非制冷红外焦平面阵列irfpa探测原理及发展

非制冷红外焦平面阵列irfpa探测原理及发展

1非制冷红外摄像机红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林火灾、环境保护等领域。其核心部件是红外焦平面成像（irfpa）。根据工作原理分类,可分为:光子型红外探测器和非制冷红外探测器。光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料,如HgCdTe、InSb等,利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换;因而需要工作在77K或更低的温度下,这就需要笨重而又复杂的制冷设备,难以小型化,携带不方便。另一方面,HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难,且与CMOS工艺不兼容,所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。这些都极大地阻碍了红外摄像机的广泛应用,特别是在民用方面,迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。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为热能,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。非制冷IRFPA按照信号读出方式的不同,可以分为电学读出方式和光学读出方式IRFPA。电学读出方式是一种传统信号读出方式,目前正在使用的各种非制冷IRFPA都是电学读出方式的,根据敏感元件的不同物理机理可分为:热敏电阻型、热释电型、热电堆型、二极管型、热-电容型等。光学读出方式是一种新颖的信号读出方式,是近几年来红外研究领域的研究热点之一,目前尚处于实验室阶段,主要有:应用光力学效应的非制冷IRFPA和基于法布里-珀罗微腔阵列的非制冷IRFPA等。2电读取非冷冻红外焦平面矩阵的进展2.1热敏电阻型3.2红外探测器热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列使用的热敏电阻探测材料主要有:氧化钒(VOx)、非晶硅(α-Si)、钛(Ti)、钇钡铜氧(YbaCuO)等,其最重要的参数是电阻温度系数(TCR:TemperatureCoefficientofResistance)。它利用热敏电阻的阻值随温度的变化,来探测红外辐射的强弱。VOx的TCR较高(一般为2%~3%/K),是目前首选的热敏电阻型非制冷IRFPA探测材料。早在20世纪80年代初,美国的Honeywell公司在军方的资助下,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红外焦平面阵列。在1993年就报道了320×240像素的微测热辐射红外焦平面阵列,其像元尺寸为50μm×50μm,噪声等效温差(NETD:NoiseEquivalentTemperatureDifference)为100mK(f/1,30Hz)。之后,Honeywell公司将此技术转让给Rockwell、Raytheon、LockheedMartin等公司。目前Raytheon公司已研制成功640×480像素,像元尺寸为25μm×25μm,NETD为35mK(f/1)的FPA。其他西方国家也紧随其后,相继研发出性能相当的IRFPA。日本的NEC以及以色列的SCD等公司都能生产160×120~640×480像素的VOx非制冷IRFPA探测器,NETD为20~100mK。图1是热敏电阻型红外探测器基本的桥式结构单元示意图,将探测器先制作在牺牲层的高台上,去除牺牲层后留下空腔,结构呈凸起的桥状,支撑在硅基底的上方。最近几年,国内也有不少科研机构开始研究氧化钒薄膜,主要有:中科院上海硅酸盐研究所、华中科技大学、天津大学、四川大学、江苏工业学院等。据报道,华中科技大学利用离子束溅射的方法制得的氧化钒薄膜的TCR为-2.1%/K,方阻为50kΩ;江苏工学院用改进的离子束增强沉积方法和恰当的退火从氧化钒粉末直接制备了氧化钒多晶薄膜,其电阻温度系数最高可达4.23%/K。但将氧化钒薄膜制作成探测器阵列还未有报道,目前还处于实验室研究阶段。