红外探测器深度解析红外探测器

之前我们分析了红外探测器的相关性能参数。你对红外探测器的工作原理了解多少？今天，边肖将继续最后一讲，讲解非制冷红外焦平面探测器的技术原理和运动。

非制冷红外技术原理

非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，红外吸收材料将红外辐射能量转化为热能，导致敏感元件温度升高。敏感元件的某一物理参数随其变化，然后通过设计的转换机制转换成电信号或可见光信号，从而实现对物体的检测。

非制冷红外焦平面探测器的分类

非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。介绍了非制冷红外焦平面探测器的工作原理和三个技术模块，即微测辐射热计、读出电路和真空封装，并分析了影响其性能的关键参数。与微测辐射热计设计相关的重要参数包括低热导率、高红外吸收率、合适的热敏材料等。读出电路的传统功能是实现信号转换和读出，近年来逐渐增加了信号补偿功能；True 空封装技术包括金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装和像素级封装。

总结

红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键。广泛应用于军事、工业、交通运输、安全监控、气象、医药等行业。红外焦平面探测器可分为制冷红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器。冷藏红外焦平面探测器具有灵敏度高、分辨更细微温差的能力、探测距离长等优点，主要用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置即可在室温下工作，具有体积小、重量轻、功耗低、使用寿命长、成本低、启动快等优点。虽然灵敏度不如制冷红外焦平面探测器，但非制冷红外焦平面探测器的性能可以满足一些军事装备和大多数民用领域的技术需求。近年来，随着非制冷红外焦平面探测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比得到了快速提高，为推动非制冷红外焦平面探测器的大规模市场应用创造了有利条件。

非制冷红外焦平面探测器主要基于微机电技术制作的热传感器，大致可分为热电堆/热电偶、热释电、光机、微测辐射热计等类型，其中微测辐射热计技术发展迅速，市场份额最大。近年来，非制冷红外焦平面探测器的阵列尺寸不断增大，像素尺寸不断减小。此外，在探测器单元结构及其优化设计、读出电路设计、封装形式等方面也有许多新的技术发展趋势。在介绍测辐射热计非制冷红外焦平面探测器的基础上，分析了其技术发展趋势。

微测辐射热计的红外焦平面阵列及其技术进展

非制冷红外焦平面探测器从设计到制造，可分为微测辐射热计、读出电路和true 空封装三个技术模块。下面分别介绍。

1.1微测辐射热计的设计和制造

图1是单个微测辐射热计的结构示意图。通过微机电系统技术在硅衬底上生长与桥面结构非常相似的像素，也称为微桥。桥面通常由多层材料组成，包括用于吸收红外辐射能量的吸收层和用于将温度变化转换成电压变化的热敏层。桥臂和桥墩支撑桥面，实现电气连接。微桥测辐射热计的工作原理是:来自目标的热辐射通过红外光学系统聚焦在探测器的焦平面阵列上；每个微桥的红外吸收层吸收红外能量，每个微桥的温度变化不同，导致每个微桥的热敏层的电阻值相应变化。这种变化通过探测器内部的读出电路转换成电信号输出，最后通过探测器外部的信号采集和数据处理电路获得反映目标温度分布的可视电子图像。

图1微测辐射热计像素结构示意图

为了获得更好的性能，在微测辐射热计的结构设计中需要仔细考虑和参数折衷。主要设计参数和要求包括:微测辐射热计与其周围环境之间的导热系数应尽可能小；红外辐射的有效吸收面积尽可能大，以获得更高的红外辐射吸收率；所选热敏材料需要具有高电阻温度系数、尽可能低的1/f噪声和尽可能小的热时间常数。

导热率

如图1所示，为了最小化微桥与其基板之间的导热系数，微桥的桥臂设计需要使用低导热系数的材料，并采用横截面积小的长桥臂设计。此外，微测辐射热计探测器阵列应封装在真正的空管壳中，以降低其与周围空空气之间的热导率。

1.1.2吸收率

要使微测辐射热计对红外辐射的吸收率尽可能高，可以从以下两个方面入手。

1)提高填充系数

填充因子定义为微测辐射热计对红外辐射的有效吸收面积占其总面积的百分比。微桥的桥臂占据的面积、相邻微桥之间的空间隙、以及连接微桥和读出电路的通孔等。，没有红外吸收能力。图1所示为典型的单层微桥结构，其填充因子一般为60% ~ 70%，随着像素尺寸的减小，单层结构的填充因子会进一步减小。

为了增加填充系数以获得更高的吸收率，可以采用如图2所示的双层伞形微桥结构，在上层的第二层上放置红外辐射吸收材料，就像一把打开的伞，桥臂等没有吸收能力的部分放置在伞下的第一层上。这种结构的填充系数可以在90%左右。

