國(guó)外非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)展_圖文

1、第37卷第9期激光與紅外Vol.37,No.92007年9月LASER&I N FRARE D Sep te mber,2007文章編號(hào):100125078(20070920801205國(guó)外非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)展雷亞貴,王戎瑞,陳苗海(華北光電技術(shù)研究所,北京100015摘要:非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器是目前發(fā)展最為迅速的紅外探測(cè)器種類之一,并已廣泛滲透到軍事和民事應(yīng)用中。本文重點(diǎn)闡述幾種國(guó)外具有代表性的非制冷紅外焦平面探測(cè)器的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞:非制冷紅外探測(cè)器;紅外焦平面陣列;微測(cè)輻射熱計(jì);微懸臂梁紅外探測(cè)器中圖分類號(hào):T N215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADevelop men

2、t of Forei gn Uncooled I RFPA DetectorsLE I Ya2gui,WANG Rong2rui,CHEN M iao2hai(North China Research I nstitute of Electr o2op tics,Beijing100015,ChinaAbstract:Uncooled infrared detect or is one type of the most fast evolved infrared detect ors and has wide m ilitary andcivilian app licati ons.I n t

3、he paper,the state ment is focused on the state of art and trend of several f oreign rep resenta2tive uncooled infrared detect ors devel opment.Key words:uncooled infrared detect or;infrared f ocal p lane array;m icr obol ometer;m icr ocantilever detect or1引言由于應(yīng)用需求的牽引,紅外焦平面陣列(I RF2 P A探測(cè)器技術(shù)已發(fā)展到第三代水平

4、,其中非制冷I RFP A探測(cè)器發(fā)展迅速,雖然目前的性能尚不及制冷型光子探測(cè)器那樣好,但其能夠工作在室溫狀態(tài)下,并具有質(zhì)量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、成本低、功耗小、啟動(dòng)快及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn),滿足了民用紅外系統(tǒng)和部分軍事紅外系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)波紅外探測(cè)器的迫切需要。事實(shí)表明,采用非制冷I RFP A探測(cè)器的輕型紅外熱像儀系統(tǒng)逐漸增多,其中采用的規(guī)格主要有160×120元、256×128元和320×240元等。一些較大規(guī)格如640×480元氧化釩(VOx非制冷紅外探測(cè)器也得到少量裝備和應(yīng)用,如美國(guó)DRS公司已在其小型常平架的傳感器中采用了型號(hào)為U6000的640×4

5、80元VO x非制冷I RFP A探測(cè)器。非制冷紅外探測(cè)器主要包括測(cè)輻射熱計(jì)、熱電(或鐵電探測(cè)器和熱電堆探測(cè)器,其中微測(cè)輻射熱計(jì)和鐵電紅外探測(cè)器生產(chǎn)量所占市場(chǎng)份額較大,而前者比后者的靈敏度高很多,并保持上升勢(shì)頭1。本文著重闡述典型非制冷I RFP A探測(cè)器微測(cè)輻射熱計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r,同時(shí)也介紹了近年出現(xiàn)的一些新型非制冷I RFP A探測(cè)器技術(shù),如硅-絕緣體(S O I二極管非制冷I RFP A探測(cè)器、雙材料微懸臂梁非制冷I RFP A探測(cè)器、利用熱光效應(yīng)的非制冷I RFP A探測(cè)器等。2微測(cè)輻射熱計(jì)進(jìn)展微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理是溫度變化引起材料收稿日期:2007206227電阻變化,其種類較多,應(yīng)用

