【摘要】 紅外探測(cè)器是能對(duì)外界紅外光輻射產(chǎn)生響應(yīng)的光電傳感器，是目前傳感器領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之一。本文介紹了紅外探測(cè)器技術(shù)，梳理了紅外探測(cè)器的起源與技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，尤其關(guān)注非制冷紅外探測(cè)器的技術(shù)發(fā)展。

　　【關(guān)鍵詞】 省級(jí)科技論文發(fā)表,紅外探測(cè)器,非制冷,制冷

　　一、引言

　　紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)的核心，是探測(cè)、識(shí)別和分析物體紅外信息的關(guān)鍵部件，利用它制成的探測(cè)器是軍事、氣象、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面需要的設(shè)備，它涉及物理、材料等基礎(chǔ)科學(xué)和光學(xué)、機(jī)械、微電子和計(jì)算機(jī)等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合科學(xué)技術(shù)。紅外探測(cè)器目前主要應(yīng)用在軍事裝備上，進(jìn)行夜視、遙感、偵查和制導(dǎo)等，它能透過煙、塵、霧、陰影、樹叢等，探測(cè)重要軍事目標(biāo)，能實(shí)現(xiàn)全天候被動(dòng)遠(yuǎn)距離探測(cè)。尤其在近十年來(lái)的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)，擁有紅外預(yù)警、制導(dǎo)和夜視技術(shù)的一方，基本都在戰(zhàn)場(chǎng)上占據(jù)了主動(dòng)。因此，世界各國(guó)對(duì)紅外探測(cè)器的發(fā)展給予了大量的關(guān)注。

　　二、紅外探測(cè)器技術(shù)分類

　　根據(jù)探測(cè)機(jī)理的不同，可把紅外探測(cè)器分為制冷型探測(cè)器和非制冷型探測(cè)器兩大類，如表1所示。

　　表1 紅外探測(cè)器的分類

　　類型 典型敏感材料 特點(diǎn)

　　制冷

　　探測(cè)

　　器 光導(dǎo)型(光敏電阻) HgCdTe，PbS，PbSe 靈敏度高、響應(yīng)速度快、具有較高的響應(yīng)頻率，一般需在低溫下工作，探測(cè)波段較窄

　　光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

　　光發(fā)射-肖特基勢(shì)壘探測(cè)器 PtSi/Si，IrSi/Si

　　量子阱探測(cè)器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

　　非制

　　冷探

　　測(cè)器 熱電堆/熱電偶 Au/Poly Si 響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、靈敏度較低、響應(yīng)波段寬，可以在室溫下工作、使用簡(jiǎn)單

　　熱釋電 BST薄膜，鐵電PZT

　　光機(jī)械 Au/SiNx 雙金屬片

　　微測(cè)輻射熱計(jì) 氧化釩、非晶硅

　　2.1 制冷型紅外探測(cè)器

　　制冷型紅外探測(cè)器一般是指利用半導(dǎo)體材料的光子效應(yīng)制成的探測(cè)器，在探測(cè)器吸收光子后，本身發(fā)生電子狀態(tài)的改變，從而引起光伏或光電導(dǎo)等現(xiàn)象;

　　制冷型紅外探測(cè)器系統(tǒng)如蹄鎘汞(HgCdTe)探測(cè)器(工作在8-14μm波段)和銻化錮(Insb)探測(cè)器(工作在3-5μm波段)的靈敏度、響應(yīng)速度、探測(cè)距離等性能都比較高，但都必須用低溫制冷器進(jìn)行制冷，而且紅外成像系統(tǒng)幾乎都要使用機(jī)械掃描裝置，因而整個(gè)紅外成像系統(tǒng)顯得結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且成本很高。而且，部分高性能的光子型紅外探測(cè)器很難實(shí)現(xiàn)硅基單片式結(jié)構(gòu)，需要通過混合集成方式將探測(cè)器與讀出電路相連。

　　2.2 非制冷型紅外探測(cè)器

　　非制冷型紅外探測(cè)器，又稱為室溫紅外探測(cè)器，是指利用探測(cè)器接收紅外輻射后自身溫度開始升高，從而引起熱敏元件的物理性質(zhì)發(fā)生改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光進(jìn)行檢測(cè)的探測(cè)器。

