红外热像仪探测器分类和发展简史

红外热像仪探测器分类和发展简史

日期:2019-05-25 13:00
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摘要:
由于红外辐射是人眼不可见的,要察觉其存在,测量其强弱,就必须首先利用红外探测器将其转换为某种便于测量的信号。红外探测器是红外探测或成像系统中的核心,也是红外技术发展*活跃的领域。红外技术的发展水平,通常是以红外探测器的发展水平为主要标志的。
1.红外探测器分类
对于品种繁多的红外探测器,有各种不同的分类方法。根据响应波长,可以分为近红外、中红外、远红外和极远红外探测器;根据工作温度和致冷需求,可以分为低温致冷和室温非致冷红外探测器;根据结构可分为单元、线阵和焦平面红外探测器;就探测机理而言,又可分为光子和热敏红外探测器,下面主要就这两类红外探测器予以简单介绍。
1.1光子红外探测器
光子红外探测器是利用材料的光电效应将光信息转换为电信息的红外敏感器件。材料的电学性质通常取决于材料中电子的运动状态,当光束入射至材料表面时,入射光子如果直接与材料中的电子起作用,引起电子运动状态改变,则材料的电学性质也将随之发生变化,这类现象统称为材料的光电效应。这里强调“直接”两字。如果光子不是直接与电子作用,而是能量被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高,导致材料电学性质的改变,这种情况不能称为光电效应,而是热电效应。光子探测器主要有以下几种:
(1)光电导红外探测器
某些半导体材料,当受到红外线照射时,其电导率将明显改变,这种物理现象就是光电导效应。利用具有光电导效应的材料制成的红外探测器就称为光电导型探测器。常用的这种类型的探测器有:硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)、碲镉汞(Hg1-xCdxTe)和锗(Ge)掺杂红外探测器。
光电导探测器的缺点是:光电导效应只有在红外辐射照射一段时间后,其电导率才会达到稳定值,而当停止照射后,载流子不能立即全部复合消失,因此,电导率只有经过一段时间后才能回复。这种现象称为弛豫现象,这就造成了光电导型红外探测器响应速度较慢的缺点。
(2)光伏红外探测器
如果在固体内部存在一个电场,而且条件适当,则本征光吸收所产生的电子-空穴对会趋向两个部分,在两部分间产生电势差,接通外电路就可以输出电流。这就是半导体PN结的光伏效应。利用具有光伏效应的材料制成的红外探测器称为光伏红外探测用的光伏红外探测器有:砷化铟(InAs)、碲镉汞(Hg1-xCdxTe)和锑化铟(InSb)探测器等。
与光电导效应相反,光伏效应是一种少数载流子效应。少数载流子的寿命通常短于多数载流子的寿命,当少数载流子复合消失时,光伏信号就终止了。由于这个原因,光伏红外探测器的响应速度一般快于光电导红外探测器,有利于作高速检测,另外其结构也有利于排成二维阵列制作焦平面。
(3)光电子发射红外探测器
当频率为v的光束照射至固体材料表面时,由于光的量子效应,光能总是以单个光子能量hv起作用,固体中的电子吸收了能量后动能增大。在向表面运动的电子中有一部分能量较大,除了在途中由于与晶格或其它电子碰撞而损失一部分能量外,尚有足够的能量以克服固体表面的势垒,逸出固体表面而向真空发射光电子,这种效应称为光电子发射效应,利用这种效应制成的红外探测器称为光电子发射红外探测器。
由于光子探测器是依赖材料内部电子直接吸收入射红外辐射,无需经过物体加热的中间过程,因而具有响应速度快、体积小、可靠性高、适应能力强等优点。不过在室温附近,由于材料固有的热激发将增大探测器的暗电流,降低器件性能,因此,光子探测器需要在低温致冷条件下才能发挥其*佳性能,这就增加了红外探测或者成像系统的成本和复杂性,造成系统成本一直居高不下,仅在对灵敏度要求很苛刻的军事领域和部分工业领域中得到应用,而很难进入具有广泛应用前景的民用领域。
