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紅外熱像儀探測器分類和發(fā)展簡史

發(fā)表于：2012/6/6 14:05:44 標簽：
由于紅外輻射是人眼不可見的，要察覺其存在，測量其強弱，就必須首先利用紅外探測器將其轉換為某種便于測量的信號。紅外探測器是紅外探測或成像系統(tǒng)中的核心，也是紅外技術發(fā)展最活躍的領域。紅外技術的發(fā)展水平，通常是以紅外探測器的發(fā)展水平為主要標志的。
1.紅外探測器分類
對于品種繁多的紅外探測器，有各種不同的分類方法。根據響應波長，可以分為近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外探測器；根據工作溫度和致冷需求，可以分為低溫致冷和室溫非致冷紅外探測器；根據結構可分為單元、線陣和焦平面紅外探測器；就探測機理而言，又可分為光子和熱敏紅外探測器，下面主要就這兩類紅外探測器予以簡單介紹。
1.1光子紅外探測器
光子紅外探測器是利用材料的光電效應將光信息轉換為電信息的紅外敏感器件。材料的電學性質通常取決于材料中電子的運動狀態(tài)，當光束入射至材料表面時，入射光子如果直接與材料中的電子起作用，引起電子運動狀態(tài)改變，則材料的電學性質也將隨之發(fā)生變化，這類現(xiàn)象統(tǒng)稱為材料的光電效應。這里強調“直接”兩字。如果光子不是直接與電子作用，而是能量被固體晶格振動吸收引起固體的溫度升高，導致材料電學性質的改變，這種情況不能稱為光電效應，而是熱電效應。光子探測器主要有以下幾種：
(1)光電導紅外探測器
某些半導體材料，當受到紅外線照射時，其電導率將明顯改變，這種物理現(xiàn)象就是光電導效應。利用具有光電導效應的材料制成的紅外探測器就稱為光電導型探測器。常用的這種類型的探測器有：硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、銻化銦（InSb）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和鍺（Ge）摻雜紅外探測器。
光電導探測器的缺點是：光電導效應只有在紅外輻射照射一段時間后，其電導率才會達到穩(wěn)定值，而當停止照射后，載流子不能立即全部復合消失，因此，電導率只有經過一段時間后才能回復。這種現(xiàn)象稱為弛豫現(xiàn)象，這就造成了光電導型紅外探測器響應速度較慢的缺點。
(2)光伏紅外探測器
如果在固體內部存在一個電場，而且條件適當，則本征光吸收所產生的電子－空穴對會趨向兩個部分，在兩部分間產生電勢差，接通外電路就可以輸出電流。這就是半導體PN結的光伏效應。利用具有光伏效應的材料制成的紅外探測器稱為光伏紅外探測用的光伏紅外探測器有：砷化銦（InAs）、碲鎘汞（Hg1-xCdxTe）和銻化銦（InSb）探測器等。
與光電導效應相反，光伏效應是一種少數(shù)載流子效應。少數(shù)載流子的壽命通常短于多數(shù)載流子的壽命，當少數(shù)載流子復合消失時，光伏信號就終止了。由于這個原因，光伏紅外探測器的響應速度一般快于光電導紅外探測器，有利于作高速檢測，另外其結構也有利于排成二維陣列制作焦平面。
(3)光電子發(fā)射紅外探測器
當頻率為v的光束照射至固體材料表面時，由于光的量子效應，光能總是以單個光子能量hv起作用，固體中的電子吸收了能量后動能增大。在向表面運動的電子中有一部分能量較大，除了在途中由于與晶格或其它電子碰撞而損失一部分能量外，尚有足夠的能量以克服固體表面的勢壘，逸出固體表面而向真空發(fā)射光電子，這種效應稱為光電子發(fā)射效應，利用這種效應制成的紅外探測器稱為光電子發(fā)射紅外探測器。
由于光子探測器是依賴材料內部電子直接吸收入射紅外輻射，無需經過物體加熱的中間過程，因而具有響應速度快、體積小、可靠性高、適應能力強等優(yōu)點。不過在室溫附近，由于材料固有的熱激發(fā)將增大探測器的暗電流，降低器件性能，因此，光子探測器需要在低溫致冷條件下才能發(fā)揮其最佳性能，這就增加了紅外探測或者成像系統(tǒng)的成本和復雜性，造成系統(tǒng)成本一直居高不下，僅在對靈敏度要求很苛刻的軍事領域和部分工業(yè)領域中得到應用，而很難進入具有廣泛應用前景的民用領域。
