深度解析红外探测器

之前我们跟大家解析了红外探测器的相关性能参数。对于红外探测器的工作原理你了解多少呢？今天小编再继续上次的讲解，为大家解析非制冷红外焦平面探测器技术原理及机芯介绍。

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，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。

非制冷红外焦平面探测器分类

非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。以下介绍了非制冷红外焦平面探测器的工作原理及微测辐射热计、读出电路、真空封装三大技术模块，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的热导、高的红外吸收率、合适的热敏材料等；读出电路的传统功能是实现信号的转换读出，近年来也逐渐加入了信号补偿的功能；真空封装技术包括了金属管壳封装、陶瓷管壳封装、晶圆级封装和像元级封装。

概述

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，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器，制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远，主要应用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面探测器，但非制冷红外焦平面探测器的性能已可满足部分军事装备及绝大多数民用领域的技术需要。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，其性价比快速提升，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良好条件。

非制冷红外焦平面探测器主要是以微机电技术（MEMS）制备的热传感器为基础，大致可分为热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计等几种类型，其中微测辐射热计的技术发展非常迅猛，所占市场份额也最大。近年来非制冷红外焦平面探测器的阵列规模不断增大，像元尺寸不断减小，并且在探测器单元结构及其优化设计、读出电路设计、封装形式等方面出现了不少新的技术发展趋势。本文将在介绍测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器的基础上，分析其技术发展趋势。

微测辐射热计IRFPA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成微测辐射热计、读出电路、真空封装等 3 大技术模块。下面分别对它们进行介绍。

1.1 微测辐射热计的设计与制造

图1为单个微测辐射热计的结构示意图，在硅衬底上通过MEMS技术生长出与桥面结构非常相似的像元，也称之为微桥。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，和将温度变化转换成电压（或电流）变化的热敏层，桥臂和桥墩起到支撑桥面，并实现电连接的作用。微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到探测器焦平面阵列上，各个微桥的红外吸收层吸收红外能量后温度发生变化，不同微桥接收到不同能量的热辐射，其自身的温度变化就不同，从而引起各微桥的热敏层电阻值发生相应的改变，这种变化经由探测器内部的读出电路转换成电信号输出，经过探测器外部的信号采集和数据处理电路最终得到反映目标温度分布情况的可视化电子图像。

图1 微测辐射热计像元结构示意图

为了获得更好的性能，需要在微测辐射热计的结构设计上做精心的考虑与参数折衷。主要的设计参数及要求包括：微测辐射热计与其周围环境之间的热导要尽量小；对红外辐射的有效吸收区域面积尽量大以获得较高的红外辐射吸收率；选用的热敏材料需要具有较高的电阻温度系数（TCR）、尽量低的1/f噪声和尽量小的热时间常数。

1.1.1 热导

如图1所示，为使微测辐射热计与其衬底间的热导尽量小，微桥的桥臂设计需要用低热导材料，并采用长桥臂小截面积的设计。此外，需将微测辐射热计探测器阵列封装在一个真空的管壳内部，以减小其与周围空气之间的热导。

1.1.2 吸收率

要使微测辐射热计对红外辐射的吸收率尽量高，可从以下两方面入手。

1）提高填充系数

填充系数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、相邻微桥之间的空隙、连接微桥与读出电路的过孔等所占的面积都是没有红外吸收能力的。图1所示的是典型的单层微桥结构，其填充系数一般是60%～70%，且随着像元尺寸的减小，单层结构的填充系数会进一步下降。

要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，红外辐射吸收材料处于上方第二层，形似撑开的雨伞，桥臂及其他无吸收能力的部分都放到伞下的第一层。这种结构的填充系数可做到90%左右。

图2 双层伞形微桥结构

2）光学谐振腔设计

通过设计光学谐振腔也可以提高微测辐射热计对红外辐射的吸收率。因为有相当一部分入射的红外辐射能量会穿透微桥结构的红外吸收层，所以通常在微桥下方制作一层红外反射面，将从上方透射来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于二次吸收的效果有较大影响，如果设计为红外辐射波长的1/4，就可增加吸收层对反射回来的红外能量的吸收。对 8～14um的长波红外辐射，该距离约为2～2.5um。