6、也最廣泛,包括VO x ,a -Si 以及Y BaCuO ,其中VO x 和a -Si 是主流產(chǎn)品。2.1VO xVO x 的電阻溫度系數(shù)(TCR 較高(一般為2%3%/K ,是目前首選的非制冷紅外FP A 探測(cè)器。美國(guó)BAE 公司、Raytheon 公司、DRS 公司、I ndigo 系統(tǒng)公司、日本的NEC 以及以色列的SCD 公司等單位都能生產(chǎn)160×120640×480元VO x 非制冷I RF 2P A 探測(cè)器,噪聲等效溫差(NET D 為20100mK 。目前,美國(guó)BAE 和DRS 已經(jīng)在進(jìn)行大規(guī)格1024×1024元非制冷I RFP A 探測(cè)器的研究。

7、為提高分辨率,在同等面積上增加像元數(shù)目可使像元尺寸減小,導(dǎo)致靈敏度降低,因此要最大限度地提高光學(xué)吸收和隔熱性能。美國(guó)Raytheon 公司采用了獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)提高隔熱和增加光學(xué)填充因子,如圖1所示2-3。圖1(a 為像元間距為50m 的像元結(jié)構(gòu);圖1(b 為Raytheon 公司的雙層結(jié)構(gòu),像元間距為25m 。采用這種結(jié)構(gòu)得到的填充因子大于70%,光吸收效率大于80%。這種新技術(shù)已經(jīng)用于25m 320×240元和640×512元I RFP A 的生產(chǎn)。目前Raytheon 公司正在研制20m 640×512元I RFP A (S B 2300,使其性能與25m 陣

8、列相當(dāng)3 。(a (b 圖1單層結(jié)構(gòu)和雙層結(jié)構(gòu)在中波紅外微測(cè)輻射熱計(jì)研究方面,Raytheon 公司正在開(kāi)發(fā)像元間距50m 的320×240元VO x 非制冷紅外探測(cè)器。日本NEC 公司于2003年就研制出320×240元VO x 微側(cè)輻射熱計(jì),填充因子達(dá)到72%,光吸收率為80%。2004年,在原有像元結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加了新結(jié)構(gòu)雙彎曲臂和屋檐結(jié)構(gòu),如圖2所示。雙彎曲臂加長(zhǎng)使熱導(dǎo)減少了一半、隔熱性能提高,但卻減小了填充因子,所以在像元上方加屋檐結(jié)構(gòu)(可用Si N 材料,重新吸收部分反射光,填充因子很容易達(dá)到90%以上4。NEC 的這種新的像元結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于高分辨率640&#

9、215;512元非制冷I RFP A的研制。(a 雙彎曲臂結(jié)構(gòu)(b 具有屋檐結(jié)構(gòu)的像元(c 新結(jié)構(gòu)截面示意圖圖2NEC 公司改進(jìn)的像元結(jié)構(gòu)圖VO x 雖然目前依然是微測(cè)輻射熱計(jì)中使用最多的材料,但其最大的缺點(diǎn)就是不能與標(biāo)準(zhǔn)硅集成電路工藝兼容。2.2a -Si (非晶硅非晶硅的TCR (4%/K 與VO x 的相當(dāng),也是一種具有前途的微測(cè)輻射熱計(jì)材料。其優(yōu)點(diǎn)是可與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝完全兼容,可制作較大規(guī)格的陣列探測(cè)器,大幅降低系統(tǒng)尺寸和成本。但是由于非晶硅是無(wú)定形結(jié)構(gòu),呈現(xiàn)的1/f 噪聲比VO x 要高。法國(guó)非制冷紅外探測(cè)器研究機(jī)構(gòu)主要是在法國(guó)原子能委員會(huì)與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室/紅外實(shí)驗(yàn)室(CEA 2LETI

10、/L I R ,從1992年就開(kāi)始研究a -Si 探測(cè)器,現(xiàn)已成熟。Sofradir 公司下屬的UL I S 公司負(fù)責(zé)將技術(shù)轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的生產(chǎn)。CE A -LETI/L I R 非晶硅制作技術(shù)與VO x 方法基本相同。UL I S 現(xiàn)在能夠生產(chǎn)兩種二代320×240元a -Si I RFP A 探測(cè)器,按照計(jì)劃,2005已開(kāi)始進(jìn)行640×480(25m 探測(cè)器的研制,但至今未見(jiàn)有詳細(xì)報(bào)道。美國(guó)Raytheon 商用紅外公司主要從事a -Si 非制冷I RFP A 探測(cè)器的生產(chǎn)。其160×120元非晶硅探測(cè)器結(jié)構(gòu)中加入A l 反射層,這樣襯底/讀出電路和A1反射層之

