非制冷紅外探測器應(yīng)用概述

非制冷紅外探測器應(yīng)用概述紅外熱成像技術(shù)簡介非制冷紅外技術(shù)概述非制冷紅外探測器應(yīng)用國內(nèi)外廠商主要產(chǎn)品非制冷紅外技術(shù)機(jī)遇與挑戰(zhàn)第2頁,共23頁，2024年2月25日，星期天一、紅外熱成像技術(shù)簡介自然界所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體都會發(fā)出紅外輻射，紅外圖像傳感器則將探測到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷膱D像信息。紅外成像技術(shù)涵蓋了紅外光學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械工程技術(shù)、集成電路技術(shù)、圖像處理算法等諸多技術(shù)，紅外成像裝置的核心為紅外焦平面探測器。第3頁,共23頁，2024年2月25日，星期天二、非制冷紅外技術(shù)概述非制冷紅外技術(shù)原理及分類非制冷紅外探測器關(guān)鍵技術(shù)探測器的技術(shù)指標(biāo)非制冷紅外技術(shù)應(yīng)用第4頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2.1非制冷紅外技術(shù)原理非制冷紅外探測器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，由紅外吸收材料將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個(gè)物理參數(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設(shè)計(jì)的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號或可見光信號，以實(shí)現(xiàn)對物體的探測。第5頁,共23頁，2024年2月25日，星期天非制冷紅外焦平面探測器分類非制冷紅外焦平面探測器熱敏電阻型:氧化釩非晶硅等熱釋電型:硫酸三甘肽、鉭酸鋰等熱電堆型:N型和P型的多晶硅二極管型:單晶或多晶PN結(jié)熱電容型:雙材料薄膜第6頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2.2非制冷紅外探測器的關(guān)鍵技術(shù)紅外光窗非制冷器件讀出電路吸氣劑TEC真空封裝管殼材料制備技術(shù)MEMS加工技術(shù)讀出電路IC技術(shù)低成本真空封裝技術(shù)第7頁,共23頁，2024年2月25日，星期天熱釋電型紅外輻射使材料溫度改變，引起材料的自發(fā)極化強(qiáng)度變化，在垂直于自發(fā)極化方向的兩個(gè)晶面出現(xiàn)感應(yīng)電荷。通過測量感應(yīng)電荷量或電壓的大小來探測輻射的強(qiáng)弱。熱釋電紅外探測器與其他探測器不同，它只有在溫度升降的過程中才有信號輸出，所以利用熱釋電探測器時(shí)紅外輻射必須經(jīng)過調(diào)制。探測材料：硫酸三甘肽、鉭酸鋰、鉭鈮酸鉀、鈦（鐵電）酸鉛、鈦酸鍶鉛、鉭鈧酸鉛、鈦酸鋇第8頁,共23頁，2024年2月25日，星期天熱電堆

由逸出功不同的兩種導(dǎo)體材料所組成的閉合回路，當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的溫度不同時(shí)，由于溫度梯度使得材料內(nèi)部的載流子向溫度低的一端移動，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產(chǎn)生熱電勢。（塞貝克效應(yīng)Seebeck）

而這種結(jié)構(gòu)稱之為熱電偶。一系列的熱電偶串聯(lián)稱為熱電堆。因而，可以通過測量熱電堆兩端的電壓變化，探測紅外輻射的強(qiáng)弱。第9頁,共23頁，2024年2月25日，星期天二極管型利用半導(dǎo)體PN結(jié)具有良好的溫度特性。與其他類型的非制冷紅外探測器不同，這種紅外探測器的溫度探測單元為單晶或多晶PN結(jié)，與CMOS工藝完全兼容，易于單片集成，非常適合大批量生產(chǎn)。第10頁,共23頁，2024年2月25日，星期天熱敏電阻型（微測輻射熱計(jì)）利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化來探測輻射的強(qiáng)弱。一般探測器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，光敏元吸收紅外熱輻射，由讀出電路測量熱敏材料電阻變化而引起的電流變化，通過讀出電路對電信號采集分析并讀出。探測器一般采用真空封裝以保證絕熱性好。探測材料：氧化釩、非晶硅、鈦、釔鋇銅氧等第11頁,共23頁，2024年2月25日，星期天