图3(a)所示为一种类型的谐振腔结构示意图，反射面位于读出电路的硅衬底表面，所以微桥的桥面与硅衬底的距离是1/4辐射波长；图3(b)所示为另一种类型的谐振腔结构示意图，反射面位于微桥的下表面，所以微桥的厚度要做成1/4辐射波长。

图3 红外光学谐振腔示意图

1.1.3 热敏材料

热敏材料的选取对于微测辐射热计的灵敏度（NETD）有非常大的影响，优选具有高温度电阻系数（TCR）和低1/f噪声的材料，同时还要考虑到所选材料与读出电路的集成工艺是否方便高效。目前最为常用的热敏材料包括氧化钒（VOx）、多晶硅（a-Si）、硅二极管等。微测辐射热计的NETD主要受限于热敏材料的1/f噪声，这种噪声与材料特性密切相关，不同材料的1/f噪声可能会相差几个数量级，甚至对材料复合态的细微调整也会带来1/f噪声的显著变化。

1）氧化钒（VOx）

20世纪80年代初，美国的Honeywell公司在军方资助下开始研究氧化钒薄膜，并于 20 世纪 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（在室温环境下约为 2%/K～3%/K），其制备技术经过多年的发展已很成熟，在微测辐射热计产品中得到了广泛的应用。

氧化钒也有多种复合形态，如VO2、V2O5、V2O3等。单晶态的VO2、V2O5的TCR高达4%，但是需要采用特殊制备工艺才能得到；V2O5的室温电阻太大，会导致较高的器件噪声；V2O3 的制备技术相对不太复杂，且室温电阻较低，能得到更低的器件噪声，成为重点研究的氧化钒材料。

2）多晶硅（a-Si）

法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室（CEA2LETI/LIR）从1992年开始研究多晶硅材料的探测器，目前技术上已很成熟。多晶硅的TCR与VOx相当，也是一种得到较多应用的微测辐射热计材料，其优点是与标准硅工艺完全兼容，制备过程相对简单。但由于多晶硅是无定形结构，呈现的1/f噪声比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料。由于采用多晶硅材料的微测辐射热计可以将薄膜厚度控制的非常小，具有较低的热容，所以在保持较低热响应时间的同时也具有较小的热导，可一定程度兼顾图像刷新率和信号响应率的要求。

3）硅二极管（SOI）

硅二极管正向压降的温度系数特性可用于红外探测器的制造。红外吸收导致的温度变化可带来的PN结正向压降变化并不显著，等效的TCR只有0.2%/K，比通常的电阻型热敏材料低一个数量级。但硅二极管的优点在于其面积可做的比电阻的面积更小，因而能做出尺寸更小的像元，获得更大阵列规模的焦平面。硅二极管微测辐射热计可在标准CMOS工艺线上生产，制造更为方便。

4）其他材料

还有一些材料也可用于微测辐射热计的制造，它们具有某些优异的特性，但也存在较明显的缺点。钛金属薄膜具有较低的1/f噪声，可方便地与CMOS读出电路集成，具有较低的热导，但其TCR只有0.35%/K 左右；锗硅氧化物材料（ GexSi1-xOy）具有较高的TCR（可达5%/K 以上）和较低的热导，但其较高的1/f噪声限制了最终器件的性能；硅锗（SiGe）是一种值得关注的材料，可采用标准CMOS工艺实现非常薄（如100 nm）的薄膜制备，并具有较高的TCR（3%/K 以上），通过实现单晶态的SiGe可得到较低的1/f噪声；YBaCuO是另一种值得关注的材料，有比VOx高的电阻温度系数（约3.5%/K）以及较低的1/f噪声，其光谱响应范围很宽（0.3～100um)，是未来制造多光谱探测器的潜在材料。

1.2 读出电路（ROIC）

非制冷红外焦平面探测器的读出电路将每个微测辐射热计的微小电阻变化以电信号的方式输出。照射到焦平面上的红外辐射所产生的信号电流非常小，一般为纳安甚至皮安级，这种小信号很容易受到其他噪声的干扰，因此读出电路的电学噪声要控制的尽量小，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：给微测辐射热计的热敏薄膜施加固定的低噪声偏置电压，将其随温度的阻值变化以电流变化的形式得到，再由积分器转换成电压信号，经驱动器输出，如图4所示。