1.2红外热像仪探测器分类和发展简史-热敏红外探测器
与光子探测器将光子能量直接转换为光电子的光电效应不同,热敏红外探测器是利用红外辐射的热效应,通过热与其他物理量的变换来探测红外辐射的。物质的某些性质随入射光的加热作用引起的温度升高而变化的现象称为热敏效应。热敏效应的特点是入射光与材料的晶格相互作用,晶格因吸收光能而振动能量增加,材料温度上升,从而引起与温度有关的物理,化学或者电学参量发生变化。这些效应主要包括:塞贝克效应、热敏电阻效应、热释电效应、热弹性效应、隧道效应、液晶色变和气体压力改变等效应。
热敏红外探测器的响应信号取决于辐射功率或者其变化率,与红外辐射的光谱成分无关。由于探测器的加热和冷却是一个比较缓慢的过程,因此与光子探测器相比,热探测器的响应速度较慢。一般情况下,光子探测器的响应时间为微秒级,而热探测响应时间为毫秒级。热敏红外探测器主要包括热释电、温差电堆和微测辐射热计红外探测器三种类型。
(1)红外热像仪探测器分类和发展简史-热释电红外探测器
研究发现,部分晶体(如硫酸三甘肽、铌酸锶钡等)沿某一特定的方向切割成薄片,并在两表面制作电极形成平板电容后,当晶体温度发生变化时,电容两端将产生电压。这种当材料表面温度发生变化后,因材料自发极化而在材料表面释放出电荷的现象称为热释电效应[6]。如果将该电容器上接上负载电阻,则会产生热释电电流根据热释电效应设计的红外探测器就是热释电红外探测器。
热释电材料仅在温度变化时才产生响应电流,这是热释电探测器区别于其他热敏红外探测器(如微测辐射热计、热电堆)的重要标志。这个特点也决定了热释电红外探测器必须在斩波器协助下才能正常工作。如果不使用斩波器,除非场景中有活动目标,否则热释电电荷将自动消散,场景图像将渐隐。不过增加斩波器后,整个红外成像系统结构将变得复杂。
热释电材料可分为三类:单晶热释电、陶瓷热释电和薄膜热释电。在众多热释电材料中,BST(钛酸锶钡,BaxSr1-xTiO3)陶瓷材料是目前研究得*成熟也是*成功的一种热释电陶瓷材料。TI(后并入Raytheon)公司推出的245×328BST铁电陶瓷焦平面已形成产品,像元尺寸48.5μm×48.5μm,NETD(噪声等效温差,NoiseEquivalentTemperatureDifference)优于0.8K,展示样品的NETD优于47 mK。
不过,由于铁电陶瓷焦平面的制作工艺与标准大规模硅集成电路工艺不兼容,因此焦平面制造成本较高。此外,陶瓷混合集成热释电焦平面的性能已经接近理论极限,因此自20世纪90年代中期以来,在美国国防预研局的资助下,Raython公司转而研究单片集成式薄膜热释电红外焦平面阵列,并取得了较大进展,目前,Raytheon公司利用PLZT(锆钛酸铅镧,Pb1-xLax(ZryTi1-y)O3)热释电薄膜已经成功制造出320×240单片式热释电焦平面阵列,阵列的NETD优于90mK。
热释电红外探测器是目前热探测器中的佼佼者,这种探测器除具有一般热探测器点,如宽光谱响应、室温工作等优点外,还具有以下特殊优点:
1)探测器输出信号与灵敏元温度变化率成正比,而与优良温度无关,因而无需自身的热平衡,响应速度较快;2)热释电探测元本身可以作为一个滤波器,可以将一定量的噪声旁路分离掉,噪声较小;3)电荷存储具有积分特性,能存储由瞬时信号释放的总电荷,此时电
荷的测量取决于瞬时的总量;4)无需加偏压,读出电路设计简单。不过由于热释电红外探测器需要斩波器协助才能正常工作,因此与热电堆、测辐射热计比较而言,成像系统结构复杂。
(2)温差热电堆红外探测器