11、間形成1/4波長(zhǎng)共振腔,能最大限度地吸收812m 波段的紅外光。具體產(chǎn)品及指標(biāo)見(jiàn)表1。2.3Y BaCuO 非制冷I RFP A 探測(cè)器Y BaCu O 光譜響應(yīng)范圍很寬(0.3100m ,具208激光與紅外第37卷有比VOx高的電阻溫度系數(shù)(約3.5%/K以及較低的1/f噪聲,是一種比較引人注意的微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器材料。日本M itsubishi電子公司有首個(gè)像元間距為40m的320×240元樣品出現(xiàn)。加拿大I N O以及美國(guó)的Southe m Methodist大學(xué)也在進(jìn)行研究。由于Y BaCu O具有寬光譜響應(yīng)范圍,是將來(lái)多光譜應(yīng)用的潛在材料。研究情況見(jiàn)表1。表1國(guó)外微測(cè)輻射熱

12、計(jì)和S O I二極管I RFP A的性能公司名稱材料規(guī)格像元間距/m主要參數(shù)備注Raytheon 視覺(jué)系統(tǒng)公司VO x640×480/51225NET D(F/1,30Hz=20mK生產(chǎn)VO x640×480/51220NET D(F/1,30Hz20mKS B-300,正在研制VO x320×240(814m25NET D(F/1,60Hz<100mKNET D(F/1,30Hz<30mKS B-212,S B-262生產(chǎn)VO x320×240(35m50正在研制BAE 系統(tǒng)公司VO x320×24028NET D<50mK

13、(F/1SI M500H,生產(chǎn)VO x160×12046NET D<50mK(F/1SI M500L,生產(chǎn)VO x640×48028SI M500X,生產(chǎn)VO x640×480/51225NET D(F/1,30Hz=55mKVO x1024×102415NET D=50mK正在研制DRS 技術(shù)公司VO x320×240(814m51NET D(F/1,60Hz=23100mKU3000,生產(chǎn),300套/月,帶熱電制冷器VO x320×240NET D(F/1,60Hz=23mKU4000,生產(chǎn)VO x320×2402

14、5.4U7000(目前稱為U3500,生產(chǎn)VO x640×48025.4U6000,生產(chǎn),100套/月VO x1024×102415NET D=50mK正在研究以色列SCD VO x384×288320×24025NET D<50mK(F/1,60Hz生產(chǎn)VO x160×120Temperal NET D20mK(F/1,30Hz已驗(yàn)證NEC VO x320×24037NET D<100mK(F/1,60Hz研究階段VO x640×48023.5NET D=50mK(F/1,30Hz研究階段續(xù)表公司名稱材料規(guī)格像

15、元間距/m主要參數(shù)備注I ndigo系統(tǒng)(現(xiàn)在屬于F L I R系統(tǒng)公司VO x160×12051NET D=58mK(F/1.6,30HzNET D=23mK(F/1,30Hz生產(chǎn)VO x320×12038生產(chǎn)VO x320×24038生產(chǎn)VO x640×51225正在研究加拿大I N OVO x160×120NET D<50mK生產(chǎn)Y BaCu O正在研究L-3I TC VO x640×48025正在研制Sofradir/UL I Sa-Si320×24045NET D<80mK(F/1,25Hz生產(chǎn)a-Si