1.2紅外熱像儀探測器分類和發(fā)展簡史-熱敏紅外探測器
與光子探測器將光子能量直接轉換為光電子的光電效應不同，熱敏紅外探測器是利用紅外輻射的熱效應，通過熱與其他物理量的變換來探測紅外輻射的。物質的某些性質隨入射光的加熱作用引起的溫度升高而變化的現(xiàn)象稱為熱敏效應。熱敏效應的特點是入射光與材料的晶格相互作用，晶格因吸收光能而振動能量增加，材料溫度上升，從而引起與溫度有關的物理，化學或者電學參量發(fā)生變化。這些效應主要包括：塞貝克效應、熱敏電阻效應、熱釋電效應、熱彈性效應、隧道效應、液晶色變和氣體壓力改變等效應。
熱敏紅外探測器的響應信號取決于輻射功率或者其變化率，與紅外輻射的光譜成分無關。由于探測器的加熱和冷卻是一個比較緩慢的過程，因此與光子探測器相比，熱探測器的響應速度較慢。一般情況下，光子探測器的響應時間為微秒級，而熱探測響應時間為毫秒級。熱敏紅外探測器主要包括熱釋電、溫差電堆和微測輻射熱計紅外探測器三種類型。
(1)紅外熱像儀探測器分類和發(fā)展簡史-熱釋電紅外探測器
研究發(fā)現(xiàn)，部分晶體（如硫酸三甘肽、鈮酸鍶鋇等）沿某一特定的方向切割成薄片，并在兩表面制作電極形成平板電容后，當晶體溫度發(fā)生變化時，電容兩端將產生電壓。這種當材料表面溫度發(fā)生變化后，因材料自發(fā)極化而在材料表面釋放出電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應[6]。如果將該電容器上接上負載電阻，則會產生熱釋電電流根據熱釋電效應設計的紅外探測器就是熱釋電紅外探測器。
熱釋電材料僅在溫度變化時才產生響應電流，這是熱釋電探測器區(qū)別于其他熱敏紅外探測器（如微測輻射熱計、熱電堆）的重要標志。這個特點也決定了熱釋電紅外探測器必須在斬波器協(xié)助下才能正常工作。如果不使用斬波器，除非場景中有活動目標，否則熱釋電電荷將自動消散，場景圖像將漸隱。不過增加斬波器后，整個紅外成像系統(tǒng)結構將變得復雜。
熱釋電材料可分為三類：單晶熱釋電、陶瓷熱釋電和薄膜熱釋電。在眾多熱釋電材料中，BST（鈦酸鍶鋇，BaxSr1-xTiO3）陶瓷材料是目前研究得最成熟也是最成功的一種熱釋電陶瓷材料。TI（后并入Raytheon）公司推出的245×328BST鐵電陶瓷焦平面已形成產品，像元尺寸48.5μm×48.5μm，NETD（噪聲等效溫差，NoiseEquivalentTemperatureDifference）優(yōu)于0.8K，展示樣品的NETD優(yōu)于47mK。
不過，由于鐵電陶瓷焦平面的制作工藝與標準大規(guī)模硅集成電路工藝不兼容，因此焦平面制造成本較高。此外，陶瓷混合集成熱釋電焦平面的性能已經接近理論極限，因此自20世紀90年代中期以來，在美國國防預研局的資助下，Raython公司轉而研究單片集成式薄膜熱釋電紅外焦平面陣列，并取得了較大進展，目前，Raytheon公司利用PLZT（鋯鈦酸鉛鑭，Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3）熱釋電薄膜已經成功制造出320×240單片式熱釋電焦平面陣列，陣列的NETD優(yōu)于90mK。
熱釋電紅外探測器是目前熱探測器中的佼佼者，這種探測器除具有一般熱探測器點，如寬光譜響應、室溫工作等優(yōu)點外，還具有以下特殊優(yōu)點：
1)探測器輸出信號與靈敏元溫度變化率成正比，而與絕對溫度無關，因而無需自身的熱平衡，響應速度較快；2)熱釋電探測元本身可以作為一個濾波器，可以將一定量的噪聲旁路分離掉，噪聲較??；3)電荷存儲具有積分特性，能存儲由瞬時信號釋放的總電荷，此時電
荷的測量取決于瞬時的總量；4)無需加偏壓，讀出電路設計簡單。不過由于熱釋電紅外探測器需要斬波器協(xié)助才能正常工作，因此與熱電堆、測輻射熱計比較而言，成像系統(tǒng)結構復雜。