2.2钛酸枣藻及其他钛酸铅材料热释电型非制冷红外焦平面阵列的探测原理是:红外辐射使材料的温度发生变化,引起材料的自发极化强度变化,在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。因而,可以通过测量感应电荷量或电压的大小,探测红外辐射的强弱。热释电材料大多采用铁电材料,主要有硫酸三甘肽(TSG)、钽酸锂(LiTaO3)、钽铌酸钾(KTN)、钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(PZT)、钽钪酸铅(PST)、钛酸钡(BaTiO3)和钛酸锶钡(BST)等,其中BST陶瓷是目前研究得最成熟也是最成功的一种陶瓷材料。20世纪90年代德州仪器公司就已采用BST陶瓷制备出245×328像素的热释电型非致冷红外焦平面阵列,工作温度为22℃,30Hz的帧速下NETD为47mK,其像元结构如图2所示。2002年,TI公司和洛克西德·马丁公司研制出640×480像素的非致冷热释电红外焦平面阵列。英国宇航系统公司红外有限责任公司采用钽钪酸铅研制的铁电型非制冷焦平面探测器,像元数为256×128,像元尺寸为56μm×56μm,NETD<120mK。由中国科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定。该项目采用新工艺制备的钛酸锶钡铁电薄膜材料性能达到国际领先水平,与美国TI公司演示的第一代非制冷探测器所使用的材料相同。2005年9月,中国科学院昆明物理研究所采用锆钛酸铅体材料,研制成功160×120像素,像元尺寸为50μm×50μm的非制冷焦平面阵列。2.3用可扩充材料的热电堆型由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路,当两接触点处温度不同时,由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动,在温度低的一端形成电荷积累,回路中就会产生热电势,这种现象称为西贝克(Seebeck)效应。这种结构称为热电偶。一系列的热电偶串联称为热电堆,其示意图如图3所示。因而,通过测量热电堆两端的电压的变化,可以探测出红外辐射的强弱。目前用于热电堆型非致冷红外焦平面阵列的热电偶有:P型多晶硅和金热电偶,Si外延层P型扩散区和铝热电偶,P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜热电偶,N型和P型多晶硅热电偶。其中N型和P型多晶硅热电偶,是当前研究得比较深、也是最有前途的探测材料。日本防卫厅和日本电气公司1994年用N型和P型多晶硅热电材料制作出128×128像素热电堆焦平面阵列,获得的灵敏度为1550V/W,像元尺寸为100μm×100μm,NETD为0.5K(f/1)。Honeywell公司1995年研制出120元的线阵热电堆红外摄像传感器,ISI公司已将其用于成像辐射计中。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的王跃林研究员所领导的课题组,在热电堆型非制冷红外焦平面阵列原型器件研究方面取得了一定的进展,探测器的响应时间为16ms,响应率为15.5V/W,探测率为4.2×107cm·Hz1/2/W。2.4国外研究现状这种红外探测技术利用半导体PN结具有良好的温度特性,例如,当采用恒流偏置时,如果温度升高,则二极管两端的电压降低。因而,通过测量二极管两端的电压的变化,可以探测出红外辐射的强弱。与前面所述的各种非制冷红外探测器不同,这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结,与CMOS工艺完全兼容,易于单片集成,非常适合于大批量生产。目前研究此项技术的科研单位主要有日本的三菱电子公司、韩国的高级科学技术研究所和土耳其的中东技术大学电气与电子工程系。三菱电子公司,在上世纪90年代中期开始,采用干法腐蚀技术,研发基于SOI硅片的二极管型非制冷红外焦平面阵列,并于1999年就研制出20×240像素的IRFPA,且在2005年研制成功640×480像素、像元尺寸为25μm×25μm、NETD为40mK(f/1)、热响应时间为24ms的IRFPA,如图4所示。中东技术大学电气与电子工程系采用湿法腐蚀技术,在普通单晶硅片上,也于2002年研制成功128×128像素、像元尺寸为40μm×40μm、NETD为195mK(f/1)、热相应时间为27ms的IRFPA。