16、320×24035NET D=35mK(F/1,12m s,50Hz生產(chǎn)a-Si320×24025NET D=63mK(7m s已驗(yàn)證Raytheon商用紅外公司a-Si160×120(714m46.8NET D=63mK(F/1,30或60Hz生產(chǎn)日本M itsubishi電子公司S O I二極管320×24040NET D=120mK(F/1,30HzS O I二極管640×48025NET D=40mK(F/1正在研制Y BaCuo320×24040NET D=80mK(F/1首個(gè)樣品韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所S O I二極管1.2

17、×1010c mHz1/2/W正在研制3其他非制冷FP A紅外探測(cè)器技術(shù)的進(jìn)展3.1S O I二極管非制冷I RFP A探測(cè)器這種探測(cè)器技術(shù)利用半導(dǎo)體P N結(jié)具有良好的溫度特性(偏壓固定時(shí)二極管電流隨結(jié)溫度的升高呈冪指數(shù)增加制成溫度傳感器,是在絕緣體基上外延硅,這樣在硅絕緣體(Silicon2on2insulat or,S O I層中形成了P N結(jié)二極管。與上述探測(cè)器材料不同,P N結(jié)為單晶體,可以完全采用硅大規(guī)模集成電路工藝,非常適合大批量生產(chǎn)。目前研究此項(xiàng)技術(shù)的有日本M itsubishi電子公司和韓國(guó)高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所。日本M itsubishi電子公司于1999年就制作出20

18、×240元陣列,敏感元為若干二極管的串聯(lián)結(jié)構(gòu),像元尺寸為40m×40m,填充因子可提高到90%,紅外吸收率為80%,其他指標(biāo)見(jiàn)表1。由于采308激光與紅外No.92007雷亞貴王戎瑞陳苗海國(guó)外非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)展用S O I 技術(shù),探測(cè)器的熱導(dǎo)很低,使探測(cè)器的性能大為提高。2005年他們研究的640×480元S O I 二極管探測(cè)器,如圖3所示。在吸收結(jié)構(gòu)和臂之間安裝了獨(dú)立的紅外反射層,使紅外吸收超過(guò)80%,響應(yīng)率不均勻性<0.9%。由于S O I 制作工藝尚不成熟,制作成本較高,利用此技術(shù)達(dá)到生產(chǎn)還不置可否。研究結(jié)果見(jiàn)表1中所列 。圖3S O I

19、 二極管非制冷I RFP A3.2新型熱機(jī)械非制冷紅外焦平面陣列在熱機(jī)械非制冷紅外探測(cè)器中,有一種新型雙材料微懸臂梁探測(cè)器,它利用的是機(jī)械力學(xué)性質(zhì)原理探測(cè)紅外輻射,20世紀(jì)90年代末開(kāi)始出現(xiàn)。其工作原理是:兩種膨脹系數(shù)相差較大的材料,當(dāng)溫度升高時(shí)兩種材料之間產(chǎn)生大的應(yīng)力差,使得微懸臂梁發(fā)生形變,可用電容、光學(xué)、壓阻或電子隧穿等極高靈敏度方法讀出,并與常規(guī)電路如C MOS 和CCD 100%兼容。雙材料微懸臂梁非制冷紅外探測(cè)器的噪聲等效溫差(NET D 非常小,理論值可以達(dá)到零點(diǎn)幾毫開(kāi)爾文。據(jù)報(bào)道,R.Amantea 等人在電容讀出方式下實(shí)現(xiàn)了NET D 為5mK 的結(jié)果,比一般的非制冷探測(cè)器低

20、1個(gè)數(shù)量級(jí),這與制冷光子型紅外探測(cè)器的NET D 相當(dāng),將滿足高靈敏度、輕質(zhì)和低成本的裝備要求。國(guó)外主要研究單位有美國(guó)Oak R idge (橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、加利福尼亞大學(xué)、美國(guó)Sarcon 微系統(tǒng)公司等5。2003年,美國(guó)Sarcon 微系統(tǒng)公司應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝制作320×240元雙材料微懸臂梁I RFP A,像元間距50m 。其中低熱膨脹系數(shù)材料為a -Si C H,高膨脹系數(shù)材料為Au,電容溫度系數(shù)達(dá)到20%以上,NET D <5mK,熱時(shí)間常數(shù)為510m s 6。美國(guó)Oak R idge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和田納西州大學(xué)合作一直在研究雙材料微懸臂梁探測(cè)器,2006年制作出