温差热电堆红外探测器是利用材料的塞贝克(Seebeck)效应工作的。塞贝克效应是热能转换为电能的现象,当两种金属或者半导体材料一端欧姆接触而另两端开路时,如果接触端与开路端形成温度差,则在两开路端之间会产生一定的电势差,这种由于温度梯度使得材料内部的载流子由热端向冷端移动而在冷端形成电荷积累的现象,就称为塞贝克效应。这种结构就称为热电偶。若干热电偶串连起来就形成热电堆,与单个热电偶相比,热电堆由于电势叠加,便于获得相当可观的电信号。如果将热电堆的接触端与一吸收红外辐射的小黑体连接在一起,则当小黑体吸收红外辐射能量后,加热接触端温度升高,依据塞贝克效应,在分离端将产生温差电动势。电动势的大小与入射的红外辐射能量间存在一个确定的关系,依据这种原理制成的红外探测器称为温差热电堆红外探测器。
用于热电堆红外探测器的常用热偶对材料有多晶硅和金、多晶硅和铝、P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜材料对以及N型和P型多晶硅材料对。其中N型和P型多晶硅材料对由于具有较高的赛贝尔系数和优值,制作工艺与集成电路工艺兼容等优点,是当前研究得比较深入也是*有前途的热偶探测材料。日本防卫厅和日本电气公司(NEC)利用N型和P型多晶硅作为热电材料制作了128×128元单片式热电堆红外焦平面阵列,器件响应灵敏度约为1,550V/W。与其他热敏型红外探测器相比,热电堆红外探测器响应灵敏度不高,热响应时间较长,因此在器件性能方面并不具有竞争优势。不过热电堆红外探测器制作容易与集成电路工艺兼容,信号后处理电路也比较简单,具有低成本的潜力,在对红外成像图像质量要求不高的社区保安、安全监控,汽车辅助驾驶等领域具有一定的应用前景。
 
(3)微测辐射热计红外探测器
微测辐射热计是利用热敏材料的电阻率对温度的敏感特性进行红外探测的。常用的热敏材料主要有金属和半导体薄膜。当温度增加时,金属薄膜电子迁移率下降,薄阻增加,TCR(电阻温度系数,TemperatureCoefficientofResistance)为正值,一般在量级[16~19]。由于金属薄膜的TCR较低,因此该类薄膜仅在原型器件开发中得到应用。与金属薄膜相比,以氧化钒和非晶硅为代表的半导体材料的TCR一般要高一个数量级,是目前*常用的热敏材料。当温度升高时,半导体材料的电荷载流子浓度和迁移率增大,电阻率随着材料温度升高而减小,显示出负的TCR。
微测辐射热计红外探测器具有无需斩波、制作工艺与集成电路制造工艺兼容,便于大规模生产等优点,具有相当大的发展潜力,是目前发展速度*快、性能*好和*具有应用前景的一种热敏型红外探测器。
除以上三种主要的热敏红外探测器外,还有基于其他物理热效应的红外热探测器,
主要包括:
1)利用物理的热胀冷缩效应,如水银温度计,气体高莱瓶等;
2)共振频率与温度的相关性,如石英晶振非致冷红外探测器;
3)双材料微悬梁悬臂弯曲与温度的相关性,如基于双材料微悬臂的电容读出和光学读出的非致冷红外探测器;
4)热光效应。利用材料的折射率-温度相关性研制的红外探测器。
2红外热像仪探测器分类和发展简史-红外探测器发展简史
自1800年赫胥尔利用涂黑的水银温度计发现红外辐射后,水银温度计作为红外探
测器,一直沿用到1830年。
1821年Seebeck发现了温差电效应,研制出**个热电偶。
1829年Nobili将几个热电偶串连起来,制作了靠前热电堆。
1833年梅罗里(Melloni)利用锑化铋作为热电堆材料,大幅提高了热电堆红外探测器的探测灵敏度,它比当时*好的水银温度计至少灵敏40倍。
十九世纪八十年代,又发明了一些高灵敏的新型红外探测器,其中*具有代表意
义的是Langley发明的测辐射热计,它比热电堆的灵敏度约高30倍。
1886年Langley采用两条细长的铂条作为惠斯顿电桥的两个桥腿,研制成功靠前测辐射热计,在随后的20年内,Langley不断改进微测辐射热计的性能。
早期研制的红外探测器都是基于材料的热电效应,光子探测器是在二十世纪二十年代初才出现的。