中国科学院上海技术物理研究所梁平治研究员所领导的课题组,采用标准CMOS工艺制作横向多晶硅PN结作为温度探测单元,在原型器件研究方面取得了一定的进展,其电压温度变化率为-15mV/K,热时间常数为7ms,响应率为5.7×103V/W,探测率为1.2×108cm·Hz1/2/W。2.5微悬臂梁的电化学这种非制冷红外焦平面阵列首先由美国橡树岭国家实验室在上世纪90年代中期提出,随后Sarnoff、SarconMicrosystems公司继续研发。这种技术采用热膨胀系数不同的两种材料的薄膜粘合在一起形成双材料薄膜,它会随着温度的变化而发生弯曲,例如采用金属铝(Al)和氮化硅(SiNx)薄膜组成双材料微悬臂梁,SiNx在红外辐射下吸收热量并且温度升高,导致微悬臂梁发生弯曲。在硅衬底上淀积的一层Al与微悬臂梁上的Al形成一个可变电容器,微悬臂梁的弯曲使电容的大小发生改变,通过集成在探测器上的CMOS读出电路测出电容的改变,从而探测出红外辐射的强弱,如图5所示。SarconMicrosystems公司2006年开发出160×120像素、像元尺寸为50μm×50μm、NETD为18mK(f/1)、热响应时间为908ms的IRFPA,如图6所示。中国科学院上海技术物理研究所陈永平研究员所领导的课题组,采用标准CMOS工艺,在原型器件研究方面取得了一定的进展,微悬臂梁的电容灵敏度可达2.5fF/K,温度分辨率为0.1K,但尚未见焦平面阵列器件的报道。这种类型的IRFPA优点在于:灵敏度高,与标准硅工艺兼容。3光学原理及探测灵敏度光学读出方式是一种全新的红外探测技术,与传统的电学读出红外探测技术相比它具有一系列潜在的优点:采用光学读出,利用光学原理实现像增强与像转换,整个系统是个全光系统,不需要复杂而庞大的读出电路,可以用眼睛而不用其他任何接收装置观察到红外图像,这是传统的红外成像方式做不到的;探测灵敏度高,其理论预测探测灵敏度极限可以达到μK量级,这使得其在高性能红外探测领域也有广泛的应用前景;其潜在的价格优势明显,具有高性价比的潜力,成为了近几年来红外研究的热点之一。3.1非接触式光学岩相色像中国科学院微电子研究所陈大鹏研究员和中国科学技术大学力学与机械工程系张青川教授所领导的课题组,近年来提出了刀口滤波法测量微梁阵列FPA变形的高灵敏光学检测法,将微梁单元的热致转角变形转变为像平面上微梁像的灰度变化,从而获得微梁阵列转角变形表示的FPA上的热像,2005年成功研制了100×100像素、像元尺寸为200μm×200μm、NETD约为200mK左右的非制冷红外焦平面阵列,如图7所示。当FPA单元吸收入射的红外辐射产生温升时,由于组成微悬臂梁的双材料热膨胀系数的差异,梁会产生弯曲变形或离面位移,如图8所示;每个像素的温升不同,产生的转角变化或离面位移也就不同,再利用光学检测系统读出这些转角变化或离面位移,并把这些信号转化为相应辐射源的热图像。这种光学读出的双材料微悬臂梁阵列不需要在每一感热像素上集成高灵敏度的读出电路,降低了红外焦平面阵列的制作难度;非接触式光学读出方法不引入电流,因而不会产生附加热量;微梁单元和基底之间不需要金属连接,有良好的热隔离效果;像素之间不需要布线和扫描电路,更容易实现大面阵FPA的制作。3.2法布里一泊罗干涉型光学独立成像系统的工作机理中国科学院上海微系统与信息技术研究所的王跃林研究员所领导的课题组,2003年研制成功了基于法布里-珀罗微腔阵列的非制冷红外焦平面阵列,50×50像素,单元像素面积为70μm×70μm,相邻单元的中心距离为100μm,NETD为5.1K,而其极限值可达58mK,如图9所示。法布里一泊罗干涉型光学读出热成像系统的工作机理是红外热效应、双金属片效应和光的干涉原理,利用双材料梁由于红外热效应和双金属片效应而产生的位移对可见光的强度进行调制,从而将红外图像直接转化为可见光图像。如图10所示,红外辐射经红外光学系统从滤波片一侧入射到可动微镜上,可动微镜吸收红外辐射后温度升高,导致镜面区域与弯折梁固定端存在一个温度梯度,双层材料弯折梁将发生弯曲形变,带动镜面上下运动,改变了可动微镜与固定镜面之间的距离,当微镜的位移在0~1/4λ内变化时,反射光强随之单调变化,可以用CCD相机或者眼睛、光屏就可以接收到可见光图像。通过上述过程,就实现了从红外辐射向可见光图像的转变。4各行业公司的竞争非制冷热成像技术广泛应用于军事(夜视、夜间导航和驾驶、精确制导、机器人视觉等)、工业(电力、交通、工艺质量控制、无损检测等)、医学(