對于紅外探測器的工作原理你了解多少呢？本文將為大家解析非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)原理及機芯介紹。

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)換機制轉(zhuǎn)換為電信號或可見光信號，以實現(xiàn)對物體的探測。

非制冷紅外焦平面探測器分類

非制冷紅外焦平面探測器是熱成像系統(tǒng)的核心部件。以下介紹了非制冷紅外焦平面探測器的工作原理及微測輻射熱計、讀出電路、真空封裝三大技術(shù)模塊，分析了影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)。與微測輻射熱計設(shè)計相關(guān)的重要參數(shù)包括低的熱導(dǎo)、高的紅外吸收率、合適的熱敏材料等；讀出電路的傳統(tǒng)功能是實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換讀出，近年來也逐漸加入了信號補償?shù)墓δ埽徽婵辗庋b技術(shù)包括了金屬管殼封裝、陶瓷管殼封裝、晶圓級封裝和像元級封裝。

概述

紅外焦平面探測器是熱成像系統(tǒng)的核心部件，是探測、識別和分析物體紅外信息的關(guān)鍵，在軍事、工業(yè)、交通、安防監(jiān)控、氣象、醫(yī)學(xué)等各行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。紅外焦平面探測器可分為制冷型紅外焦平面探測器和非制冷紅外焦平面探測器，制冷型紅外焦平面探測器的優(yōu)勢在于靈敏度高，能夠分辨更細微的溫度差別，探測距離較遠，主要應(yīng)用于高端軍事裝備；非制冷紅外焦平面探測器無需制冷裝置，能夠工作在室溫狀態(tài)下，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、壽命長、成本低、啟動快等優(yōu)點。

雖然在靈敏度上不如制冷型紅外焦平面探測器，但非制冷紅外焦平面探測器的性能已可滿足部分軍事裝備及絕大多數(shù)民用領(lǐng)域的技術(shù)需要。近年來，隨著非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)的不斷進步和制造成本的逐漸下降，其性價比快速提升，為推動非制冷紅外焦平面探測器的大規(guī)模市場應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。

非制冷紅外焦平面探測器主要是以微機電技術(shù)（MEMS）制備的熱傳感器為基礎(chǔ)，大致可分為熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機械、微測輻射熱計等幾種類型，其中微測輻射熱計的技術(shù)發(fā)展非常迅猛，所占市場份額也最大。近年來非制冷紅外焦平面探測器的陣列規(guī)模不斷增大，像元尺寸不斷減小，并且在探測器單元結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計、讀出電路設(shè)計、封裝形式等方面出現(xiàn)了不少新的技術(shù)發(fā)展趨勢。本文將在介紹測輻射熱計型非制冷紅外焦平面探測器的基礎(chǔ)上，分析其技術(shù)發(fā)展趨勢。

微測輻射熱計IRFPA及其技術(shù)進展

非制冷紅外焦平面探測器從設(shè)計到制造可分成微測輻射熱計、讀出電路、真空封裝等 3 大技術(shù)模塊。下面分別對它們進行介紹。

1.1 微測輻射熱計的設(shè)計與制造

圖1為單個微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)示意圖，在硅襯底上通過MEMS技術(shù)生長出與橋面結(jié)構(gòu)非常相似的像元，也稱之為微橋。橋面通常由多層材料組成，包括用于吸收紅外輻射能量的吸收層，和將溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化的熱敏層，橋臂和橋墩起到支撐橋面，并實現(xiàn)電連接的作用。微測輻射熱計的工作原理是：來自目標的熱輻射通過紅外光學(xué)系統(tǒng)聚焦到探測器焦平面陣列上，各個微橋的紅外吸收層吸收紅外能量后溫度發(fā)生變化，不同微橋接收到不同能量的熱輻射，其自身的溫度變化就不同，從而引起各微橋的熱敏層電阻值發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化經(jīng)由探測器內(nèi)部的讀出電路轉(zhuǎn)換成電信號輸出，經(jīng)過探測器外部的信號采集和數(shù)據(jù)處理電路最終得到反映目標溫度分布情況的可視化電子圖像。

圖1 微測輻射熱計像元結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲得更好的性能，需要在微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)設(shè)計上做精心的考慮與參數(shù)折衷。主要的設(shè)計參數(shù)及要求包括：微測輻射熱計與其周圍環(huán)境之間的熱導(dǎo)要盡量?。粚t外輻射的有效吸收區(qū)域面積盡量大以獲得較高的紅外輻射吸收率；選用的熱敏材料需要具有較高的電阻溫度系數(shù)（TCR）、盡量低的1/f噪聲和盡量小的熱時間常數(shù)。

1.1.1 熱導(dǎo)

如圖1所示，為使微測輻射熱計與其襯底間的熱導(dǎo)盡量小，微橋的橋臂設(shè)計需要用低熱導(dǎo)材料，并采用長橋臂小截面積的設(shè)計。此外，需將微測輻射熱計探測器陣列封裝在一個真空的管殼內(nèi)部，以減小其與周圍空氣之間的熱導(dǎo)。