图2双层伞形微桥结构

2)光学谐振腔的设计

微测辐射热计对红外辐射的吸收率也可以通过设计光学谐振腔来提高。由于入射的红外辐射能量有相当一部分会穿透微桥结构的红外吸收层，所以通常在微桥下方制作红外反射面，将从上方透射的红外辐射能量反射回红外吸收层进行二次吸收。吸收层与反射面之间的距离对二次吸收的效果影响很大。如果将其设计为红外辐射波长的1/4，则可以增加吸收层反射的红外能量的吸收。对于8 ~ 14um的长波红外辐射，距离约为2 ~ 2.5um。

图3是一种谐振腔结构的示意图，反射面位于读出电路的硅衬底表面，因此微桥的桥面板与硅衬底之间的距离为1/4辐射波长；图3是另一种谐振腔结构的示意图，反射面位于微桥的下表面，因此微桥的厚度应为辐射波长的1/4。

图3红外光学谐振腔示意图

1.1.3热敏材料

热敏材料的选择对微测辐射热计的灵敏度有很大的影响。优选具有高温度电阻系数和低1/f噪声的材料，还需要考虑所选材料和读出电路之间的集成过程是否方便和高效。目前最常用的热敏材料有氧化钒、多晶硅、硅二极管等。微测辐射热计的NETD主要受热敏材料1/f噪声的限制，这与材料的特性密切相关。不同材料的1/f噪声可能相差几个数量级，甚至材料复合状态的微小调整都会带来1/f噪声的显著变化。

1)氧化钒

20世纪80年代初，美国霍尼韦尔公司开始在军事支持下研究氧化钒薄膜，并于80年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计。氧化钒材料具有较高的TCR，其制备技术经过多年的发展已经成熟，已广泛应用于微测辐射热计产品中。

氧化钒也有多种复合形式，如VO2、V2O5、V2O3等。VO2和V2O5的单晶态TCR高达4%，但只能通过特殊的制备工艺获得。V2O5的室温电阻过大，会导致器件噪声很高。V2O3的制备工艺相对简单，室温电阻低，可以获得较低的器件噪声，因此V2O3成为关键的氧化钒材料。

2)多晶硅

法国原子能委员会和信息技术实验室/红外实验室于1992年开始研究多晶硅探测器，现在技术已经非常成熟。多晶硅的TCR相当于VOx，也是一种应用广泛的微测辐射热计材料。其优点是与标准硅工艺完全兼容，制备工艺相对简单。然而，因为多晶硅具有非晶结构，并且呈现出高于VOx的1/f噪声，所以NETD通常不如VOx。由于多晶硅制成的微测辐射热计可以控制膜厚非常小，热容量低，所以可以保持较低的热响应时间，同时热导率也很小，在一定程度上可以满足图像刷新率和信号响应率的要求。

3)硅二极管

硅二极管正向压降的温度系数特性可用于制作红外探测器。红外吸收引起的温度变化引起的PN结正向压降变化不显著，等效TCR仅为0.2%/K，比普通电阻热敏材料低一个数量级。而硅二极管的优点是可以使其面积比电阻小，因此可以制作更小的像素，获得更大阵列尺度的焦平面。硅二极管微测辐射热计可以在标准CMOS工艺线上生产，更加方便。

4)其他材料

还有一些材料可以用于制造微测辐射热计。他们有一些优秀的特点，但也有明显的缺点。钛薄膜1/f噪声低，易于与CMOS读出电路集成，热导率低，但其TCR仅为0.35%/K左右；GexSi1-xOy具有高TCR和低热导率，但其高1/f噪声限制了最终器件的性能。硅锗是一种值得关注的材料。它可以通过标准CMOS工艺制备成非常薄的薄膜，并且具有高的TCR。通过实现单晶SiGe，可以获得较低的1/f噪声。YBaCuO是另一种值得关注的材料，其电阻温度系数比VOx高，1/f噪声低，光谱响应范围宽，是未来制造多光谱探测器的潜在材料。

1.2读出电路

非制冷红外焦平面探测器的读出电路以电信号的形式输出每个微测辐射热计的微小电阻变化。红外辐射照射在焦平面上产生的信号电流很小，一般为纳安或皮安级。这个小信号很容易受到其他噪声的干扰，所以读出电路的电噪声要控制得尽可能小，以免对探测器的灵敏度指标造成不必要的影响。

传统读出电路的工作原理是在微测辐射热计的热敏薄膜上施加一个固定的低噪声偏置电压，以电流变化的形式获得其电阻随温度的变化，然后由积分器转换成电压信号，由驱动器输出，如图4所示。