(2)溫差熱電堆紅外探測器
溫差熱電堆紅外探測器是利用材料的塞貝克（Seebeck）效應工作的。塞貝克效應是熱能轉換為電能的現(xiàn)象，當兩種金屬或者半導體材料一端歐姆接觸而另兩端開路時，如果接觸端與開路端形成溫度差，則在兩開路端之間會產生一定的電勢差，這種由于溫度梯度使得材料內部的載流子由熱端向冷端移動而在冷端形成電荷積累的現(xiàn)象，就稱為塞貝克效應。這種結構就稱為熱電偶。若干熱電偶串連起來就形成熱電堆，與單個熱電偶相比，熱電堆由于電勢疊加，便于獲得相當可觀的電信號。如果將熱電堆的接觸端與一吸收紅外輻射的小黑體連接在一起，則當小黑體吸收紅外輻射能量后，加熱接觸端溫度升高，依據塞貝克效應，在分離端將產生溫差電動勢。電動勢的大小與入射的紅外輻射能量間存在一個確定的關系，依據這種原理制成的紅外探測器稱為溫差熱電堆紅外探測器。
用于熱電堆紅外探測器的常用熱偶對材料有多晶硅和金、多晶硅和鋁、P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜材料對以及N型和P型多晶硅材料對。其中N型和P型多晶硅材料對由于具有較高的賽貝爾系數(shù)和優(yōu)值，制作工藝與集成電路工藝兼容等優(yōu)點，是當前研究得比較深入也是最有前途的熱偶探測材料。日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司（NEC）利用N型和P型多晶硅作為熱電材料制作了128×128元單片式熱電堆紅外焦平面陣列，器件響應靈敏度約為1,550V/W。與其他熱敏型紅外探測器相比，熱電堆紅外探測器響應靈敏度不高，熱響應時間較長，因此在器件性能方面并不具有競爭優(yōu)勢。不過熱電堆紅外探測器制作容易與集成電路工藝兼容，信號后處理電路也比較簡單，具有低成本的潛力，在對紅外成像圖像質量要求不高的社區(qū)保安、安全監(jiān)控，汽車輔助駕駛等領域具有一定的應用前景。

(3)微測輻射熱計紅外探測器
微測輻射熱計是利用熱敏材料的電阻率對溫度的敏感特性進行紅外探測的。常用的熱敏材料主要有金屬和半導體薄膜。當溫度增加時，金屬薄膜電子遷移率下降，薄阻增加，TCR（電阻溫度系數(shù)，TemperatureCoefficientofResistance）為正值，一般在量級[16~19]。由于金屬薄膜的TCR較低，因此該類薄膜僅在原型器件開發(fā)中得到應用。與金屬薄膜相比，以氧化釩和非晶硅為代表的半導體材料的TCR一般要高一個數(shù)量級，是目前最常用的熱敏材料。當溫度升高時，半導體材料的電荷載流子濃度和遷移率增大，電阻率隨著材料溫度升高而減小，顯示出負的TCR。
微測輻射熱計紅外探測器具有無需斬波、制作工藝與集成電路制造工藝兼容，便于大規(guī)模生產等優(yōu)點，具有相當大的發(fā)展?jié)摿?，是目前發(fā)展速度最快、性能最好和最具有應用前景的一種熱敏型紅外探測器。
除以上三種主要的熱敏紅外探測器外，還有基于其他物理熱效應的紅外熱探測器，
主要包括：
1)利用物理的熱脹冷縮效應，如水銀溫度計，氣體高萊瓶等；
2)共振頻率與溫度的相關性，如石英晶振非致冷紅外探測器；
3)雙材料微懸梁懸臂彎曲與溫度的相關性，如基于雙材料微懸臂的電容讀出和光學讀出的非致冷紅外探測器；
4)熱光效應。利用材料的折射率－溫度相關性研制的紅外探測器。
2紅外熱像儀探測器分類和發(fā)展簡史-紅外探測器發(fā)展簡史
自1800年赫胥爾利用涂黑的水銀溫度計發(fā)現(xiàn)紅外輻射后，水銀溫度計作為紅外探
測器，一直沿用到1830年。
1821年Seebeck發(fā)現(xiàn)了溫差電效應，研制出第一個熱電偶。
1829年Nobili將幾個熱電偶串連起來，制作了首個熱電堆。
1833年梅羅里（Melloni）利用銻化鉍作為熱電堆材料，大幅提高了熱電堆紅外探測器的探測靈敏度，它比當時最好的水銀溫度計至少靈敏40倍。
十九世紀八十年代，又發(fā)明了一些高靈敏的新型紅外探測器，其中最具有代表意
