非制冷探测器技术发展.doc

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1、1 概况 自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。 至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320320和640480阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的10241024非制冷焦平面阵列（FPA）。像素尺寸也由50m减小到25m，使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强

2、器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。 2 现状 1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为-Si（非晶硅）与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx材料具有较高的热电阻系数，

3、目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用814m波段320240和160120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。目前市场上有热像仪整机产品，也有各种功能模块单独出售，供用户选用。 3 国外主要几家公司研制生产状况 目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。英国的公司主要是BAE公司，正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器，单元式结构的正在研制。 日本的主要有三菱公司，正在研发的主要有Si P/N结型和YBaCuO电阻型

4、热探测器两种，规格均为320240，像元素尺寸均为40m，在f/1条件下，Si P/N结型FPA的NETD（噪声等效温差）优于120mK，YBaCuO电阻型FPA的NETD优于80mK。日本电气公司主要从事VOx电阻型探测器研究，最新报道320240 FPA像素尺寸为37m，热响应时间为12ms，填充因子为72%，其热像仪的NETD为100mK（f/1,60Hz）。 美陆军在“未来战斗系统”使用和部署三种第三代热像仪：第一种是采用制冷型探测器，具有较大的焦平面阵列（10241024或20482048），扩大目标探测器范围和提高灵敏度，并能在中波和长波波段工作，采用多光谱红外探测器，兼备在冷背景

5、中识别目标和穿透烟雾的能力。这种热像仪将装备那些将来优先发展的作战平台，如计划于2008年开始生产，将用于代替现役“艾布拉姆斯”坦克、“布雷德利”步战车的陆军“未来战车系统”。 第二种是非制冷型第二代高性能单色探测器，凝视型FPA（10241024），可装备美陆军未来的无人驾驶车辆；第三种是非制冷、体积小、成本低的多光谱、凝视型FPA的探测器，用于微型无人驾驶车辆或未来的侦察监视器材，还将代替现役夜视头盔的微光增强管。美陆军的“未来”宇宙战士传感器将应用这种具有全天候观测功能的轻型热像仪。表1部份国外典型非制冷红外探测器性能 混合结构型BST铁电型探测器 Raytheon公司W1000系列 用

6、于轻型武器热瞄具（LTWS）、驾驶员视力增强器（DVE）、手持式热像仪和车载式驾驶仪，重1.7kg，探测距离550米，截至2003年9月该公司已交付美陆军10000个，其中用于LTWS装备的Specter IR是320240 FPA BST, 已装备M16、M4、M203和M136等，其探测和识别(人)距离为200米。 薄膜铁电型探测器（TFFE） 正处于研发阶段：320240、像素尺寸为48.5m，NETD为90170mk, 填充因子55%. VOx（氧化钒）电阻型探测器 DRS公司U3000/U4000型（美） 这种非制冷微测辐射热计红外探测器，用于武器观瞄，已装备美陆军。320240元F

7、PA像素尺寸为51m，波长812m，NETD（U3000）为6475mk，重量为1.36kg。 DRS公司LTC650TM 1999年制成，640480 FPA，像素尺寸为28m，NETD 70%。 -Si(非晶硅)电阻性探测器 Raytheon公司（美） 目前已批量生产，国际市场销售，主要用于商业和民用。 160120 FPA，像素尺寸为46.8m， NETD80%，NETD分别为90mk和100mk，UL01021E型内装恒温装置。 2003年报道正在研发产品：(1) 320240 FPA，像素尺寸为35m，NETD为36mk（50Hz, f/1），热响应时间为12ms，热阻抗为4.210

8、7k/W；(2) 25m像素，320240 FPA面阵NETD值为35m像素320240 FPA面阵的2.2倍，个别产品达到与35m相同的性能。 4 国内主要几家公司研制生产状况 1995年，中科院长春光学精密机械研究所采用微机械加工技术研制成低成本线列32元、128元硅微测热辐射计阵列，NETD为300mK，存储时间为1ms。 2000年12月，中科院上海技术物理研究所采用新工艺制成的钛酸锶钡铁电薄膜材料性能通过鉴定达到国际领先水平，与美国TI公司演示的第一代非制冷探测器所用材料相同。 我国在非制冷红外热像仪方面的研发集中在部分高等院校和研究所。从事经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在一

9、些外围设备和开发软件的业务上，最核心的机芯部分均系国外进口。 表2部分国产非制冷红外热像仪产品性能 产品名称 型号 工作波长 m 视场 /0 空间分辨率/mrad 温度分辨率/k 帧频 /Hz 工作环境温度 /oC 重量 /kg 研制生产单位 非制冷 热像仪 TR510 814 86 0.5 1 -40+50 1.8 *武汉高德有限公司 IR512 814 96.8 0.6 0.1 -40+50 1.8 非制冷红外焦平面热像仪 IR928 814 1 0.06 50 1.2 非制冷红外热像仪 DL-700B 814 20.5 15.4 1.3 0.0830oC -20+60 2.0 浙江大立科

