束在I RFPA 探测器上的位置发生移动, 反射的激光再落到CCD 或C MOS 相机上被读出, 从而探测到红外信号。光学读出可使器件体积更小、携带更方便, 因此具有光学读出方式的微悬臂梁非制冷探测器是非制冷探测器的一个重要发展方向。美国O ak R idge 国家实验室和田纳西州大学设计的双材料微悬臂梁探测器FPA 为256×256元S i N x /A l , 就采用两种非接触光学方式读取信号。
新型热机械非制冷红外探测器正处于研制之中, 其应用前景看好, 但技术上还存在一些问题, 如探测器中存在固有的机械噪声。
3. 3 基于光学读出的热电光非制冷红外探测器
[8]
这种非制冷探测器的敏感元件是一种以顺电相工作的电光晶体。其工作原理是:当晶体处于临界相变温度T c 以上时, 晶体是各向同性的, 其折射率在各个方向相同。但是加电场时, 晶体会出现双折射效应, 而且双折射大小与温度变化有关, 因此可探测红外辐射。
以色列Nor m al 技术公司和Jer usale m 的H ebre w 大学正在研制这种非制冷红外探测器, 并将光学读出技术应用其中, 预计可达到理论极限值。
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2003年, 美国Sarcon 微系统公司应用标准集成电路工艺制作320×240元双材料微悬臂梁I RFPA , 像元间距50μm 。其中低热膨胀系数材料为a -S i C ∶H , 高膨胀系数材料为Au , 电容温度系数达到20%以上, NETD
美国Oak Ridge 国家实验室和田纳西州大学合作一直在研究双材料微悬臂梁探测器, 2006年制作
出, [7][6]
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激光与红外 N o . 9 2007 雷亚贵 王戎瑞 陈苗海 国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展
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列N or m a l 技术公司选择钽铌酸钾锂(KLTN )。采用金属有机物化学汽相沉积(MOCVD ) 生长KLTN 薄膜。KLTN 薄膜不仅与体单晶有相同的物理特性, 而且组分均匀。目前, 以色列No r m al 技术公司还在不断从事组分优化研究, 以期这种材料得到应用。
实验用蓝色激光作为读出光源, 吸收层为Si N 材料。预计这种探测器的填充因子很高, 能在90%以上。虽然目前还未得到实用的探测器, 但通过理论计算, 其NETD 可达到以下目标:
(NETD ) 50μ5mK m =(NETD ) 25μ12mK m =3. 4 新型热光非制冷红外探测器
[9]
比的非制冷红外探测器用于中、低端的军用和民用系统应该是目前最好的选择。
非制冷红外探测器最终达到的目标应是:(1) 与标准集成电路兼容, 实现大规模的生产; (2) 在同等面积上, 像元尺寸减小, 但性能提高, 以达到缩小尺寸、降低成本的目的;
(3) 优化材料和结构, 提高I R FPA 探测器的吸收率和填充因子;
(4) 发展低成本一次性非制冷红外探测器, 扩大军民两用范围;
(5) 采用噪声小的激光进行光学读出; (6) 接近NETD 理论极限值的双材料微悬臂梁非制冷红外探测器和热电光红外探测器技术研究向高端军用方向发展;
(7) 缩短响应时间, 发展快速响应的非制冷红外探测器;
(8) 同时发展中波非制冷红外探测器, 部分替代成本较高的I nSb 和H gCdTe I RFPA 探测器。参考文献:
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美国Aegis 半导体公司利用半导体的热光效应对红外光进行探测, 采用该技术推动其低成本非制冷红外探测器的应用。红外焦平面探测器由热可调谐薄膜滤光片像元组成, 每个热像元相当于一个波长转换器, 可将远红外辐射信号转换为近红外信号后, 用现有CCD 和C MOS 相机进行探测。这种探测器的研制成功将大大影响红外探测器的市场价格。但就目前来看, 规格160×120元探测器(像元合格率>99. 9%,填充因子>92%,温度系数为6%/K ) 的NETD 较大, 不能满足军用要求, 但可在民用市场如视频安全及汽车夜间辅助驾驶等方面得到使用。4 发展趋势
非制冷I RFPA 探测器已经成为国际上研究的热点之一, 美国Ray theon 公司、法国So fradir 公司等已经可以生产各种规格的非制冷I RFPA 探测器, 并用于各种军用或民用的红外系统中, 且有逐年增加的趋势。
目前非制冷红外探测器采用的原理、结构和工艺与制冷光子型I RFPA 探测器不同, 是将吸收的红外辐射(热能), 转化成对热敏感的电阻、电势、几何结构(形变) 等物理量进行读出, 实现红外探测。通过技术上的不断改进和提高, 可能会有更好的提高I R FPA 探测器性能的方法。就目前来看, 还处于研究阶段的热机械双材料微悬臂梁红外探测器和热电光红外探测器, 由于它们的噪声等效温差(NETD ) 非常接近制冷光子型探测器的NETD , 因此将有可能成为新一代I RFPA 探测器发展方向之一。
非制冷红外探测器的探测率目前还不及光子型I R FPA 探测器高, 已装备的非制冷红外热像仪的