第12頁,共23頁，2024年2月25日，星期天氧化釩VOx的TCR一般為2%~3%，特殊方法制備的單晶態(tài)VO2和V2O5可達(dá)4%。VOx具有電阻溫度系數(shù)大，噪聲小的特點(diǎn)，被廣泛用作非制冷式紅外焦平面?zhèn)鞲衅鞯臒崦舨牧稀Ｈ虻姆侵评浼t外熱像儀市場中，使用VOx非制冷紅外探測器的占80%以上。氧化釩VOx的制備方法：濺射法、溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)法。第13頁,共23頁，2024年2月25日，星期天讀出電路IC技術(shù)ROIC對微弱的紅外輻射信號產(chǎn)生的電信號進(jìn)行提取、積分、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。甚至完成片上非均勻性矯正、片上數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。ROIC是?；旌想娐废到y(tǒng)模擬部分：單元偏置電路、積分電路、采樣/保持電路等。數(shù)字部分：中央時(shí)序控制、行選控制、列選控制等。第14頁,共23頁，2024年2月25日，星期天低成本真空封裝技術(shù)為了保證探測器光敏元在接收微弱的輻射后，其接收到熱能不與其他介質(zhì)發(fā)生熱交換，需要把探測器芯片封裝在真空中，并保證良好的氣密性。封裝體的具體要求是：優(yōu)異且可靠的密閉性；具有高透過率的紅外窗口；高成品率；低成本。目前的封裝技術(shù)可分為芯片級、晶圓級、像元級等，其中芯片級封裝技術(shù)按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。第15頁,共23頁，2024年2月25日，星期天陶瓷管殼封裝是近年來逐漸普及的紅外探測器封裝技術(shù)，可顯著減小封裝后探測器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。金屬管殼封裝是最早開始采用的封裝技術(shù)，技術(shù)已非常成熟，由于采用了金屬管殼、TEC和吸氣劑等成本較高的部件，導(dǎo)致金屬管殼封裝的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應(yīng)用受到限制。第16頁,共23頁，2024年2月25日，星期天制造與微測輻射熱計(jì)晶圓相對應(yīng)的另一片硅窗晶圓，硅窗晶圓通常采用單晶硅材料以獲得更好的紅外透射率，并在硅窗口兩面都鍍有防反增透膜。微測輻射熱計(jì)晶圓與硅窗晶圓通過精密對位，紅外探測器芯片與硅窗一一對準(zhǔn)，在真空腔體內(nèi)通過焊料環(huán)焊接在一起，最后再裂片成為一個(gè)個(gè)真空密閉的晶圓級紅外探測器。第17頁,共23頁，2024年2月25日，星期天2.3探測器的技術(shù)指標(biāo)響應(yīng)率RIRv噪聲等效功率NEP探測率D*非均勻性UN噪聲等效溫差NETD最小可分辨溫差MRTD第18頁,共23頁，2024年2月25日，星期天三、非制冷紅外探測器應(yīng)用消防應(yīng)用駕駛員視覺輔助系統(tǒng)邊海防、城市安防、港口監(jiān)視系統(tǒng)車載、艦載、機(jī)載光電艙武器熱瞄具醫(yī)療診斷電力檢測工業(yè)過程控制……第19頁,共23頁，2024年2月25日，星期天應(yīng)用案例介紹穿透煙霧、克服雨霧能力強(qiáng)

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，尤其是森林火災(zāi)的情況下，火焰產(chǎn)生的煙霧很大，往往遮蓋了真正的著火點(diǎn)，以及火災(zāi)的蔓延趨勢。紅外熱像儀有很強(qiáng)的穿透煙霧的能力，可有效地發(fā)現(xiàn)真正的著火點(diǎn)，以及火災(zāi)的蔓延趨勢，因此，可用于指揮救火，盡量減少經(jīng)濟(jì)、人員的損失。第20頁,共23頁，2024年2月25日，星期天森林景區(qū)監(jiān)測通過紅外熱像儀對景區(qū)文物、建筑及整體環(huán)境的防火監(jiān)測，包括對景區(qū)內(nèi)游客、工作人員抽煙或其他點(diǎn)火行為的監(jiān)控。第21頁,共23頁，2024年2月25日，星期天3.現(xiàn)場救援在濃煙霧的火災(zāi)現(xiàn)場，利用紅外熱像儀快速搜救被困人員和動物。第22頁,共23頁，2024年2月25日，星期天四、國內(nèi)外廠商主要產(chǎn)品廠商主要產(chǎn)品應(yīng)用材料主要技術(shù)指標(biāo)FLIR（美國）336×256640×512氧化釩NETD:40mk響應(yīng)時(shí)間：10~15msBAE(英國)氧化釩NETD:50mk響應(yīng)時(shí)間：12msULIS（法國）160×120384×288640×512非晶硅NETD:50~80mk響應(yīng)時(shí)間：＜10msL-3（美國）320×240640×480非晶硅氧化釩NETD:35mk響