1、非制冷红外焦平面阵列最新进展第 19 卷第 2 期Vol.19,No.2滨州师专JournalofBinzhouTeachersCollege2003 年 6 月Jun.,2003文章编号:10082980(2003)02 009304非制冷红外焦平面阵列最新进展杜玉杰(滨州师范专科学校,山东滨州 256604)摘要:非制冷红外焦平面技术在过去的几年内得到了飞速发展 ,并在军事,商业和民事中得到成功应用.过去曾是制冷型焦平面占据的应用领域,现在逐渐为价格低,重量轻,功耗低,体积小,性能可靠,操作方便的非制冷红外探测器所代替.非制冷焦平面阵列基本上有两类:一类是铁电一热电型辐射计;另一类为电阻型
2、测辐射计.关键词:非制冷;焦平面;铁电;测辐射热计中图分类号:O463 文献标识码:AO 引言红外热成像技术在军事,商业和民事方面都有很广泛的应用,尤其在军事方面,由于它可以突破黑夜的障碍.实施夜间行动和作战,大幅度提高武器系统的作战能力.红外热成像系统分为制冷型和非制冷型.目前用的最多的为制冷型焦平面阵列,但价格昂贵,主要是由于必须有一套完整的制冷设备.常用的制冷器结构复杂,容易发生故障,占据的空间很大,功耗约为非制冷型传感器的 10 倍.同时,利用长波 HgCdTe 材料仍不能做出高质量,高产出的HgCdTe 探测器 ,严重限制了长波 HgCdTe 的使用范围 .It,z1 非制冷红外焦平
3、面研制动态1.1 铁电型焦平面阵列探测器研究动态用于研制铁电型焦平面探测器的材料主要有锫钛酸铅(PZT),钛酸锶钡(BST)等.信价比最高的非致冷系统使用的是混合式铁电探测阵列.英国的 GECMarconi 和美国的 TI 两家公司在这种技术上占优势.德州公司在 20 世纪 70 年代中期开始研究非致冷成像,在 1979 年,Hopper 申请了铁电一热电混合装置的专利.1987 年演示了第一个 100100 元的混合非致冷成像阵列,使用 BST 晶体切片倒装焊接在读出电路(ROIC)上,其 NETD 值为 500mK.TI 公司使用的几种商业和军事产品在非致冷红外系统中取得领先地位.在一个4
4、8.5jam 的中心上建立了一种 328245 像素的阵列.在带有 f/1.0 光学的系统上已经测得的 NETD 值至少低于 40mK,无水平噪声和其他的损耗纠正系统.单片式铁电型探测器正处于研究阶段.C3固态微机械加工技术(MEMS)作为一种对物理微传感器和?收稿日期:20030221作者简介:杜玉杰(1973 一).男,山东滨州人.南京理工大学电光学院在读硕士.滨州师专物理系.讲师,从事光电子信息技术与系统的研究.滨州师专第 19 卷微执行器的重要技术,使得在一块普通的半导体衬底上能够支撑起传感器,电子元件和执行器,对单片式铁电传感器的发展起着巨大地推动作用.在微机械加工集成的传感器的制作
5、上用得最广泛有 3 种热释电薄膜材料:氧化锌(znO),钛酸铅(PbTiO3)和钛酸铅锆(PZT).表 1 给出的是以 PbTiO3 作为热释电材料制备的6464 像素的热释电红外成像芯片的性能.表 1PbTiO 硅基底的红外探测器阵列的集成系统性能参数性能像素尺寸阵列尺寸芯片大小热释电响应率30Hz 下的黑体电压响应率297K.30Hz 下的探测率 D3030m6464 像素11cm29010nC/cmZK1.20.210V/W2.00.410.cmHz12/W1.2 电阻型焦平面阵列探测器研究动态电阻型热探测器的传感元是热敏电阻,目前用的比较多的材料为氧化钒(vo)和非晶硅(一 si),其
6、电阻温度系数分别为 1.5%2.5%和 2%3%. 电阻型微辐射热计的主要研究和生产单位在美国.1983 年美国 Honeywell 制作了一个有 80000 个像素的装置 ,NETD 值为 300mK,使用的是电阻辐射计.1989 年演示了一个 64128 元的器件.1993 年,提供了 320X240 元的阵列,采用的 aSi 材料,间距为 51/xm.在 il1.0 的光学透镜和 30Hz 帧速下的 NETD 值小于 56mK,是较好的热像仪.1993 年后,美国的 Rockwell,Raytheon,LockheedMartin 等公司从 Honeywell 得到了该技术的转让权,开始
7、了电阻型微测辐射热计的研制和生产.如表 2 为 SandersIRIS 和 Raytheon 公司采用 VO 材料制备的焦平面阵列.表 2SandersIRIS 和 Raytheon 公司的焦平面阵列美国桑德斯红外成像公司,从 80 年代初开始设计和发展非制冷红外技术,生产出一系列以氧化矾微测辐射热计为基础的非制冷红外焦平面阵列,包括中心距为 46rll 的160120,320240 阵列和 28m 的320240,640480 阵列.46/xm 的 320X240 非阵列焦平面阵列 ,具有高的灵敏度,宽动态范围和短的热时间常数,使用焦平面阵列时的瞬时噪声等效温差,在偏压为 1.75V 时小于
8、26mK.26m 的 640480 阵列是该公司第一种高分辨率非制冷焦平面阵列.以这种阵列为基础,制造并演示了红外热像仪.41Raytheon 红外公司设备的像素尺寸为 25tam25/xm 的 320240 焦平面的性能参数如表 3 所示.代表了目前电阻型微测辐射热计发展的最高水平.法国 Sofradir 和 LETI/GEA 公司在非制冷微测辐射热计上的发展打破了美国在这方面的垄断.LETI/GEA 公司从 1992 年开始从事 aSi 微测辐射热计的研究 ,取得了较好的成果,r5?62000 年,Sofradir第 2 期杜玉杰非制冷红外焦平面阵列最新进展 95从 LETI/GEA 公司
