關(guān)于非制冷紅外技術(shù)的介紹和應(yīng)用

一、紅外熱成像技術(shù)簡介

自然界所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體都會發(fā)出紅外輻射，紅外圖像傳感器則將探測到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷膱D像信息。

紅外成像技術(shù)涵蓋了紅外光學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械工程技術(shù)、集成電路技術(shù)、圖像處理算法等諸多技術(shù)，紅外成像裝置的核心為紅外焦平面探測器。

二、非制冷紅外技術(shù)概述

2.1 非制冷紅外技術(shù)原理

非制冷紅外探測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)換成熱能，引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個物理參數(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設(shè)計的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號或可見光信號，以實(shí)現(xiàn)對物體的探測。

非制冷紅外焦平面探測器分類

2.2 非制冷紅外探測器的關(guān)鍵技術(shù)

熱釋電型

紅外輻射使材料溫度改變，引起材料的自發(fā)極化強(qiáng)度變化，在垂直于自發(fā)極化方向的兩個晶面出現(xiàn)感應(yīng)電荷。通過測量感應(yīng)電荷量或電壓的大小來探測輻射的強(qiáng)弱。熱釋電紅外探測器與其他探測器不同，它只有在溫度升降的過程中才有信號輸出，所以利用熱釋電探測器時紅外輻射必須經(jīng)過調(diào)制。

探測材料：硫酸三甘肽、鉭酸鋰、鉭鈮酸鉀、鈦（鐵電）酸鉛、鈦酸鍶鉛、鉭鈧酸鉛、鈦酸鋇

熱電堆

由逸出功不同的兩種導(dǎo)體材料所組成的閉合回路，當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的溫度不同時，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，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產(chǎn)生熱電勢。（塞貝克效應(yīng)Seebeck）

而這種結(jié)構(gòu)稱之為熱電偶。一系列的熱電偶串聯(lián)稱為熱電堆。因而，可以通過測量熱電堆兩端的電壓變化，探測紅外輻射的強(qiáng)弱。

二極管型

利用半導(dǎo)體PN結(jié)具有良好的溫度特性。與其他類型的非制冷紅外探測器不同，這種紅外探測器的溫度探測單元為單晶或多晶PN結(jié)，與CMOS工藝完全兼容，易于單片集成，非常適合大批量生產(chǎn)。

熱敏電阻型（微測輻射熱計）

利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化來探測輻射的強(qiáng)弱。一般探測器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，光敏元吸收紅外熱輻射，由讀出電路測量熱敏材料電阻變化而引起的電流變化，通過讀出電路對電信號采集分析并讀出。探測器一般采用真空封裝以保證絕熱性好。

探測材料：氧化釩、非晶硅、鈦、釔鋇銅氧等

氧化釩VOx的TCR一般為2%~3%，特殊方法制備的單晶態(tài)VO2和V2O5可達(dá)4%。VOx具有電阻溫度系數(shù)大，噪聲小的特點(diǎn)，被廣泛用作非制冷式紅外焦平面傳感器的熱敏材料。全球的非制冷紅外熱像儀市場中，使用VOx非制冷紅外探測器的占80%以上。

氧化釩VOx的制備方法：濺射法、溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)法。

讀出電路IC技術(shù)

ROIC對微弱的紅外輻射信號產(chǎn)生的電信號進(jìn)行提取、積分、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。甚至完成片上非均勻性矯正、片上數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

ROIC是?；旌想娐废?/p>

統(tǒng)模擬部分：單元偏置電路、積分電路、采樣/保持電路等。

數(shù)字部分：中央時序控制、行選控制、列選控制等。

低成本真空封裝技術(shù)

為了保證探測器光敏元在接收微弱的輻射后，其接收到熱能不與其他介質(zhì)發(fā)生熱交換，需要把探測器芯片封裝在真空中，并保證良好的氣密性。

封裝體的具體要求是：優(yōu)異且可靠的密閉性；具有高透過率的紅外窗口；高成品率；低成本。

目前的封裝技術(shù)可分為芯片級、晶圓級、像元級等，其中芯片級封裝技術(shù)按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。

金屬管殼封裝是最早開始采用的封裝技術(shù)，技術(shù)已非常成熟，由于采用了金屬管殼、TEC 和吸氣劑等成本較高的部件，導(dǎo)致金屬管殼封裝的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應(yīng)用受到限制。

陶瓷管殼封裝是近年來逐漸普及的紅外探測器封裝技術(shù)，可顯著減小封裝后探測器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。

2.3 探測器的技術(shù)指標(biāo)

X響應(yīng)率RIRv

X噪聲等效功率NEP

X探測率D*

X非均勻性UN

X噪聲等效溫差NETD

X最小可分辨溫差MRTD

三、非制冷紅外探測器應(yīng)用

X消防應(yīng)用

X駕駛員視覺輔助系統(tǒng)

X邊海防、城市安防、港口監(jiān)視系統(tǒng)

X車載、艦載、機(jī)載光電艙

X武器熱瞄具

X醫(yī)療診斷

X電力檢測

X工業(yè)過程控制

X……

應(yīng)用案例介紹

穿透煙霧、克服雨霧能力強(qiáng)

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后，尤其是森林火災(zāi)的情況下，火焰產(chǎn)生的煙霧很大，往往遮蓋了真正的著火點(diǎn)，以及火災(zāi)的蔓延趨勢。紅外熱像儀有很強(qiáng)的穿透煙霧的能力，可有效地發(fā)現(xiàn)真正的著火點(diǎn)，以及火災(zāi)的蔓延趨勢，因此，可用于指揮救火，盡量減少經(jīng)濟(jì)、人員的損失。

森林景區(qū)監(jiān)測

通過紅外熱像儀對景區(qū)文物、建筑及整體環(huán)境的防火監(jiān)測，包括對景區(qū)內(nèi)游客、工作人員抽煙或其他點(diǎn)火行為的監(jiān)控。

現(xiàn)場救援

在濃煙霧的火災(zāi)現(xiàn)場，利用紅外熱像儀快速搜救被困人員和動物。

四、國內(nèi)外廠商主要產(chǎn)品

五、非制冷探測器技術(shù)機(jī)遇與挑戰(zhàn)

高性能的非制冷紅外探測器的實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵在于探測器結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及讀出電路的設(shè)計。低成本的關(guān)鍵因素取決于探測器結(jié)構(gòu)的加工方式，以及探測器的封裝方式。

?像元尺寸不斷的減小

?陣列規(guī)模持續(xù)增加

?晶圓級封裝及低成本封裝工程化應(yīng)用

?包含數(shù)字化、非均勻性矯正的片上處理系統(tǒng)的讀出電路設(shè)計