图4非制冷红外焦平面读出电路示意图

探测器制造过程的偏差会导致探测器输出信号的不均匀。近年来，在读出电路中已经逐渐实现了一些减小读出信号不均匀性的设计方法。例如，列条纹非均匀性是与读出电路密切相关的一种形式，因为读出电路中的一些元件被焦平面阵列中的每一列所共享，例如积分器。这种电路结构会给同一列的输出信号引入一些共同的特征，不同列之间的特征差异会表现为列条纹。根据列条纹的产生机理，可以改进读出电路的设计，有效地抑制甚至消除列条纹，提高列间的均匀性。

在早期的非制冷红外焦平面探测器中，必须使用热电温度控制器来保持焦平面阵列的温度稳定。这是因为由于制造工艺偏差导致的不同像素之间的电阻差异最终会表现出阵列的不均匀性:即使所有像素接收到相同的黑体辐射，它们各自的输出电压信号幅度也是不同的；即使所有像素面对相同的黑体辐射变化，它们各自的输出电压信号的变化量也是不同的。像素之间的差异导致的阵列不均匀性也会随着焦平面温度的变化而变化，使得探测器输出信号呈现复杂的变化，给后续的信号处理带来困难。近年来，随着读出电路设计水平的提高，除了传统读出电路的基本功能，如行选择、积分器、信号驱动等。在读出电路设计中，逐渐采用了一些抑制像素输出信号随温度漂移的补偿电路，从而可以实现无TEC的应用，使得非制冷红外焦平面探测器在功耗、体积、成本等方面具有优势。

1.3 true 空封装技术

微测辐射热计在接收到来自目标的红外辐射后的温度变化非常微弱。为了维持其上的热量，避免与空气体分子发生热交换，需要将其置于真实的空环境中。一般真空度要求小于0.01mbar。非制冷红外焦平面探测器对真空封装的要求是:优良可靠的密封性；高透光红外窗；产量高；成本低。目前，封装技术可分为芯片级、晶圆级和像素级，其中芯片级封装技术根据封装外壳的不同可分为金属外壳封装和陶瓷外壳封装。

1.3.1金属管外壳包装

金属外壳包装是最早的包装技术，技术非常成熟。图5是金属外壳包装中使用的主要部件。由于采用金属外壳、TEC、吸气剂等高成本元器件，金属外壳的封装成本居高不下，限制了其在低成本器件中的应用。

图5非制冷红外焦平面的金属封装件

金属外壳封装的探测器曾经占据了非制冷红外焦平面探测器的大部分市场，国内外制造商都有大量的这种封装产品。图6显示了几个用金属外壳包装的批量生产的检测器。随着成本更低的新包装技术的成熟，金属外壳包装的探测器市场份额大幅下降。

1.3.2陶瓷管壳包装

陶瓷封装是近年来流行的红外探测器封装技术，与传统的金属封装相比，可以显著减小封装探测器的尺寸和重量，大大降低原材料成本和制造成本，适合电子元器件的大规模生产。陶瓷外壳封装技术的发展得益于无TEC技术的发展，省略TEC可以降低封装外壳的体积要求，降低成本。图7显示了封装在陶瓷外壳中的两个典型的红外探测器。

图7非制冷红外焦平面陶瓷封装

1.3.3晶圆级封装

圆片级封装是近两年来应用的一种新型红外探测器封装技术。需要制造另一个对应于微测辐射热计晶片的硅窗晶片。硅窗晶片通常由单晶硅制成，以获得更好的红外透射率，并且在硅窗的两侧涂覆抗反射和抗反射膜。微测辐射热计晶片与硅窗晶片精确对准，红外探测器芯片与硅窗逐个对准，通过焊环在真空腔内焊接在一起，最后分裂成一个真空密封的圆片级红外探测器。图8是晶片级封装红外探测器的截面图和晶片级封装的示意图。

图8非制冷红外焦平面的晶圆级封装

与陶瓷封装技术相比，圆片级封装技术集成度更高，工艺步骤简化，更适合大规模生产和低成本生产。晶圆级封装技术的应用为红外热成像的大规模市场提供了具有足够性价比的探测器。).