　　室溫紅外探測(cè)器及其焦平面陣列一般不需要制冷，可以直接在室溫下工作，易于使用和維護(hù)，可靠性好。因此，研究開發(fā)重量輕、體積小、功耗小和成本低的非制冷焦平面陣列及其成像系統(tǒng)成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。非制冷紅外焦平面陣列主要是以微機(jī)電技術(shù)(MEMS)制備的熱傳感器為基礎(chǔ)，大致可分為以下幾種類型：熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機(jī)械、微測(cè)輻射熱計(jì)。

　　熱電堆室溫紅外探測(cè)器及其陣列是最早研究并實(shí)用化的紅外成像器件之一，它通過測(cè)量多晶硅/ 金屬或雙摻雜的多晶硅熱堆的熱電勢(shì)來(lái)探測(cè)紅外輻射。其工作原理是利用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)。因而，通過測(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。

　　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，如鉭酸鋰(LiTaO3)、鉭鈮酸鉀(KTN)和鈦酸鉛(PbTiO3)等。

　　光機(jī)械室溫紅外探測(cè)器是利用雙層的懸臂梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)懸臂梁結(jié)構(gòu)收到紅外輻射后溫度升高并彎曲，其端點(diǎn)的彎曲位移量正比于升溫的大小，同時(shí)也正比于雙金屬材料的熱膨脹系數(shù)之差，并可以采用光調(diào)制的方法讀出位移量。

　　微測(cè)輻射熱計(jì)是近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭最為迅猛的紅外焦平面之一，是一種電阻型熱傳感器，通過探測(cè)紅外輻射引起熱敏電阻的變化而獲得目標(biāo)的紅外信息，繼而轉(zhuǎn)換成目標(biāo)圖像。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：Temperature Coeffi-cient of Resistance)。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。

　　紅外焦平面陣列(IRFPA：Infrared Focal Plane Array)是具有對(duì)紅外輻射敏感，并兼有信號(hào)處理功能的新一代紅外探測(cè)器件。自從70年代后期提出紅外焦平面陣列這個(gè)概念以來(lái)，它的發(fā)展十分活躍，已經(jīng)研制出單片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列紅外焦平面陣列。二十世紀(jì)九十年代，隨著非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)的突破，非制冷紅外熱像儀的靈敏度大幅提高，同時(shí)由于其具有的低成本、低功耗、長(zhǎng)壽命、小型化和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，使其在民用領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用，包括：電力設(shè)備故障檢測(cè)、消防救助、火災(zāi)監(jiān)控、工藝監(jiān)控、醫(yī)療測(cè)溫、車船夜行、公安偵察、環(huán)境保護(hù)等方面，幾乎涉及到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，并有部分取代制冷型紅外熱像儀的趨勢(shì)。

　　目前世界上只有美國(guó)、法國(guó)、日本、以色列四個(gè)國(guó)家擁有非制冷焦平面探測(cè)器產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的能力，其核心技術(shù)僅有美國(guó)和法國(guó)兩個(gè)國(guó)家掌握，日本和以色列則由美國(guó)取得技術(shù)專利許可，在其國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和有限制地使用。

　　而國(guó)內(nèi)在非制冷紅外成像方面的公司主要有浙江大立、廣州颯特和武漢高德等，另外，一些大專院校或研究所，如電子科技大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院上海技術(shù)物理研究所、兵器211所等，也都在進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究。

　　三、發(fā)展趨勢(shì)

　　雖然非制冷紅外探測(cè)器的探測(cè)率目前還不及光子型(即制冷型)IRFPA的高，已裝備的非制冷紅外熱成像儀的NETD通常為20～100mK，但是憑借其低成本和高性價(jià)比，在中、低端的軍用和民用市場(chǎng)均有著廣泛的應(yīng)用前景，在科研創(chuàng)新方面得到極大的關(guān)注，是紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展的重要方向。

　　參 考 文 獻(xiàn)

　　[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

　　[2] 張敬賢，李玉丹，金偉其。微光與紅外成像[M]。北京：北京理工大學(xué)出版社，1995，226。

　　[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12(2)：241-245.