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摘 要:红外热成像技术是国家安全依赖的主要探测技术手段,已在卫星、导弹、飞机等军事领域获得了广泛的应用。同时随着非致冷红外成像技术的发展,尤其是制造成本大幅度的降低,其在工业、医疗、民用方面的应用也日渐增多。本文介绍了红外焦平面阵列的原理、结构及其分类,着重分析了读出电路的各种性能,并对国内外研制以及生产情况进行了比较。
关键词:非致冷 热成像 红外焦平面
【中图分类号】 G644.5 【文献标识码】 A 【文章编号】1671-8437(2010)03-0013-02
一 红外焦平面阵列原理、分类
(一)红外焦平面阵列原理
焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列,从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上,探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持,通过输出缓冲和多路传输系统,最终送达监视系统形成图像。
(二)红外焦平面阵列分类
1.根据制冷方式划分
根据制冷方式,红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率,所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1,而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1,相差为两个数量级。不仅如此,它们的其他性能也有很大的差别,前者的响应速度是微秒级,而后者是毫秒级。
2.依照光辐射与物质相互作用原理划分
依此条件,红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器,包括光电子发射探测器和半导体光电探测器,其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感,但光子探测器一般工作在较低的环境温度下,需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器,包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆,利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测,但它们多数工作在室温条件下。
3.按照结构形式划分
红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此,按照结构形式分类,红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中,单片式集成在一个硅衬底上,即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料,如红外探测器使用HgCdTe,读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。
4.按成像方式划分
红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种,其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分(TDI)技术,采用串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成一张图像,无需延迟积分,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快,但是其需要的成本高,电路也很复杂。
5.根据波长划分
由于运用卫星及其它空间工具,通过大气层对地球表面目标进行探测,只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口:1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外,由此产生三种不同波长的探测器。
二 发展现状
(一)高性能
由于用采用诸如MBE、MOCVD这样的高精度控制制作工艺,微机械加工技术和CMOS这样的大型或特大型集成多路传输器,不但实现了如1024×1024,2048×2048元这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量的信号处理,而且获得了高度均匀性的阵列焦平面响应特性,进一步提高了阵列的性能。
短波红外焦平面阵列,迅速实现了商用化。美国新泽西州传感器无限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面阵列D*值>1013cmHz1/2W-1(室温下),如冷却到250K工作时,D*>1014cmHz1/2W-1,1.3～1.6μm的量子效率接近90%,洛克威尔国际科学中心的PACE-1型1024×1024元阵列和HAWAⅡ-2型2048×2048元阵列,平均量子效率65.4%,光响应不均匀性为4.3%。
中波红外焦平面阵列器件中,PtSi阵列经过二十来年的发展改进,性能大幅度提高,噪声等效温差(NETD)已优于0.1℃,三菱512×512元IRCSD已达到0.07～0.033K,801×512元阵列填充因子61%,NETD为0.076℃,最小可分辨温差0.17℃(尼奎斯特),萨尔诺夫的640×480元阵列NETD<0.18K,最小可分辨温差MRT<0.04K(300K,积分时间33毫秒),三菱1040×1040元PtSi阵列不均匀性±2%;圣巴巴拉研究中心InSb 640×512元阵列的NEΔT优于20mK,1024×1024元天文应用的InSb阵列量子效率85%(0.9μm～5μm);洛克威尔国际科学中心PGM600-003,640×480元HgCdTe阵列77K量子效率68%,NEΔT平均值为0.013K,该中心的1024×1024和2048×2048元阵列也都具有良好的性能。
长波(8～14μm)红外焦平面阵列,HgCdTe阵列发展时间最长,但阵列尺寸不大,目前的性能是非常好的,列工作温度77～88K,量子效率70%～75%,NETD为13mk,双波段工作阵列量子效率为60%;GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列发展到了今天的640×480元特大阵列,工作温度已接近或达到77K,截止波长长达14μm～16μm,如喷气式推进实验室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs阵列,工作温度70K,NEΔT为43mk,NEΔT不均匀性为1.4%,已报导了8～9μm和14～15μm双色640×486元阵列摄像机。
