非制冷紅外焦平面陣列irfpa探測(cè)原理及發(fā)展

非制冷紅外焦平面陣列irfpa探測(cè)原理及發(fā)展

1非制冷紅外攝像機(jī)紅外成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、森林火災(zāi)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。其核心部件是紅外焦平面成像（irfpa）。根據(jù)工作原理分類,可分為:光子型紅外探測(cè)器和非制冷紅外探測(cè)器。光子型紅外探測(cè)器采用窄禁帶半導(dǎo)體材料,如HgCdTe、InSb等,利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換;因而需要工作在77K或更低的溫度下,這就需要笨重而又復(fù)雜的制冷設(shè)備,難以小型化,攜帶不方便。另一方面,HgCdTe和InSb等材料價(jià)格昂貴、制備困難,且與CMOS工藝不兼容,所以光子型紅外探測(cè)器的價(jià)格一直居高不下。這些都極大地阻礙了紅外攝像機(jī)的廣泛應(yīng)用,特別是在民用方面,迫切需要開(kāi)發(fā)一種性能適中、價(jià)格低廉的新型紅外攝像機(jī)。非制冷紅外探測(cè)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)換為熱能,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(guò)所設(shè)計(jì)的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或可見(jiàn)光信號(hào)。非制冷IRFPA按照信號(hào)讀出方式的不同,可以分為電學(xué)讀出方式和光學(xué)讀出方式IRFPA。電學(xué)讀出方式是一種傳統(tǒng)信號(hào)讀出方式,目前正在使用的各種非制冷IRFPA都是電學(xué)讀出方式的,根據(jù)敏感元件的不同物理機(jī)理可分為:熱敏電阻型、熱釋電型、熱電堆型、二極管型、熱-電容型等。光學(xué)讀出方式是一種新穎的信號(hào)讀出方式,是近幾年來(lái)紅外研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,目前尚處于實(shí)驗(yàn)室階段,主要有:應(yīng)用光力學(xué)效應(yīng)的非制冷IRFPA和基于法布里-珀羅微腔陣列的非制冷IRFPA等。2電讀取非冷凍紅外焦平面矩陣的進(jìn)展2.1熱敏電阻型3.2紅外探測(cè)器熱敏電阻型非制冷紅外焦平面陣列使用的熱敏電阻探測(cè)材料主要有:氧化釩(VOx)、非晶硅(α-Si)、鈦(Ti)、釔鋇銅氧(YbaCuO)等,其最重要的參數(shù)是電阻溫度系數(shù)(TCR:TemperatureCoefficientofResistance)。它利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化,來(lái)探測(cè)紅外輻射的強(qiáng)弱。VOx的TCR較高(一般為2%~3%/K),是目前首選的熱敏電阻型非制冷IRFPA探測(cè)材料。早在20世紀(jì)80年代初,美國(guó)的Honeywell公司在軍方的資助下,開(kāi)始研究氧化釩薄膜,并于20世紀(jì)80年代末研制出非制冷氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)紅外焦平面陣列。在1993年就報(bào)道了320×240像素的微測(cè)熱輻射紅外焦平面陣列,其像元尺寸為50μm×50μm,噪聲等效溫差(NETD:NoiseEquivalentTemperatureDifference)為100mK(f/1,30Hz)。之后,Honeywell公司將此技術(shù)轉(zhuǎn)讓給Rockwell、Raytheon、LockheedMartin等公司。目前Raytheon公司已研制成功640×480像素,像元尺寸為25μm×25μm,NETD為35mK(f/1)的FPA。其他西方國(guó)家也緊隨其后,相繼研發(fā)出性能相當(dāng)?shù)腎RFPA。日本的NEC以及以色列的SCD等公司都能生產(chǎn)160×120~640×480像素的VOx非制冷IRFPA探測(cè)器,NETD為20~100mK。圖1是熱敏電阻型紅外探測(cè)器基本的橋式結(jié)構(gòu)單元示意圖,將探測(cè)器先制作在犧牲層的高臺(tái)上,去除犧牲層后留下空腔,結(jié)構(gòu)呈凸起的橋狀,支撐在硅基底的上方。