1917年,Gase首次利用红外线的光电导效应,研制成功亚硫酸铊光子探测器。光子红外探测器比以前使用的任何探测器都灵敏得多,而且响应也快得多。第二次世界大战以来,光子探测器发展相当迅速,并成为之后一段时间内红外探测器发展的主流,其中*有代表性的有PbSi、InSb和HgCdTe等三类探测器。致冷型光测器是公认灵敏度*高的红外探测器。在二十世纪六十年代以前,红外探测器都以光子单元探测器为主,构成**代红外探测器。
二十世纪七十年代开始研究致冷型红外焦平面阵列,迄今为止,332×240元HgCdTe、InSb、InGaAs和PtSi凝视焦平面阵列技术已经成熟并投入生产,640×480元正在迈向成熟阶段,部分已经投入批量生产。中/长波(3~5μm和8~12μm)HgCdTe红外焦平面阵列已发展到1024×1024、2048×2048和4096×4096元,中波InSb红外焦平面阵列已经发展至2048×2048元。这些焦平面阵列的一个共同特点是都要求低温致冷,成为当时红外探测器发展的主流,称为第二代红外探测器技术。
自二十世纪九十年代以来,红外技术正在经历第三次**,以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非致冷红外成像技术获得了重要突破并达到实用化。它不仅解决了红外摄像技术中*为突出的要求低温(~77K)冷却工作的要求,而且还可像光子半导体红外焦平面阵列技术一样实现同读出电路的大规模或超大规模集成,实现了高密度、小型化、便携和易于操作的红外热像仪,同时这种技术也适**用目前硅大规模集成电路制作技术批量生产,使红外热摄像仪成本低廉化,去除了红外热摄像系统长期以来价格居高不下的问题,搬去了阻碍红外热摄像仪技术广泛推广应用,特别是进入广阔民用市场的障碍,成为当今红外成像技术*引人瞩目的突破之一。
 
3红外热像仪探测器分类和发展简史-微测辐射热计红外探测器
高性能的非致冷红外焦平面主要有热释电和微测辐射热计两种。与具有相当竞争力的热释电红外探测器相比,微测辐射热计具有以下优点:
(1)制作工艺与CMOS(互补型金属氧化物半导体,ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工艺兼容,有利于采用半导体工艺大批次集成制作,成本更低;
(2)工作时无需斩波,成像系统无活动部件,使用寿命长,可以做成便携式产品,操作与维护简单方便;
(3)极低串音,由于采用了热绝缘微桥结构,焦平面阵列中每个像元同邻近的像元几乎完全热隔离,因而无图像拖影或模糊现象;
(4)响应速度快,较快的帧速可以将在全景拍摄期间由快速拍摄所造成的图像劣化现象减少至*低限度;
(5)响应动态范围宽,线性度好;
(6)具有潜在的低灵敏度特性,基于微桥绝热结构的微测辐射热计焦平面能够实现潜在*大的热灵敏度,其NETD极限低于5 mK。
尽管微测辐射热计自1886年就开始出现,但早期的器件研究都是围绕辐射计量开展的,将其应用于红外成像是近几十年的事情。Putley于1966年**描述了薄膜式测辐射热计的红外探测原理,建立了响应度和噪声极限的理论模型[35]。不过在1979年之前,由于微加工技术的限制,测辐射热计的尺寸较大,因此无法制成阵列器件。1979年,Johnson提出了利用体硅加工工艺制做氮化硅薄膜微桥结构用于热探测器绝热结构的设想,Johnson和Higashi随后验证了这一设想。随后Kruse于1982年从理论上证明了具有良好绝热结构的微测辐射热计可以达到热探测器的探测极限,他的预测同年被Arch和Heisler所证实。1983年,Wood演示了测辐射热计阵列制造的可能性。