图4 非制冷红外焦平面的读出电路原理图

探测器制造工艺存在的偏差会导致探测器的输出信号存在非均匀性，近年来一些降低读出信号非均匀性的设计方法逐渐在读出电路上得到实现。例如列条纹非均匀性就是一种与读出电路密切相关的形态，这是由于读出电路中有一些部件是焦平面阵列中每一列共用的，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性特征，不同列之间的特征差异就表现为列条纹。针对列条纹的产生机理，可以通过改进读出电路设计来有效地抑制甚至基本消除列条纹，提高列与列之间的均匀性。

早期的非制冷红外焦平面探测器必须使用热电温控器（TEC）来保持焦平面阵列的温度稳定，这是因为不同像元之间由于制造工艺的偏差会带来阻值的差异，最终表现为阵列的不均匀性：即使所有像元接受同样的黑体辐射，它们各自输出的电压信号幅值也是不同的；即使所有像元面对同样的黑体辐射变化，它们各自所输出的电压信号的变化量也是不同的。上述这种由于像元之间差异所导致的阵列不均匀性，还会随着焦平面温度的变化而改变，使得探测器输出信号呈现出复杂的变化，为后续信号处理工作带来困难。近年来随着读出电路设计水平的提高，在实现传统读出电路的行选列选、积分器、信号驱动等基础功能之外，一些抑制像元输出信号随温度漂移的补偿电路也逐渐用于读出电路设计，从而可以实现无TEC应用，使得非制冷红外焦平面探测器在功耗、体积、成本等方面更具备优势。

1.3 真空封装技术

微测辐射热计接收目标红外辐射后的温度变化很微弱，为了使其上面的热量能够维持住，避免与空气分子进行热交换，需要将其置于真空环境下工作，一般对真空度的要求是小于0.01mbar（即0.00001atm）。对非制冷红外焦平面探测器真空封装的要求是：优异且可靠的密闭性；具有高透过率的红外窗口；高成品率；低成本。目前的封装技术可分为芯片级、晶圆级、像元级等，其中芯片级封装技术按照封装外壳的不同又可分为金属管壳封装和陶瓷管壳封装。

1.3.1 金属管壳封装

金属管壳封装是最早开始采用的封装技术，技术已非常成熟，图5是金属管壳封装使用的主要部件。由于采用了金属管壳、TEC和吸气剂等成本较高的部件，导致金属管壳封装的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的应用受到限制。

图5 非制冷红外焦平面的金属管壳封装部件

金属管壳封装形式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，无论国外还是国内的生产厂商都有大量的此类封装产品。图6为几种量产的金属管壳封装的探测器。随着更低成本的新封装技术的日渐成熟，目前金属管壳封装形式的探测器所占市场份额已经显著减少。

1.3.2 陶瓷管壳封装

陶瓷管壳封装是近年来逐渐普及的红外探测器封装技术，可显著减小封装后探测器的体积和重量，且从原材料成本和制造成本上都比传统的金属管壳封装大为降低，适合大批量电子元器件的生产。陶瓷管壳封装技术的发展得益于目前无TEC技术的发展，省去TEC可以减小对封装管壳体积的要求并降低成本。图7为两种典型的陶瓷管壳封装红外探测器。

图7 非制冷红外焦平面的陶瓷管壳封装

1.3.3 晶圆级封装

晶圆级封装是近两年开始走向实用的一种新型红外探测器封装技术，需要制造与微测辐射热计晶圆相对应的另一片硅窗晶圆，硅窗晶圆通常采用单晶硅材料以获得更好的红外透射率，并在硅窗口两面都镀有防反增透膜。微测辐射热计晶圆与硅窗晶圆通过精密对位，红外探测器芯片与硅窗一一对准，在真空腔体内通过焊料环焊接在一起，最后再裂片成为一个个真空密闭的晶圆级红外探测器。图8是一个晶圆级封装红外探测器的剖面图和晶圆级封装示意图。

图8 非制冷红外焦平面的晶圆级封装

与陶瓷管壳封装技术相比，晶圆级封装技术的集成度更高，工艺步骤也有所简化，更适合大批量和低成本生产。晶圆级封装技术的应用为红外热成像的大规模市场（如车载、监控、手持设备等）提供了具有足够性价比的探测器。