9、得到技术转让,开始 0tSi 微测辐射热计的研究,现在已有部分产品走向货架.如表 4为法国 Sofradir 和 LETI/GEA 公司的部分非制冷型微测辐射热计性能参数 .其中心距从开始的 50m,45m,逐渐发展到现在的 35m.中心距为 45m 的微测辐射热计在 60K 的动态范围下,平均 NETD/J于100mK(1fH 当于尺寸为 50m的微测辐射热计的 NETD80mK),响应率约为 4.5mV/K,非均匀性为 3%,焦平面像素的可操作性大于99%.2001 年,Sofradir 公司报道了像素尺寸缩小到 35m 的 320X240 元微测辐射热计,NETD 接近 35mK.芯片与
10、 CMOS 读出电路集成在一起,读出电路芯片上提供非均匀性校正和温度补偿,响应波段为714“m.表 3Raytheom 红外公司 25m 微测辐射热计 FPA 的性能表(2001)表 4 法国 Sofradir 非制冷型微测辐射热计焦平面性能参数英国,德国,瑞典,加拿大等国家也在积极发展非制冷焦平面.英国 QinetiQ 非制冷热成像小组的技术负责人希望年底能得到热像仪样品,明年制作出集成超大阵列样品(384X288 像素,间距为 40m),NETD 为 20 30mK.3 讨论从目前非制冷焦平面阵列的发展趋势看,非制冷焦平面阵列的发展目标是小像素,高灵敏度,大阵列(至少 640X480 元)
11、, 并且焦平面的集成度也越来越高.SandersIRIS 的中心距为46m 的 320X240 焦平面阵列就是采用片上 A/D 转换,在数字图像处理时不再需要专门的高速 A/D 转换器,从而简化系统设计.同时,探测器信号不需放大到很高的值,从而减少系统噪声,提高信噪比.参考文献:1吴永生.非制冷红外焦平面阵列研制现状和开发前景A.第十五届全国红外科学技术交流会全国光电技术学术交流会论文集(上)C.宁波:红外与激光工程编辑部编辑出版 ,2001.6369.2张维力,王京平 .红外非制冷焦平面热成像探测器,机芯及整机A.第十五届全国红外科学技术交流会全国光电技术学术交流会论文集(上)C.宁波: 红
12、外与激光工程编辑部编辑出版,2001.146滨州师专第 19 卷l48.3Hanson.AdvancesinmonolithicferroelectricuncooledIRFPAtechnologyA,SPIEC,1998.3379:6068.4美国非制冷红外技术的最新进展J.红外热成像技术快报,2001.71(5):1 3.5MurphyR.RecentDevelopmentsinUncooledIRTechnologyA,SPIEC,2000.4028:1216.6EricMOTTIN.Enhancedamorphoussilicontechnologyfor320240microbol
13、ometerarrayswithapitchof35ttmA,SPIEC,2001.4369:250256.RecentDevelopmentinUncooledIRFPADUYu-jie(BinzhouTeachersCollege,Binzhou256604,China)Abstract:UncooledInfraredFocalPlaneArray(UFPA)technologyhasbeendevelopedatveryfastspeedinrecentyears,andappliedsuccessfullyinmilitary,commerceandcivilaffairs.Thef
14、ields,onceoccupiedbycooledfocalplanearrayinthepast.havegraduallybeentakenbytheUFPAoritslowercost,lighterweight,lowerpower,smallerbulk,morereliableperformanceandconvenientoperation.TherearetwotypesofUFPA.Oneistheferrotheromelectricbolometer.andtheotheristheresistantbolometer.Keywords:uncooled;focalpl
15、anearray;ferroelectric;bolometer读者?作者?编者别字和参选词举例科技文献中的别字和参选词常有发现,兹举出一部分,以期作者引以为戒.别字(括号中为正确的)成象(像 )顶蓬 (篷)幅(辐) 射柑桔(橘)藉(借)以既( 即)使介(界)面兰(蓝)色粘(黏)度粘(黏 )土粘 (黏)膜凭藉(借 )岐(歧)途松驰(弛)水份(分)拓朴(扑)消(削)弱尤(犹)如予(预 )先予 (预)混组份(分 )分辩(辨)力天燃(然)气下功 (工)夫桔杆(秸秆)截止(至)目前香烟燎(缭) 绕象(像)潮水般一如即 (既)往再接再励( 厉)征稿启示(事)所雇佣(用)的工人即(既 )又参选词(括号中为首选词)撤消(撤销 )成份 (成分)呆着 (待着)繁琐(烦琐)涵义(含义)推诿(推委)唯一(惟一)无需(无须 )想象 (想像)盈利(赢利 )帐目(账目)
