非制冷探測器

1、1概非制冷探測器技術(shù)發(fā)展.doc況自上世紀(jì)90年代，非制冷凝視型紅外熱像儀迅速進(jìn)入應(yīng)用市場。這種熱像儀與制 冷型凝視紅外熱像儀相比，雖然在溫度分辨率等靈敏度方面還有很大差距，但具有一 些突出的優(yōu)點：不需制冷，成本低、功耗小、重量輕、小型化、啟動快、使用方便、 靈活、消費比高。至今，非制冷紅外焦平面陣列（FPA）技術(shù)已由小規(guī)模發(fā)展到中、大規(guī)模320 x320和 640 x480陣列，在未來的幾年內(nèi)有望獲得超大規(guī)模的1024x1024非制冷焦平面陣列（F PA）。像素尺寸也由50pm減小到25pm，使焦平面靈敏度進(jìn)一步提高。這種非制冷 紅外成像系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，部分型號產(chǎn)品已裝備

2、部隊，尤其在 輕武器（槍械）瞄準(zhǔn)具、駕駛員視力增強器、單兵頭盔式觀瞄、手持式（便攜）熱像 儀等輕武器，以及部分導(dǎo)彈的紅外成像末制導(dǎo)等方面，非致冷熱像儀在近年內(nèi)有望部 分取代價格高、可靠性差、體積大而又笨重的制冷型熱成像系統(tǒng)。2現(xiàn)狀1978年美國Texas Instruments在世界上首次研制成功第一個非制冷紅外熱像儀 系統(tǒng)，主要紅外材料為a-Si （非晶硅）與BST（鈦酸鍶鋇）。1983年美國Honeywell開 始研制室溫下的熱探測器，使用了硅微型機械加工技術(shù)，使熱隔離性提高，成本降 低。1990-1994年美國很多公司從Honeywell獲技術(shù)轉(zhuǎn)讓，使以VOx （氧化釩）為探 測材料的非

3、制冷探測器得到了迅速廣泛發(fā)展。VOx材料具有較高的熱電阻系數(shù)，目前 世界上性能最好的非制冷探測器就是采用VOx材料制備的，主要采用814pm波段3 20 x240和160 x120元的非制冷FPA器件，其結(jié)構(gòu)按部件功能模塊化（諸如，光學(xué)模 塊、FPA組件模塊、信號讀出處理電路模塊和顯示模塊）。目前市場上有熱像儀整機 產(chǎn)品，也有各種功能模塊單獨出售，供用戶選用。3國外主要幾家公司研制生產(chǎn)狀況目前，國際上美國、法國、英國和日本的非制冷紅外探測器研制生產(chǎn)水平居世界領(lǐng) 先水平。英國的公司主要是BAE公司，正在研制生產(chǎn)PST-鋯鈦酸鉛和BST-鈦酸鍶鋇 混合結(jié)構(gòu)的熱釋電型陶瓷探測器，單元式結(jié)構(gòu)的正在研制

4、。日本的主要有三菱公司，正在研發(fā)的主要有Si P/N結(jié)型和YBaCuO電阻型熱探測 器兩種，規(guī)格均為320 x240,像元素尺寸均為40pm，在f/1條件下，Si P/N結(jié)型FPA 的NETD （噪聲等效溫差）優(yōu)于120mK，YBaCuO電阻型FPA的NETD優(yōu)于80mK。日本電氣公司主要從事VOx電阻型探測器研究，最新報道320 x240 FPA像素尺寸為3 7pm，熱響應(yīng)時間為12ms，填充因子為72%，其熱像儀的NETD為100mK（f/1,60H z）。美陸軍在“未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)”使用和部署三種第三代熱像儀：第一種是采用制冷型探測 器，具有較大的焦平面陣列（1024x1024或2048x2

5、048），擴大目標(biāo)探測器范圍和提 高靈敏度，并能在中波和長波波段工作，采用多光譜紅外探測器，兼?zhèn)湓诶浔尘爸凶R 別目標(biāo)和穿透煙霧的能力。這種熱像儀將裝備那些將來優(yōu)先發(fā)展的作戰(zhàn)平臺，如計劃 于2008年開始生產(chǎn)，將用于代替現(xiàn)役“艾布拉姆斯”坦克、“布雷德利”步戰(zhàn)車的陸軍“未 來戰(zhàn)車系統(tǒng)”。第二種是非制冷型第二代高性能單色探測器，凝視型FPA（1024x1024），可裝備 美陸軍未來的無人駕駛車輛；第三種是非制冷、體積小、成本低的多光譜、凝視型FP A的探測器，用于微型無人駕駛車輛或未來的偵察監(jiān)視器材，還將代替現(xiàn)役夜視頭盔 的微光增強管。美陸軍的“未來”宇宙戰(zhàn)士傳感器將應(yīng)用這種具有全天候觀測功能的輕