1.3.4 像元级封装

像元级封装技术是一种全新的封装技术，相当于在非制冷红外焦平面探测器的每个像元微桥结构之外再通过MEMS技术制造一个倒扣的微盖，将各个像元独立的密封起来。图9是其工艺过程的示意图，其中1～5步是目前的微测辐射热计的MEMS工艺步骤，在这之后继续在微桥的桥面上方生长第二层牺牲层，做为生长红外窗口薄膜的支撑层。待红外窗口薄膜及微盖四壁生长完成后，在真空腔体内通过窗口上的释放孔将前后两次的牺牲层释放掉，最后封堵住释放孔，完成像元级真空封装。

图9 像元级封装工艺步骤

像元级封装技术使封装成为了MEMS工艺过程中的一个步骤，这极大地改变了目前的封装技术形态，简化了非制冷红外焦平面探测器的制造过程，使封装成本降低到极致。目前这种技术还处于研究阶段，但随着像元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还将大幅下降，更加贴近民用和消费级应用市场的需求。

非制冷红外焦平面阵列探测器技术

（1）发展历史

非制冷红外焦平面阵列探测器是从20世纪80年代开始，在美国军方支持下发展起来的，在1992年全部研发完成后才对外公布。初期技术路线包括德州仪器研制的BST热释电探测器和霍尼韦尔研制的氧化钒（VOx）微测辐射热计探测器。后来由于热释电技术本身的一些局限性，微测辐射热计探测器逐渐胜出。2009年，L-3公司最终宣布停止继续生产热释电探测器。之后，法国的CEA/LETI以及德州仪器公司又分别研制了非晶硅（a-Si）微测辐射热计探测器。霍尼韦尔后来把技术授权给数家公司生产制造，CEA/LETI的技术在新成立的ULIS公司生产。而后的近20年内，美国的非制冷探测器发生过多次的公司并购重组，目前世界上主要的非制冷焦平面探测器制造商及各自的市场份额如图1所示。

从目前到未来相当长的时间内，非制冷市场将是VOx技术与a-Si技术两者竞争的舞台。由于VOx发展时间长，并且美国是全球最大的红外市场，所以VOx探测器目前占据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及市场份额

（2）工作原理

非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量，其基本原理（图2）：a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。

图2 非晶硅红外探测器工作原理

为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数，因此MEMS像元一般设计成如图3所示的结构。利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。

图3 非晶硅红外探测器结构

(3）应用领域

非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用：

（a）军事领域

军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等，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

（b）热像测温领域

热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等，如图5所示。

图5 非制冷红外探测器在热像测温领域的主要应用

（c）商用视觉增强领域

商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等，如图6所示。主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充。

图6非制冷红外探测器在商用视觉增强领域的主要应用

非制冷红外探测器主要制造厂商美国FLIR SYSTEMS公司技术发展情况

美国FLIR SYSTEMS公司是高性能红外热像仪系统研制、生产和销售的全球领先者，也是世界上首屈一指的非制冷氧化钒红外焦平面探测器的制造商。

FLIR不单独销售焦平面探测器，都是随着它的机芯或整机系统一同销售，从FLIR推向市场的产品可看出其量产的红外探测器的性能。目前FLIR非制冷焦平面探测器的像元尺寸以25um和17um为主；面阵规模以336×256和640×512为主；封装形式上既有陶瓷管壳封装，也有晶圆级封装的成熟产品；NETD指标约为40 mK左右；热响应时间约10～15 ms。总的来说，FLIR的产品代表了目前世界主流先进水平.

FLIR 的热成像相机机芯的设计旨在简单和有效地集成到更高级的组件和平台。现列举三款FLIR 非制冷探测器的机芯产品。

（一）Boson长波红外热像仪机芯重新定义了尺寸、重量和功率(SWaP)的革新标准，再次引领行业先锋。Boson采用FLIR全新的XIR™可扩展红外视频处理架构，在融合了先进的图像处理技术、视频分析功能、外围传感器驱动、以及数个工业标准通信接口的同时，仍保持了极低的功耗。此外，Boson提供种类繁多的镜头供客户选择，因此，热像仪机芯的最终尺寸和重量根据镜头选择而定。Boson小巧、轻便、功能强大。