21、256×256元I RFP A,結(jié)構(gòu)如圖4所示7,選擇的材料為Si N x 和Au 。其NET D 較高,這是因?yàn)闆](méi)有采用低噪聲的讀出元件?，F(xiàn)在已經(jīng)得到用這種陣列制作的紅外熱像儀 。圖4256×256元I RFP A 結(jié)構(gòu)目前,光學(xué)讀出已經(jīng)開(kāi)始成為新型非制冷I RF 2P A 探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)之一,原因在于光學(xué)讀出是非接觸式的,無(wú)需電學(xué)連接,因此降低了電噪聲6,也使得噪聲等效溫差降低。其原理是:用一束激光照射在I RFP A 探測(cè)器上,當(dāng)I RFP A 探測(cè)器吸收紅外輻射時(shí),其溫度發(fā)生變化從而引起形變,則激光束在I RFP A 探測(cè)器上的位置發(fā)生移動(dòng),反射的激光再落到CCD

22、 或C MOS 相機(jī)上被讀出,從而探測(cè)到紅外信號(hào)。光學(xué)讀出可使器件體積更小、攜帶更方便,因此具有光學(xué)讀出方式的微懸臂梁非制冷探測(cè)器是非制冷探測(cè)器的一個(gè)重要發(fā)展方向。美國(guó)Oak R idge 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和田納西州大學(xué)設(shè)計(jì)的雙材料微懸臂梁探測(cè)器FP A 為256×256元Si N x /A l,就采用兩種非接觸光學(xué)方式讀取信號(hào)。新型熱機(jī)械非制冷紅外探測(cè)器正處于研制之中,其應(yīng)用前景看好,但技術(shù)上還存在一些問(wèn)題,如探測(cè)器中存在固有的機(jī)械噪聲。3.3基于光學(xué)讀出的熱電光非制冷紅外探測(cè)器8這種非制冷探測(cè)器的敏感元件是一種以順電相工作的電光晶體。其工作原理是:當(dāng)晶體處于臨界相變溫度T c 以上時(shí),

23、晶體是各向同性的,其折射率在各個(gè)方向相同。但是加電場(chǎng)時(shí),晶體會(huì)出現(xiàn)雙折射效應(yīng),而且雙折射大小與溫度變化有關(guān),因此可探測(cè)紅外輻射。以色列Nor mal 技術(shù)公司和Jerusale m 的Hebre w 大學(xué)正在研制這種非制冷紅外探測(cè)器,并將光學(xué)讀出技術(shù)應(yīng)用其中,預(yù)計(jì)可達(dá)到理論極限值。作為傳感元的晶體應(yīng)具有高的電光效應(yīng),以色408激光與紅外第37卷列Nor mal技術(shù)公司選擇鉭鈮酸鉀鋰(K LT N。采用金屬有機(jī)物化學(xué)汽相沉積(MOCVD生長(zhǎng)K LT N薄膜。K LT N薄膜不僅與體單晶有相同的物理特性,而且組分均勻。目前,以色列Nor mal技術(shù)公司還在不斷從事組分優(yōu)化研究,以期這種材料得到應(yīng)用