1.3.4像素级封装

像素级封装技术是一种全新的封装技术，相当于利用MEMS技术在非制冷红外焦平面探测器的每个像素的微桥结构外制作一个倒置的微盖，并独立封装每个像素。图9是其工艺的示意图，其中步骤1至5是当前微测辐射热计的微机电系统工艺步骤。之后，第二牺牲层继续生长在微桥的桥面板上，作为生长红外窗膜的支撑层。红外窗口膜和微盖四壁生长完成后，通过窗口上的释放孔将两层牺牲层释放到真空腔中，最后将释放孔堵住，完成像素级真空封装。

图9像素级封装工艺步骤

像素级封装技术使封装成为MEMS工艺中的一个步骤，极大地改变了目前的封装技术，简化了非制冷红外焦平面探测器的制造工艺，将封装成本降低到了极致。目前，该技术还处于研究阶段，但随着像素级封装技术的成熟和实用化，非制冷红外焦平面探测器的成本将大大降低，更接近民用和消费应用市场的需求。

非制冷红外焦平面阵列探测器技术

发展史

非制冷红外焦平面阵列探测器是80年代在美军支持下发展起来的，1992年全部研发完成后才发布。最初的技术路线包括德州仪器公司开发的BST热释电探测器和霍尼韦尔公司开发的氧化钒微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术的一些限制，微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年，L-3公司终于宣布停止生产热释电探测器。之后，法国CEA/LETI公司和德州仪器公司分别开发了非晶硅微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来将该技术授权给了几家公司，而CEA/LETI技术是在新成立的ULIS公司生产的。在接下来的20年里，美国出现了许多非制冷探测器的并购。目前，世界上非制冷焦平面探测器的主要制造商及其各自的市场份额如图1所示。

从现在到未来很长一段时间内，非制冷市场将是VOx技术和非晶硅技术竞争的舞台。由于VOx的发展时间较长，加上美国是世界上最大的红外市场，所以VOx探测器的市场份额处于领先地位。

图1主要非制冷焦平面探测器制造商和市场份额

工作原理

非制冷红外焦平面探测器由多个微机电系统微桥结构的像素在焦平面上二维重复排列而成，每个像素测量特定入射角的热辐射。其基本原理: a)红外辐射被像素内的红外吸收层吸收，引起温度变化，进而改变非晶硅热敏电阻的阻值；非晶硅热敏电阻通过微机电系统绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与硅衬底上制作的COMS隔离电路连接；c):c):CMOS电路将热敏电阻的电阻变化转化为差分电流，进行积分放大，采样后得到红外热像中单个像素的灰度值。

图2非晶硅红外探测器的工作原理

为了提高探测器的响应速度和灵敏度，要求探测器像素微桥具有良好的隔热性。同时，为了保证红外成像的帧率，像素的热容量要尽可能小，以保证足够小的热时间常数。因此，微机电系统像素的设计通常如图3所示。长而薄的微悬臂支架用于提高隔热性能。热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻薄以减少热质。在基板上制作反射层，在反射层和桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像素微桥通过悬臂梁的两端与衬底中的CMOS读出电路相连。因此，非制冷红外焦平面探测器是一种集成CMOS-MEMS单体的大阵列器件。

图3非晶硅红外探测器结构

应用领域

非制冷红外探测器广泛应用于军事和商业领域:

军事领域

军事应用包括武器热瞄准、便携式视觉增强、车载视觉增强、远程武器站、无人机、无人地面车、观察指挥车、火控制导等。，如图4所示。

图4非制冷红外探测器在军事领域的主要应用

热成像温度测量领域

热成像测温用于预防性检测，如输电线路、发电设备、机械设备等用红外热像仪检测异常发热区域。，可以防止重大停机和事故。在建筑方面，用于检测保温效果、墙体立面、空鼓、渗水、霉变等。其他领域包括产品开发、电子制造、医疗温度测量和过程控制，如图5所示。

图5非制冷红外探测器在热成像测温领域的主要应用

商业视觉增强领域

商业视觉增强的主要应用包括火灾救援、安全监控、车辆和船只上的红外视觉增强，如图6所示。它主要利用红外成像的优点，如不需要外部光源、穿透烟雾能力强、成像距离远、对比度强等，有效补充人体视觉。

图6非制冷红外探测器在商业视觉增强领域的主要应用

非制冷红外探测器的主要制造商美国前视红外系统公司的技术发展

美国前视红外系统公司是高性能红外热像仪系统研究、生产和销售的全球领导者，也是全球领先的非制冷氧化钒红外焦平面探测器制造商。

FLIR不单独卖焦平面探测器，而是和它的机芯或者整机系统一起卖。从FLIR带给市场的产品中，我们可以看到其量产红外探测器的性能。目前，FLIR非制冷焦平面探测器的像素尺寸主要是25um和17um。面阵的尺寸主要是336×256和640×512。包装形式包括陶瓷包装和圆片级包装的成熟产品。NETD指数约为40Mk；热响应时间约为10 ~ 15 ms，总体来说，FLIR产品代表了世界主流先进水平。

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