(二)高密度小像元尺寸
大型或特大型高密度集成,特别是如100万和100万元以上探测器元集成焦平面阵列,要求高精度的超大规模集成电路加工技术和微机械加工技术。焦平面阵列技术的发展,很大程度上取决于超大规模集成电路的进展。DRAM每个单元仅要求一个晶体管,而红外焦平面阵列读出电路则需三个或更多的晶体管,而且其中有一个必须是低噪声模拟的。目前,DRAM生产水平设计规格为0.25μm,预生产设计规格已是0.18μm,在这样先进加工条件下,焦平面阵列多路传输器和探测器元尺寸都可进一步缩小,阵列元数集成度更高。图1是焦平面阵列技术发展与微细加工技术的发展趋势关系。目前的红外焦平面阵列,由于采用亚微米加工技术,像元尺寸大为缩小,实现了小像元高密度的红外焦平面集成的进一步发展。由于微细加工技术的发展,PtSi阵列的像元尺寸已小达20×20μm2和17×17μm2,如柯达KIR-3900的1968×1968元阵列和日本三菱1040×1040元阵列,HgCdTe阵列已小达18×18μm,如洛克威尔科学中心的HAWAⅡ-2的2048×2048元阵列,其设计规格为0.8μm,洛克希德马丁红外摄像公司的640×480元非致冷红外焦平面阵列的像元尺寸缩小为28×28μm2,雷声和喷气式推进实验室的8～9μm和14～15μm波段工作的双色GaAlAs/GaAs量子阱阵列像元尺寸小达25～25μm。
(三)多色工作
随着红外焦平面阵列制作技术的迅速进展,由于许多实际应用的需要,近期在双色或多色红外焦平面阵列技术发展方面取得了显著的进展。如美国加州理工学院喷气式推进实验室空间微电子中心、雷声先进红外中心和空军研究实验室最近研制出的8～9μm和14～15μm的双色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列及其摄像机;雷声、美国陆军研究NASA Gooddard航天飞行中心和洛克威尔科学中心共同研制的11.2μm和16.2μm截止波长的256×256元GaAs/GaAlAs量子阱红外焦平面阵列,这些机构都是在加紧发展这种二色和多色焦平面阵列,都是在原来单色焦平面阵列取得极大进展的基础上迅速地研制出了这种双色阵列。但这种技术目前的工作温度尚不到77K,同时探测器像元要求二种工作电压,长波敏感区需极高的偏压(>8V)实现长波红外探测,虽然电压可调,但不能同时提供二个波段的数据。
三 未来的发展趋势
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:
(1)焦平面上探测器像元集成度为≥106元,阵列格式≥1K×1K,至少双色工作;
(2)高的工作温度,以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用;
(3)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;
(4)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。
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。
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的高密度、小像元、高性能、多色和低成本的方向发展。
参考文献:
[1]吴诚,苏君红.非制冷红外焦平面技术述评【J】.红外技术,1999,21(1):6-9.
[2]甘文样.红外焦平面器件读出电路技术【J】.红外,2003,(9) :1-8.
[3]陈海生.非致冷红外焦平面热成像技术的进展【J】.红外技术与器件,2002,(3):14-17.
关键词:非致冷 热成像 红外焦平面
【中图分类号】 G644.5 【文献标识码】 A 【文章编号】1671-8437(2010)03-0013-02
一 红外焦平面阵列原理、分类
(一)红外焦平面阵列原理
焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列,从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上,探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持,通过输出缓冲和多路传输系统,最终送达监视系统形成图像。
(二)红外焦平面阵列分类
1.根据制冷方式划分
根据制冷方式,红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率,所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1,而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1,相差为两个数量级。不仅如此,它们的其他性能也有很大的差别,前者的响应速度是微秒级,而后者是毫秒级。
2.依照光辐射与物质相互作用原理划分
依此条件,红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器,包括光电子发射探测器和半导体光电探测器,其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感,但光子探测器一般工作在较低的环境温度下,需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器,包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆,利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测,但它们多数工作在室温条件下。
3.按照结构形式划分
红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此,按照结构形式分类,红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中,单片式集成在一个硅衬底上,即读出电路和探测器都使用相同的材料。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料,如红外探测器使用HgCdTe,读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种。
4.按成像方式划分
红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种,其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分(TDI)技术,采用串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成一张图像,无需延迟积分,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快,但是其需要的成本高,电路也很复杂。