24、。實(shí)驗(yàn)用藍(lán)色激光作為讀出光源,吸收層為Si N 材料。預(yù)計(jì)這種探測(cè)器的填充因子很高,能在90%以上。雖然目前還未得到實(shí)用的探測(cè)器,但通過(guò)理論計(jì)算,其NET D可達(dá)到以下目標(biāo):(NET D50m=5mK(NET D25m=12mK3.4新型熱光非制冷紅外探測(cè)器9美國(guó)Aegis半導(dǎo)體公司利用半導(dǎo)體的熱光效應(yīng)對(duì)紅外光進(jìn)行探測(cè),采用該技術(shù)推動(dòng)其低成本非制冷紅外探測(cè)器的應(yīng)用。紅外焦平面探測(cè)器由熱可調(diào)諧薄膜濾光片像元組成,每個(gè)熱像元相當(dāng)于一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器,可將遠(yuǎn)紅外輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外信號(hào)后,用現(xiàn)有CCD和C MOS相機(jī)進(jìn)行探測(cè)。這種探測(cè)器的研制成功將大大影響紅外探測(cè)器的市場(chǎng)價(jià)格。但就目前來(lái)看,規(guī)格160&

25、#215;120元探測(cè)器(像元合格率>99.9%,填充因子>92%,溫度系數(shù)為6%/K的NET D較大,不能滿足軍用要求,但可在民用市場(chǎng)如視頻安全及汽車夜間輔助駕駛等方面得到使用。4發(fā)展趨勢(shì)非制冷I RFP A探測(cè)器已經(jīng)成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)之一,美國(guó)Raytheon公司、法國(guó)Sofradir公司等已經(jīng)可以生產(chǎn)各種規(guī)格的非制冷I RFP A探測(cè)器,并用于各種軍用或民用的紅外系統(tǒng)中,且有逐年增加的趨勢(shì)。目前非制冷紅外探測(cè)器采用的原理、結(jié)構(gòu)和工藝與制冷光子型I RFP A探測(cè)器不同,是將吸收的紅外輻射(熱能,轉(zhuǎn)化成對(duì)熱敏感的電阻、電勢(shì)、幾何結(jié)構(gòu)(形變等物理量進(jìn)行讀出,實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)。通過(guò)技

26、術(shù)上的不斷改進(jìn)和提高,可能會(huì)有更好的提高I RFP A探測(cè)器性能的方法。就目前來(lái)看,還處于研究階段的熱機(jī)械雙材料微懸臂梁紅外探測(cè)器和熱電光紅外探測(cè)器,由于它們的噪聲等效溫差(NET D非常接近制冷光子型探測(cè)器的NET D,因此將有可能成為新一代I RFP A探測(cè)器發(fā)展方向之一。非制冷紅外探測(cè)器的探測(cè)率目前還不及光子型I RFP A探測(cè)器高,已裝備的非制冷紅外熱像儀的NET D通常為20100mK,所以采用低成本、高性價(jià)比的非制冷紅外探測(cè)器用于中、低端的軍用和民用系統(tǒng)應(yīng)該是目前最好的選擇。非制冷紅外探測(cè)器最終達(dá)到的目標(biāo)應(yīng)是:(1與標(biāo)準(zhǔn)集成電路兼容,實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn);(2在同等面積上,像元尺寸減小,但性能提高,以達(dá)到縮小尺寸、降低成本的目的;(3優(yōu)化材料和結(jié)構(gòu),提高I RFP A探測(cè)器的吸收率和填充因子;(4發(fā)展低成本一次性非制冷紅外探測(cè)器,擴(kuò)大軍民兩用范圍;(5采用噪聲小的激光進(jìn)行光學(xué)讀出;(6接近NET D理論極限值的雙材料微懸臂梁非制冷紅外探測(cè)器和熱電光紅外探測(cè)器技術(shù)研究向高端軍用方向發(fā)展;(7縮短響應(yīng)時(shí)間,發(fā)展快速響應(yīng)的非制冷紅外探測(cè)器;(8同時(shí)發(fā)展中波非制冷紅外探測(cè)器,部分替代成本較高的I nSb和HgCdTe I RFP A探測(cè)器。參考文獻(xiàn):1李穎文,等.非制冷熱成像最新發(fā)展和應(yīng)用前景J.紅外與激光工程,2005,6:257-260,280.2