義的是Langley發(fā)明的測輻射熱計，它比熱電堆的靈敏度約高30倍。
1886年Langley采用兩條細長的鉑條作為惠斯頓電橋的兩個橋腿，研制成功首個測輻射熱計，在隨后的20年內，Langley不斷改進微測輻射熱計的性能。
早期研制的紅外探測器都是基于材料的熱電效應，光子探測器是在二十世紀二十年代初才出現(xiàn)的。
1917年，Gase首次利用紅外線的光電導效應，研制成功亞硫酸鉈光子探測器。光子紅外探測器比以前使用的任何探測器都靈敏得多，而且響應也快得多。第二次世界大戰(zhàn)以來，光子探測器發(fā)展相當迅速，并成為之后一段時間內紅外探測器發(fā)展的主流，其中最有代表性的有PbSi、InSb和HgCdTe等三類探測器。致冷型光測器是公認靈敏度最高的紅外探測器。在二十世紀六十年代以前，紅外探測器都以光子單元探測器為主，構成第一代紅外探測器。
二十世紀七十年代開始研究致冷型紅外焦平面陣列，迄今為止，332×240元HgCdTe、InSb、InGaAs和PtSi凝視焦平面陣列技術已經成熟并投入生產，640×480元正在邁向成熟階段，部分已經投入批量生產。中/長波（3~5μm和8~12μm）HgCdTe紅外焦平面陣列已發(fā)展到1024×1024、2048×2048和4096×4096元，中波InSb紅外焦平面陣列已經發(fā)展至2048×2048元。這些焦平面陣列的一個共同特點是都要求低溫致冷，成為當時紅外探測器發(fā)展的主流，稱為第二代紅外探測器技術。
自二十世紀九十年代以來，紅外技術正在經歷第三次革命，以微測輻射熱計和熱釋電探測器為代表的非致冷紅外成像技術獲得了重要突破并達到實用化。它不僅解決了紅外攝像技術中最為突出的要求低溫（~77K）冷卻工作的要求，而且還可像光子半導體紅外焦平面陣列技術一樣實現(xiàn)同讀出電路的大規(guī)?；虺笠?guī)模集成，實現(xiàn)了高密度、小型化、便攜和易于操作的紅外熱像儀，同時這種技術也適合采用目前硅大規(guī)模集成電路制作技術批量生產，使紅外熱攝像儀成本低廉化，去除了紅外熱攝像系統(tǒng)長期以來價格居高不下的問題，搬去了阻礙紅外熱攝像儀技術廣泛推廣應用，特別是進入廣闊民用市場的障礙，成為當今紅外成像技術最引人矚目的突破之一。

3紅外熱像儀探測器分類和發(fā)展簡史-微測輻射熱計紅外探測器
高性能的非致冷紅外焦平面主要有熱釋電和微測輻射熱計兩種。與具有相當競爭力的熱釋電紅外探測器相比，微測輻射熱計具有以下優(yōu)點：
(1)制作工藝與CMOS（互補型金屬氧化物半導體，ComplementaryMetalOxideSemiconductor）工藝兼容，有利于采用半導體工藝大批次集成制作，成本更低；
(2)工作時無需斬波，成像系統(tǒng)無活動部件，使用壽命長，可以做成便攜式產品，操作與維護簡單方便；
(3)極低串音，由于采用了熱絕緣微橋結構，焦平面陣列中每個像元同鄰近的像元幾乎完全熱隔離，因而無圖像拖影或模糊現(xiàn)象；
(4)響應速度快，較快的幀速可以將在全景拍攝期間由快速拍攝所造成的圖像劣化現(xiàn)象減少至最低限度；
(5)響應動態(tài)范圍寬，線性度好；
(6)具有潛在的低靈敏度特性，基于微橋絕熱結構的微測輻射熱計焦平面能夠實現(xiàn)潛在最大的熱靈敏度，其NETD極限低于5mK。
盡管微測輻射熱計自1886年就開始出現(xiàn)，但早期的器件研究都是圍繞輻射計量開展的，將其應用于紅外成像是近幾十年的事情。Putley于1966年全面描述了薄膜式測輻射熱計的紅外探測原理，建立了響應度和噪聲極限的理論模型[35]。不過在1979年之前，由于微加工技術的限制，測輻射熱計的尺寸較大，因此無法制成陣列器件。1979年，Johnson提出了利用體硅加工工藝制做氮化硅薄膜微橋結構用于熱探測器絕熱結構的設想，Johnson和Higashi隨后驗證了這一設想。隨后Kruse于1982年從理論上證明了具有良好絕熱結構的微測輻射熱計可以達到熱探測器的探測極限，他的預測同年被Arch和Heisler所證實。1983年，Wood演示了測輻射熱計陣列制造的可能性。