在1981~1992年间,在美国国防部预研局(DARPA)和军方的支持下,HTC(霍尼韦尔研究中心,HoneywellTechnologyCenter)秘密开展了微测辐射热计非致冷红外成像的研究,直到1992年,研究全部完成后,才将技术方案部分公开。HTC微测辐射热计红外探测器的研制成功,主要依靠两项关键技术:一是优良的热敏材料,二是探测器与衬底间的绝热结构。在热敏材料方面,HTC利用混合相氧化钒(VOx)薄膜作为微测辐射热计的热敏材料,该薄膜在室温时的电阻温度系数为-2%K-1,为金属薄膜的5~10倍,且淀积温度较低,与读出电路兼容。在器件结构方面,HTC研制了双层微桥结构以减少探测器与衬底间的热导,获得了接近辐射极限的低热导,大幅度提高了器件性能。
氧化矾VOx非致冷红外焦平面的研究成果引起世界瞩目。目前,320×240元VOx微测辐射热计红外焦平面的制作工艺已经成熟并批量生产,更大面阵规模的如640×480VOx红外焦平面也已经开发成功并投入市场,像元尺寸也由50μm×50μm逐步减小至25μm×25μm,平均噪声等效温差达到8.6mK,在军事和民用诸多领域中获得了广泛应用。
4红外热像仪探测器分类和发展简史-研究现状
20世纪90年代初,HTC在经历十多年秘密研究后,终于研制成功了336×240元非致冷VOx微测辐射热计焦平面阵列,随后将该项技术授权转让给了日本NEC公司等。NEC公司经过技术改进,近年来陆续开发了一系列高灵敏的非致冷红外焦平面阵列。
DRS(原Boeing)公司已成为非致冷微测辐射热计焦平面阵列的批发供应商,其典型产品的型号为U3000和U4000,工作波段为8~14μm,320×240像元,像素大小为51μm×5lμm,填充因子约为65%,补偿校正后NETD<0.03K。
目前,尽管美国在非致冷微测辐射热计焦平面技术方面仍处于优越地位,但其他西方发达国家如法国、澳大利亚和日本也先后推出了各自的微测辐射热计焦平面产品。法国微测辐射热计多利用非晶硅薄膜作为热敏材料。与氧化钒相比,非晶硅具有低热导率和高机械强度的优点,便于研制自悬浮支撑结构的探测器。
法国ULIS公司以CEA/LETI(法国原子能委员会/微电子研究院,AtomicEnergyCommission/Electronicsand InformationTechnologiesLaboratory)开发的非晶硅微测辐射热计技术为基础,在2001~2004年相继推出了UL01011、UL01021E、UL02051和UL03041等红外焦平面阵列产品,芯片价格仅有其他同种类型产品的1/3~1/4。2004年,ULIS推出了基于第二代非晶硅微加工工艺的焦平面产品(UL0381),阵列规模384×288,像元尺寸35μm×35μm,NETD<43mK,芯片功耗130mW。
加拿大INO(国家光学研究所,NationalOpticsInstitute)在20世纪90年代后期,利用一种准VO2薄膜作为热敏电阻材料,研制成功了单片式非致冷微测辐射热计焦平面。焦平面制作在CMOS信号处理和读出电路之上,阵列规模为128×128、160×120、256×1和512×3。160×120系列焦平面像元尺寸为52μm×52μm,光敏区面积8.3×6.4mm,NETD(f/1,300K,8~12μm)约为150~250mK。
1996年日本NEC(电气株式会社,Nippon Electronic Company)利用金属Ti作为热
敏薄膜,研制了128×128面阵的微测辐射热计焦平面阵列,像元尺寸为50μm×50μm,
NETD约90mK。2002年,NEC获得了美国HTC微测辐射热计焦平面的砖利授权,并
在2003年推出了阵列规模为320×240的红外焦平面,像元尺寸37μm×37μm,红外
吸收率80%,工作波长8~12μm,填充系数72%,NETD小于0.1K。

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