最近幾年,國(guó)內(nèi)也有不少科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究氧化釩薄膜,主要有:中科院上海硅酸鹽研究所、華中科技大學(xué)、天津大學(xué)、四川大學(xué)、江蘇工業(yè)學(xué)院等。據(jù)報(bào)道,華中科技大學(xué)利用離子束濺射的方法制得的氧化釩薄膜的TCR為-2.1%/K,方阻為50kΩ;江蘇工學(xué)院用改進(jìn)的離子束增強(qiáng)沉積方法和恰當(dāng)?shù)耐嘶饛难趸C粉末直接制備了氧化釩多晶薄膜,其電阻溫度系數(shù)最高可達(dá)4.23%/K。但將氧化釩薄膜制作成探測(cè)器陣列還未有報(bào)道,目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。2.2鈦酸棗藻及其他鈦酸鉛材料熱釋電型非制冷紅外焦平面陣列的探測(cè)原理是:紅外輻射使材料的溫度發(fā)生變化,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。因而,可以通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電荷量或電壓的大小,探測(cè)紅外輻射的強(qiáng)弱。熱釋電材料大多采用鐵電材料,主要有硫酸三甘肽(TSG)、鉭酸鋰(LiTaO3)、鉭鈮酸鉀(KTN)、鈦酸鉛(PbTiO3)、鋯鈦酸鉛(PZT)、鉭鈧酸鉛(PST)、鈦酸鋇(BaTiO3)和鈦酸鍶鋇(BST)等,其中BST陶瓷是目前研究得最成熟也是最成功的一種陶瓷材料。20世紀(jì)90年代德州儀器公司就已采用BST陶瓷制備出245×328像素的熱釋電型非致冷紅外焦平面陣列,工作溫度為22℃,30Hz的幀速下NETD為47mK,其像元結(jié)構(gòu)如圖2所示。2002年,TI公司和洛克西德·馬丁公司研制出640×480像素的非致冷熱釋電紅外焦平面陣列。英國(guó)宇航系統(tǒng)公司紅外有限責(zé)任公司采用鉭鈧酸鉛研制的鐵電型非制冷焦平面探測(cè)器,像元數(shù)為256×128,像元尺寸為56μm×56μm,NETD<120mK。由中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料研究項(xiàng)目已于2000年12月通過(guò)中國(guó)科學(xué)院上海分院鑒定。該項(xiàng)目采用新工藝制備的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平,與美國(guó)TI公司演示的第一代非制冷探測(cè)器所使用的材料相同。2005年9月,中國(guó)科學(xué)院昆明物理研究所采用鋯鈦酸鉛體材料,研制成功160×120像素,像元尺寸為50μm×50μm的非制冷焦平面陣列。2.3用可擴(kuò)充材料的熱電堆型由逸出功不同的兩種導(dǎo)電材料所組成的閉合回路,當(dāng)兩接觸點(diǎn)處溫度不同時(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(dòng),在溫度低的一端形成電荷積累,回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì),這種現(xiàn)象稱為西貝克(Seebeck)效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)稱為熱電偶。一系列的熱電偶串聯(lián)稱為熱電堆,其示意圖如圖3所示。因而,通過(guò)測(cè)量熱電堆兩端的電壓的變化,可以探測(cè)出紅外輻射的強(qiáng)弱。目前用于熱電堆型非致冷紅外焦平面陣列的熱電偶有:P型多晶硅和金熱電偶,Si外延層P型擴(kuò)散區(qū)和鋁熱電偶,P型(Bi1-xSbx)2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜熱電偶,N型和P型多晶硅熱電偶。其中N型和P型多晶硅熱電偶,是當(dāng)前研究得比較深、也是最有前途的探測(cè)材料。日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司1994年用N型和P型多晶硅熱電材料制作出128×128像素?zé)犭姸呀蛊矫骊嚵?獲得的靈敏度為1550V/W,像元尺寸為100μm×100μm,NETD為0.5K(f/1)。Honeywell公司1995年研制出120元的線陣熱電堆紅外攝像傳感器,ISI公司已將其用于成像輻射計(jì)中。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的王躍林研究員所領(lǐng)導(dǎo)的課題組,在熱電堆型非制冷紅外焦平面陣列原型器件研究方面取得了一定的進(jìn)展,探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間為16ms,響應(yīng)率為15.5V/W,探測(cè)率為4.2×107cm·Hz1/2/W。