6、型 熱像儀。表1部份國外典型非制冷紅外探測器性能混合結(jié)構(gòu)型BST鐵電型探測器Raytheon 公司W(wǎng)1000系列用于輕型武器熱瞄具（LTWS）、駕駛員視力增強器（DVE）、手持 式熱像儀和車載式駕駛儀，重1.7kg，探測距離550米，截至2003 年9月該公司已交付美陸軍10000個，其中用于LTWS裝備的 Specter IR 是 320 x240 FPA BST,已裝備 M16、M4、M203 和 M136 等，其探測和識別（人）距離為200米。薄膜鐵電型探測器（TFFE）正處于研發(fā)階段：320 x240、像素尺寸為48.5pm，NETD為 90170mk,填充因子 55%.VOx （氧化

7、帆） 電阻型探測器DRS公司U3000/U4000 型（美）這種非制冷微測輻射熱計紅外探測器，用于武器觀瞄，已裝備美陸軍。320 x240元FPA像素尺寸為51pm，波長812pm，NETD（U3000）為 6475mk，重量為 1.36kg。DRS 公司 LTC650TM1999年制成，640 x480 FPA，像素尺寸為28pm，NETD 0.1 T重量為 2.4kg。DRS公司U6000型（美）2001年制成，640 x480 FPA，像素尺寸為25.4pm，2002年5月對其 熱像儀進(jìn)行了演示。Raytheon 公司（美）2000年制成，640 x480 FPA，像素尺寸為25pm，熱

8、響應(yīng)時間 10ms，NETD為35mK （平均），填充因子70%。a-Si（非晶硅）電阻性探測器Raytheon 公司（美）目前已批量生產(chǎn)，國際市場銷售，主要用于商業(yè)和民用。160 x120 FPA，像素尺寸為 46.8pm，NETD 100mK。Sofradir （法）UL01011 型（2001年）和UL01021E型（2002 年）LET1/GEA公司（法）自1992年開始從事a-Si微測輻射熱計研究， 打破了美國在這方面的壟斷。2000年Sofradir的子公司ULIS公司 購買LET1/CEA的技術(shù)轉(zhuǎn)讓。320 x240 FPA，像素尺寸為45pm，填充因子80%，NETD分別為 9

9、0mk和100mk，UL01021E型內(nèi)裝恒溫裝置。2003年報道正在研發(fā)產(chǎn)品：（1） 320 x240 FPA，像素尺寸為35pm， NETD為36mk（50Hz, f/1），熱響應(yīng)時間為12ms，熱阻抗為 4.2x107k/W； （2） 25pm像素，320 x240 FPA 面陣 NETD 值為 35pm像 素320 x240 FPA面陣的2.2倍，個別產(chǎn)品達(dá)到與35pm相同的性能。4國內(nèi)主要幾家公司研制生產(chǎn)狀況1995年，中科院長春光學(xué)精密機械研究所采用微機械加工技術(shù)研制成低成本線列3 2元、128元硅微測熱輻射計陣列，NETD為300mK，存儲時間為1ms。2000年12月，中科院上

10、海技術(shù)物理研究所采用新工藝制成的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材 料性能通過鑒定達(dá)到國際領(lǐng)先水平，與美國TI公司演示的第一代非制冷探測器所用材 料相同。我國在非制冷紅外熱像儀方面的研發(fā)集中在部分高等院校和研究所。從事經(jīng)營非制 冷紅外熱像儀的公司大部分只停留在一些外圍設(shè)備和開發(fā)軟件的業(yè)務(wù)上，最核心的機 芯部分均系國外進(jìn)口。表2部分國產(chǎn)非制冷紅外熱像儀產(chǎn)品性能產(chǎn)品名稱型號工作波長lim視場/0空間分辨率/mrad溫度分辨率/k幀頻/Hz工作環(huán)境溫度/oC重量/kg研制生產(chǎn)單位非制冷熱像儀TR5108148x60.51-40+501.8*武漢高德有限公司IR5128149x6.80.60.1-40+501.8非制冷紅外焦IR92881410.06501.2平面熱像儀非制冷紅外熱像儀DL-700B81420.5 x15.41.30.0830OC-20+602.0浙江大立科技有限公司非制冷紅外熱像儀DL-700C81420.5X15.41.350-20+602.0非制冷紅外熱像儀DL-700A81418.4X13.810.1oC30oC50-10+401.3非制冷紅外熱像儀 HYPERLINK mailto:Sat Sat HYPERLINK SAT-S1608