5.根据波长划分
由于运用卫星及其它空间工具,通过大气层对地球表面目标进行探测,只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口:1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外,由此产生三种不同波长的探测器。
二 发展现状
(一)高性能
由于用采用诸如MBE、MOCVD这样的高精度控制制作工艺,微机械加工技术和CMOS这样的大型或特大型集成多路传输器,不但实现了如1024×1024,2048×2048元这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量的信号处理,而且获得了高度均匀性的阵列焦平面响应特性,进一步提高了阵列的性能。
短波红外焦平面阵列,迅速实现了商用化。美国新泽西州传感器无限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面阵列D*值>1013cmHz1/2W-1(室温下),如冷却到250K工作时,D*>1014cmHz1/2W-1,1.3～1.6μm的量子效率接近90%,洛克威尔国际科学中心的PACE-1型1024×1024元阵列和HAWAⅡ-2型2048×2048元阵列,平均量子效率65.4%,光响应不均匀性为4.3%。
中波红外焦平面阵列器件中,PtSi阵列经过二十来年的发展改进,性能大幅度提高,噪声等效温差(NETD)已优于0.1℃,三菱512×512元IRCSD已达到0.07～0.033K,801×512元阵列填充因子61%,NETD为0.076℃,最小可分辨温差0.17℃(尼奎斯特),萨尔诺夫的640×480元阵列NETD<0.18K,最小可分辨温差MRT<0.04K(300K,积分时间33毫秒),三菱1040×1040元PtSi阵列不均匀性±2%;圣巴巴拉研究中心InSb 640×512元阵列的NEΔT优于20mK,1024×1024元天文应用的InSb阵列量子效率85%(0.9μm～5μm);洛克威尔国际科学中心PGM600-003,640×480元HgCdTe阵列77K量子效率68%,NEΔT平均值为0.013K,该中心的1024×1024和2048×2048元阵列也都具有良好的性能。
长波(8～14μm)红外焦平面阵列,HgCdTe阵列发展时间最长,但阵列尺寸不大,目前的性能是非常好的,列工作温度77～88K,量子效率70%～75%,NETD为13mk,双波段工作阵列量子效率为60%;GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列发展到了今天的640×480元特大阵列,工作温度已接近或达到77K,截止波长长达14μm～16μm,如喷气式推进实验室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs阵列,工作温度70K,NEΔT为43mk,NEΔT不均匀性为1.4%,已报导了8～9μm和14～15μm双色640×486元阵列摄像机。
(二)高密度小像元尺寸
大型或特大型高密度集成,特别是如100万和100万元以上探测器元集成焦平面阵列,要求高精度的超大规模集成电路加工技术和微机械加工技术。焦平面阵列技术的发展,很大程度上取决于超大规模集成电路的进展。DRAM每个单元仅要求一个晶体管,而红外焦平面阵列读出电路则需三个或更多的晶体管,而且其中有一个必须是低噪声模拟的。目前,DRAM生产水平设计规格为0.25μm,预生产设计规格已是0.18μm,在这样先进加工条件下,焦平面阵列多路传输器和探测器元尺寸都可进一步缩小,阵列元数集成度更高。图1是焦平面阵列技术发展与微细加工技术的发展趋势关系。目前的红外焦平面阵列,由于采用亚微米加工技术,像元尺寸大为缩小,实现了小像元高密度的红外焦平面集成的进一步发展。由于微细加工技术的发展,PtSi阵列的像元尺寸已小达20×20μm2和17×17μm2,如柯达KIR-3900的1968×1968元阵列和日本三菱1040×1040元阵列,HgCdTe阵列已小达18×18μm,如洛克威尔科学中心的HAWAⅡ-2的2048×2048元阵列,其设计规格为0.8μm,洛克希德马丁红外摄像公司的640×480元非致冷红外焦平面阵列的像元尺寸缩小为28×28μm2,雷声和喷气式推进实验室的8～9μm和14～15μm波段工作的双色GaAlAs/GaAs量子阱阵列像元尺寸小达25～25μm。
(三)多色工作
随着红外焦平面阵列制作技术的迅速进展,由于许多实际应用的需要,近期在双色或多色红外焦平面阵列技术发展方面取得了显著的进展。如美国加州理工学院喷气式推进实验室空间微电子中心、雷声先进红外中心和空军研究实验室最近研制出的8～9μm和14～15μm的双色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列及其摄像机;雷声、美国陆军研究NASA Gooddard航天飞行中心和洛克威尔科学中心共同研制的11.2μm和16.2μm截止波长的256×256元GaAs/GaAlAs量子阱红外焦平面阵列,这些机构都是在加紧发展这种二色和多色焦平面阵列,都是在原来单色焦平面阵列取得极大进展的基础上迅速地研制出了这种双色阵列。但这种技术目前的工作温度尚不到77K,同时探测器像元要求二种工作电压,长波敏感区需极高的偏压(>8V)实现长波红外探测,虽然电压可调,但不能同时提供二个波段的数据。
三 未来的发展趋势
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:
(1)焦平面上探测器像元集成度为≥106元,阵列格式≥1K×1K,至少双色工作;
(2)高的工作温度,以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用;
(3)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;
(4)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。
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。
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的高密度、小像元、高性能、多色和低成本的方向发展。
参考文献:
[1]吴诚,苏君红.非制冷红外焦平面技术述评【J】.红外技术,1999,21(1):6-9.
[2]甘文样.红外焦平面器件读出电路技术【J】.红外,2003,(9) :1-8.
[3]陈海生.非致冷红外焦平面热成像技术的进展【J】.红外技术与器件,2002,(3):14-17.