2.4國(guó)外研究現(xiàn)狀這種紅外探測(cè)技術(shù)利用半導(dǎo)體PN結(jié)具有良好的溫度特性,例如,當(dāng)采用恒流偏置時(shí),如果溫度升高,則二極管兩端的電壓降低。因而,通過(guò)測(cè)量二極管兩端的電壓的變化,可以探測(cè)出紅外輻射的強(qiáng)弱。與前面所述的各種非制冷紅外探測(cè)器不同,這種紅外探測(cè)器的溫度探測(cè)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,非常適合于大批量生產(chǎn)。目前研究此項(xiàng)技術(shù)的科研單位主要有日本的三菱電子公司、韓國(guó)的高級(jí)科學(xué)技術(shù)研究所和土耳其的中東技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程系。三菱電子公司,在上世紀(jì)90年代中期開(kāi)始,采用干法腐蝕技術(shù),研發(fā)基于SOI硅片的二極管型非制冷紅外焦平面陣列,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、像元尺寸為25μm×25μm、NETD為40mK(f/1)、熱響應(yīng)時(shí)間為24ms的IRFPA,如圖4所示。中東技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程系采用濕法腐蝕技術(shù),在普通單晶硅片上,也于2002年研制成功128×128像素、像元尺寸為40μm×40μm、NETD為195mK(f/1)、熱相應(yīng)時(shí)間為27ms的IRFPA。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所梁平治研究員所領(lǐng)導(dǎo)的課題組,采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝制作橫向多晶硅PN結(jié)作為溫度探測(cè)單元,在原型器件研究方面取得了一定的進(jìn)展,其電壓溫度變化率為-15mV/K,熱時(shí)間常數(shù)為7ms,響應(yīng)率為5.7×103V/W,探測(cè)率為1.2×108cm·Hz1/2/W。2.5微懸臂梁的電化學(xué)這種非制冷紅外焦平面陣列首先由美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代中期提出,隨后Sarnoff、SarconMicrosystems公司繼續(xù)研發(fā)。這種技術(shù)采用熱膨脹系數(shù)不同的兩種材料的薄膜粘合在一起形成雙材料薄膜,它會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生彎曲,例如采用金屬鋁(Al)和氮化硅(SiNx)薄膜組成雙材料微懸臂梁,SiNx在紅外輻射下吸收熱量并且溫度升高,導(dǎo)致微懸臂梁發(fā)生彎曲。在硅襯底上淀積的一層Al與微懸臂梁上的Al形成一個(gè)可變電容器,微懸臂梁的彎曲使電容的大小發(fā)生改變,通過(guò)集成在探測(cè)器上的CMOS讀出電路測(cè)出電容的改變,從而探測(cè)出紅外輻射的強(qiáng)弱,如圖5所示。SarconMicrosystems公司2006年開(kāi)發(fā)出160×120像素、像元尺寸為50μm×50μm、NETD為18mK(f/1)、熱響應(yīng)時(shí)間為908ms的IRFPA,如圖6所示。中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所陳永平研究員所領(lǐng)導(dǎo)的課題組,采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝,在原型器件研究方面取得了一定的進(jìn)展,微懸臂梁的電容靈敏度可達(dá)2.5fF/K,溫度分辨率為0.1K,但尚未見(jiàn)焦平面陣列器件的報(bào)道。這種類型的IRFPA優(yōu)點(diǎn)在于:靈敏度高,與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝兼容。