10、技有限公司 非制冷红外热像仪 DL-700C 814 20.5X 15.4 1.3 50 -20+60 2.0 非制冷红外热像仪 DL-700A 814 18.4X 13.8 1 0.1oC 30oC 50 -10+40 1.3 非制冷红外热像仪 Sat 忽略此处 SAT-S160 814 20X15 0.1 -20+50 0.7 广州飒特电力红外技术有限公司 SAT-HY6800 1.3 (24O镜头) 2 (NETD:0.08OC,30OC时) 50/60 1.75 固定式红外热像仪 HY192F（160 120 FPA） 714 0.1 北京红源光电技术有限公司 HY768F（320 2

11、40 FPA） 手携式热像仪 FJR-4A 华北光电技术研究所 红外技术发展史（制冷与非制冷红外探测器）在过去的50多年里，近红外光谱仪经历了如下几个发展阶段：第一台近红外光谱仪的分光系统（50年代后期）是滤光片分光系统，测量样品必须预先干燥，使其水分含量小于15%，然后样品经磨碎，使其粒径小于1毫米，并装样品池。此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差！“滤光片”被称为第一代分光技术。70年代中期至80年代，光栅扫描分光系统开始应用，但存在以下不足：扫描速度慢、波长重现性差，内部移动部件多。此类仪

12、器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，不适合作为过程分析仪器使用。“光栅”被称为第二代分光技术。80年代中后期至90年代中前期，应用“傅立叶变换”分光系统，但是由于干涉计中动镜的存在，仪器的在线可靠性受到限制，特别是对仪器的使用和放置环境有严格要求，比如室温、湿度、杂散光、震动等。“傅立叶变换”被称为第三代分光技术。90年代中期，开始有了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪，这种近红外光谱仪采用固定光栅扫描方式，仪器的波长范围和分辨率有限，波长通常不超过1750nm。由于该波段检测到的主要是样品的三级和四级倍频，样品的摩尔吸收系数较低，因而需要的光程往往

13、较长。“二极管阵列”被称为第四代分光技术。90年代末，来自航天技术的“声光可调滤光器”（缩写为AOTF）技术的问世，被认为是“90年代近红外光谱仪最突出的进展”， AOTF是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件，与通常的单色器相比，采用声光调制即通过超声射频的变化实现光谱扫描，光学系统无移动性部件，波长切换快、重现性好，程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温、湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。非制冷红外技术发展现状（上）尤海平(2005

14、.11.17)在夜视领域，红外探测器是热成像系统的核心，主要分为两类：制冷型（基于光子探测）和非制冷型（基于热探测）。尽管前者（或者为光电探测器，或者为光伏器件）被认为是实际应用中最佳的红外热探测技术，但它们的制造和使用成本较高。不过，近年来非制冷红外探测器获得了长足发展。与制冷红外探测器相比，非制冷红外探测器不需要在系统中安装制冷装置，因此尺寸较小、重量较轻且功耗较低。此外，它们与制冷型光子探测器相比可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。因此，非制冷技术能为军事用户提供成本更低、可靠性更高的高灵敏传感器。换句话说，它们能更廉价地进行采购和使用，这是其吸引人的地方。不幸的是，非制冷红外探测器在

15、灵敏度方面至今无法满足所有军事应用的要求，因此其应用仍然存在一定限制。不过，随着更多的投资涌向该技术领域，这种情况无疑会发生改变。在不以远距离应用为主的场合，非制冷红外技术的应用正日趋广泛。这方面的最好例子是许多国家准备发展的综合未来士兵系统，夜视能力是其基本要求，此时成本、重量和功耗显得格外重要。工作原理红外探测器产生的输出信号依赖于进入其作用区域的辐射总量。热（非制冷红外）探测器将入射辐射转换为热，而这将导致探测器元件温度升高。温度的变化随后将转换为可被放大和显示的电信号。热探测器能响应较宽范围的波长，而且不同波长的响应能力没有明显差异，同时在室温下具有足够高的灵敏度，可以满足成像要求。红

16、外频谱覆盖0.714 m，并被分为短波红外（也称为近红外，覆盖0.73 m波段）、中波红外（覆盖35 m）和长波红外（也称远红外，覆盖514 m），不过大多数长波红外探测器覆盖812 m。非制冷红外探测器有三种类型：测辐射热计，它测量电阻随温度的变化；热电（或铁电）探测器，测量自发电子偏振随温度的变化；热电堆，测量电动势随温度的变化（这就是众所周知的塞贝克效应或热电效应）。在这三种探测器中，测辐射热计探测器由于与CMOS（互补型金属氧化物半导体）技术兼容而成为应用最广泛的非制冷红外探测器。这种探测器可以单片方式与标准CMOS电路集成，因此生产成本较低。它还允许使用超大规模集成技术实现有源像素结