在1981~1992年間，在美國國防部預研局（DARPA）和軍方的支持下，HTC（霍尼韋爾研究中心，HoneywellTechnologyCenter）秘密開展了微測輻射熱計非致冷紅外成像的研究，直到1992年，研究全部完成后，才將技術方案部分公開。HTC微測輻射熱計紅外探測器的研制成功，主要依靠兩項關鍵技術：一是優(yōu)良的熱敏材料，二是探測器與襯底間的絕熱結構。在熱敏材料方面，HTC利用混合相氧化釩（VOx）薄膜作為微測輻射熱計的熱敏材料，該薄膜在室溫時的電阻溫度系數(shù)為-2%K-1，為金屬薄膜的5~10倍，且淀積溫度較低，與讀出電路兼容。在器件結構方面，HTC研制了雙層微雙臂電橋結構以減少探測器與襯底間的熱導，獲得了接近輻射極限的低熱導，大幅度提高了器件性能。
氧化礬VOx非致冷紅外焦平面的研究成果引起世界矚目。目前，320×240元VOx微測輻射熱計紅外焦平面的制作工藝已經成熟并批量生產，更大面陣規(guī)模的如640×480VOx紅外焦平面也已經開發(fā)成功并投入市場，像元尺寸也由50μm×50μm逐步減小至25μm×25μm，平均噪聲等效溫差達到8.6mK，在軍事和民用諸多領域中獲得了廣泛應用。
4研究現(xiàn)狀
20世紀90年代初，HTC在經歷十多年秘密研究后，終于研制成功了336×240元非致冷VOx微測輻射熱計焦平面陣列，隨后將該項技術授權轉讓給了日本NEC公司等。NEC公司經過技術改進，近年來陸續(xù)開發(fā)了一系列高靈敏的非致冷紅外焦平面陣列。
DRS（原Boeing）公司已成為非致冷微測輻射熱計焦平面陣列的批發(fā)供應商，其典型產品的型號為U3000和U4000，工作波段為8~14μm，320×240像元，像素大小為51μm×5lμm，填充因子約為65%，補償校正后NETD<0.03K。
目前，盡管美國在非致冷微測輻射熱計焦平面技術方面仍處于領先地位，但其他西方發(fā)達國家如法國、澳大利亞和日本也先后推出了各自的微測輻射熱計焦平面產品。法國微測輻射熱計多利用非晶硅薄膜作為熱敏材料。與氧化釩相比，非晶硅具有低熱導率和高機械強度的優(yōu)點，便于研制自懸浮支撐結構的探測器。
法國ULIS公司以CEA/LETI（法國原子能委員會/微電子研究院，AtomicEnergyCommission/ElectronicsandInformationTechnologiesLaboratory）開發(fā)的非晶硅微測輻射熱計技術為基礎，在2001~2004年相繼推出了UL01011、UL01021E、UL02051和UL03041等紅外焦平面陣列產品，芯片價格僅有其他同種類型產品的1/3~1/4。2004年，ULIS推出了基于第二代非晶硅微加工工藝的焦平面產品(UL0381)，陣列規(guī)模384×288，像元尺寸35μm×35μm，NETD<43mK，芯片功耗130mW。
加拿大INO（國家光學研究所，NationalOpticsInstitute）在20世紀90年代后期，利用一種準VO2薄膜作為熱敏電阻材料，研制成功了單片式非致冷微測輻射熱計焦平面。焦平面制作在CMOS信號處理和讀出電路之上，陣列規(guī)模為128×128、160×120、256×1和512×3。160×120系列焦平面像元尺寸為52μm×52μm，光敏區(qū)面積8.3×6.4mm，NETD（f/1,300K,8~12μm）約為150~250mK。
1996年日本NEC（電氣株式會社，NipponElectronicCompany）利用金屬Ti作為熱
敏薄膜，研制了128×128面陣的微測輻射熱計焦平面陣列，像元尺寸為50μm×50μm，
NETD約90mK。2002年，NEC獲得了美國HTC微測輻射熱計焦平面的專利授權，并
在2003年推出了陣列規(guī)模為320×240的紅外焦平面，像元尺寸37μm×37μm，紅外
吸收率80%，工作波長8~12μm，填充系數(shù)72%，NETD小于0.1K。

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