3光學(xué)原理及探測(cè)靈敏度光學(xué)讀出方式是一種全新的紅外探測(cè)技術(shù),與傳統(tǒng)的電學(xué)讀出紅外探測(cè)技術(shù)相比它具有一系列潛在的優(yōu)點(diǎn):采用光學(xué)讀出,利用光學(xué)原理實(shí)現(xiàn)像增強(qiáng)與像轉(zhuǎn)換,整個(gè)系統(tǒng)是個(gè)全光系統(tǒng),不需要復(fù)雜而龐大的讀出電路,可以用眼睛而不用其他任何接收裝置觀察到紅外圖像,這是傳統(tǒng)的紅外成像方式做不到的;探測(cè)靈敏度高,其理論預(yù)測(cè)探測(cè)靈敏度極限可以達(dá)到μK量級(jí),這使得其在高性能紅外探測(cè)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景;其潛在的價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯,具有高性價(jià)比的潛力,成為了近幾年來(lái)紅外研究的熱點(diǎn)之一。3.1非接觸式光學(xué)巖相色像中國(guó)科學(xué)院微電子研究所陳大鵬研究員和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)與機(jī)械工程系張青川教授所領(lǐng)導(dǎo)的課題組,近年來(lái)提出了刀口濾波法測(cè)量微梁陣列FPA變形的高靈敏光學(xué)檢測(cè)法,將微梁?jiǎn)卧臒嶂罗D(zhuǎn)角變形轉(zhuǎn)變?yōu)橄衿矫嫔衔⒘合竦幕叶茸兓?從而獲得微梁陣列轉(zhuǎn)角變形表示的FPA上的熱像,2005年成功研制了100×100像素、像元尺寸為200μm×200μm、NETD約為200mK左右的非制冷紅外焦平面陣列,如圖7所示。當(dāng)FPA單元吸收入射的紅外輻射產(chǎn)生溫升時(shí),由于組成微懸臂梁的雙材料熱膨脹系數(shù)的差異,梁會(huì)產(chǎn)生彎曲變形或離面位移,如圖8所示;每個(gè)像素的溫升不同,產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角變化或離面位移也就不同,再利用光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)讀出這些轉(zhuǎn)角變化或離面位移,并把這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)輻射源的熱圖像。這種光學(xué)讀出的雙材料微懸臂梁陣列不需要在每一感熱像素上集成高靈敏度的讀出電路,降低了紅外焦平面陣列的制作難度;非接觸式光學(xué)讀出方法不引入電流,因而不會(huì)產(chǎn)生附加熱量;微梁?jiǎn)卧突字g不需要金屬連接,有良好的熱隔離效果;像素之間不需要布線和掃描電路,更容易實(shí)現(xiàn)大面陣FPA的制作。3.2法布里一泊羅干涉型光學(xué)獨(dú)立成像系統(tǒng)的工作機(jī)理中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的王躍林研究員所領(lǐng)導(dǎo)的課題組,2003年研制成功了基于法布里-珀羅微腔陣列的非制冷紅外焦平面陣列,50×50像素,單元像素面積為70μm×70μm,相鄰單元的中心距離為100μm,NETD為5.1K,而其極限值可達(dá)58mK,如圖9所示。法布里一泊羅干涉型光學(xué)讀出熱成像系統(tǒng)的工作機(jī)理是紅外熱效應(yīng)、雙金屬片效應(yīng)和光的干涉原理,利用雙材料梁由于紅外熱效應(yīng)和雙金屬片效應(yīng)而產(chǎn)生的位移對(duì)可見(jiàn)光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制,從而將紅外圖像直接轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光圖像。如圖10所示,紅外輻射經(jīng)紅外光學(xué)系統(tǒng)從濾波片一側(cè)入射到可動(dòng)微鏡上,可動(dòng)微鏡吸收紅外輻射后溫度升高,導(dǎo)致鏡面區(qū)域與彎折梁固定端存在一個(gè)溫度梯度,雙層材料彎折梁將發(fā)生彎曲形變,帶動(dòng)鏡面上下運(yùn)動(dòng),改變了可動(dòng)微鏡與固定鏡面之間的距離,當(dāng)微鏡的位移在0~1/4λ內(nèi)變化時(shí),反射光強(qiáng)隨之單調(diào)變化,可以用CCD相機(jī)或者眼睛、光屏就可以接收到可見(jiàn)光圖像。通過(guò)上述過(guò)程,就實(shí)現(xiàn)了從紅外輻射向可見(jiàn)光圖像的轉(zhuǎn)變。4各行業(yè)公司的競(jìng)爭(zhēng)非制冷熱成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事(夜視、夜間導(dǎo)航和駕駛、精確制導(dǎo)、機(jī)器人視覺(jué)等)、工業(yè)(電力、交通、工藝質(zhì)量控制、無(wú)損檢測(cè)等)、醫(yī)學(xué)(