17、构，这种结构可以在一块芯片上集成摄像机的所有功能。为了成为热成像摄像机的一部分，单独的红外探测器（包括制冷型或非制冷型）通常以集群成所谓的焦平面阵列（FPA），不过在特定的应用中也可以制成线阵。每个探测器提供一个探测像素，组成阵列的像素越多，所形成的图像越清晰（且越精确）。除了红外探测器或焦平面阵列外，热成像摄像机还需要电源、信号处理器、各种光学子部件以及视频监视器系统。现有的热成像摄像机的用途多种多样，例如机载应用中的前视红外系统（或者装在吊舱中，或者成为传感器转塔有效负载的一部分）、装甲战车和海军导弹系统用的火控系统、单兵或班组武器的瞄准镜以及导弹寻的器等。非制冷红外探测器目前的应用范围主

18、要有监视、轻型头盔瞄准具、灵巧弹药、武器瞄准具、无人值守地面传感器和导弹/灵巧炸弹寻的器等。对非制冷技术的进一步发展要求可以概括为更高的灵敏度、更小的像素尺寸和更大阵列（目标是640480元或更大）。此外，这类热像仪还需要提高温度稳定性、降低光学系统成本和减小功耗。这些需求的不同组合将导致更轻、更紧凑且生产成本更低的设计。在美国，陆军通信-电子司令部夜视与电子传感器局和国防高级研究计划局（DARPA）合作研究非制冷技术。主要有三家公司-BAE系统公司北美分公司、DRS技术公司和雷西昂公司从事军用非制冷微测辐射热计研究工作，其中DRS公司曾兼并了得克萨斯仪器公司、休斯公司和波音公司的红外业务。红

19、外焦平面阵列技术的发展现状与趋势慧聪网2005年9月16日10时51分信息来源：中采网2未来的发展趋势上面已叙述了进入二十一世纪以来红外焦平面技术的发展现状与趋势，2010年时的红外焦平面阵列技术发展将是人们十分关注的课题，那么2010年时红外焦平面阵列技术的发展将是什么结果呢？目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术发展的转变时期。各有关公司厂家着眼于2010年市场需求，正在加紧确定第三代红外焦平面阵列技术的概念，目前各有关公司和厂家机构的注意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的发展。第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求：焦平面上探测器像元集成度为106元，

20、阵列格式1K1K，至少双色工作，高的工作温度，以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用，非致冷工作红外焦平面阵列传感器的性能达到或接近目前第二代致冷工作红外焦平面阵列传感器的水平，必须是极低成本的微型传感器，甚至是一次性应用的传感器。第三代红外焦平面阵列传感器有下列三种：即：（1）大型多色高温工作的红外焦平面阵列，探测器像元集成度106元，阵列格式10001000，10002000，和40964096元，像元尺寸1818m2，目前芯片尺寸2222mm2，未来的芯片应更大，高的量子效率，能存储和利用探测器转换所有的光电子，自适应帧速（480Hz），双色或多色工作，使用斯特林或热电温差电致冷器，工作在

21、120180K，光响应不均匀0.05%，NETD50mk(f/1.8)，结构上单片或混合集成，可以是三维的。（2）非致冷红外焦平面阵列，无须温度稳定或致冷，用于分布孔径设计，重量仅1盎司，30mW功率，焦平面探测器元集成度106元，阵列格式10001000元，像元尺寸为25m25m，NETD10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔径设计中获取实用信息。（3）非致冷工作的微型传感器，焦平面探测器像元集成度仅160120元320240元，像元尺寸50m50m25m25m，NETD50mK(f/1.8)，输入功率10mW以下，重量1盎司，尺寸2立方英寸，低成

22、本。最终的第三代红外焦平面阵列将是极低成本的微型传感器，将占领整个红外市场，其未来的应用将是无人操作的一次性应用传感器，如微型无人驾驶航空飞行器，头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。表1列出了第三代红外焦平面阵列传感器的特点。高性能多色致冷传感器高性能非致冷传感器非致冷微型传感器焦平面阵列格式1000100010002000200020004096409610001000160120320240像元尺寸18m18m1密尔1密尔2密尔2密尔工作波段双色或多色812m封装真空高真空中等真空中等真空制冷器机械或热电温差制冷器非致冷非致冷工作温度120K180K室温，无需温度稳定室温，无需温度稳定目标最大作用距离最大杂波抑制低成本，低功耗，中等性能一次性使用，10mW功率3结论进入二十一世纪，红外焦平面阵列技术发展已取得了举世瞩目的成就，已从第一代线阵列发展到了今天的二维TDI和大型凝视焦平面阵列，目前正在向焦平面探测器元高集成度（106元）的高密度、小像元（25m25m18m18m）、高性能、多色和低成本的方向发展；