1.1.2 吸收率

要使微測輻射熱計對紅外輻射的吸收率盡量高，可從以下兩方面入手。

1）提高填充系數(shù)

填充系數(shù)定義為微測輻射熱計對紅外輻射的有效吸收面積占其總面積的百分比。微橋的橋臂、相鄰微橋之間的空隙、連接微橋與讀出電路的過孔等所占的面積都是沒有紅外吸收能力的。圖1所示的是典型的單層微橋結(jié)構(gòu)，其填充系數(shù)一般是60%～70%，且隨著像元尺寸的減小，單層結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)會進一步下降。

要增加填充系數(shù)以獲得更高的吸收率，可以采用如圖2所示的雙層傘形微橋結(jié)構(gòu)，紅外輻射吸收材料處于上方第二層，形似撐開的雨傘，橋臂及其他無吸收能力的部分都放到傘下的第一層。這種結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)可做到90%左右。

圖2 雙層傘形微橋結(jié)構(gòu)

2）光學(xué)諧振腔設(shè)計

通過設(shè)計光學(xué)諧振腔也可以提高微測輻射熱計對紅外輻射的吸收率。因為有相當一部分入射的紅外輻射能量會穿透微橋結(jié)構(gòu)的紅外吸收層，所以通常在微橋下方制作一層紅外反射面，將從上方透射來的紅外輻射能量反射回紅外吸收層進行二次吸收。吸收層與反射面之間的距離對于二次吸收的效果有較大影響，如果設(shè)計為紅外輻射波長的1/4，就可增加吸收層對反射回來的紅外能量的吸收。對 8～14um的長波紅外輻射，該距離約為2～2.5um。

圖3(a)所示為一種類型的諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，反射面位于讀出電路的硅襯底表面，所以微橋的橋面與硅襯底的距離是1/4輻射波長；圖3(b)所示為另一種類型的諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，反射面位于微橋的下表面，所以微橋的厚度要做成1/4輻射波長。

圖3 紅外光學(xué)諧振腔示意圖

1.1.3 熱敏材料

熱敏材料的選取對于微測輻射熱計的靈敏度（NETD）有非常大的影響，優(yōu)選具有高溫度電阻系數(shù)（TCR）和低1/f噪聲的材料，同時還要考慮到所選材料與讀出電路的集成工藝是否方便高效。目前最為常用的熱敏材料包括氧化釩（VOx）、多晶硅 （a-Si）、硅二極管等。微測輻射熱計的NETD主要受限于熱敏材料的1/f噪聲，這種噪聲與材料特性密切相關(guān)，不同材料的1/f噪聲可能會相差幾個數(shù)量級，甚至對材料復(fù)合態(tài)的細微調(diào)整也會帶來1/f噪聲的顯著變化。

1）氧化釩（VOx）

20世紀80年代初，美國的Honeywell公司在軍方資助下開始研究氧化釩薄膜，并于 20 世紀 80 年代末研制出非制冷氧化釩微測輻射熱計。氧化釩材料具有較高的TCR（在室溫環(huán)境下約為 2%/K～3%/K），其制備技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已很成熟，在微測輻射熱計產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

氧化釩也有多種復(fù)合形態(tài)，如VO2、V2O5、V2O3等。單晶態(tài)的VO2、V2O5的TCR高達4%，但是需要采用特殊制備工藝才能得到；V2O5的室溫電阻太大，會導(dǎo)致較高的器件噪聲；V2O3 的制備技術(shù)相對不太復(fù)雜，且室溫電阻較低，能得到更低的器件噪聲，成為重點研究的氧化釩材料。

2）多晶硅（a-Si）

法國原子能委員會與信息技術(shù)實驗室/紅外實驗室（CEA2LETI/LIR）從1992年開始研究多晶硅材料的探測器，目前技術(shù)上已很成熟。多晶硅的TCR與VOx相當，也是一種得到較多應(yīng)用的微測輻射熱計材料，其優(yōu)點是與標準硅工藝完全兼容，制備過程相對簡單。但由于多晶硅是無定形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)的1/f噪聲比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料。由于采用多晶硅材料的微測輻射熱計可以將薄膜厚度控制的非常小，具有較低的熱容，所以在保持較低熱響應(yīng)時間的同時也具有較小的熱導(dǎo)，可一定程度兼顧圖像刷新率和信號響應(yīng)率的要求。

3）硅二極管（SOI）

硅二極管正向壓降的溫度系數(shù)特性可用于紅外探測器的制造。紅外吸收導(dǎo)致的溫度變化可帶來的PN結(jié)正向壓降變化并不顯著，等效的TCR只有0.2%/K，比通常的電阻型熱敏材料低一個數(shù)量級。但硅二極管的優(yōu)點在于其面積可做的比電阻的面積更小，因而能做出尺寸更小的像元，獲得更大陣列規(guī)模的焦平面。硅二極管微測輻射熱計可在標準CMOS工藝線上生產(chǎn)，制造更為方便。

4）其他材料

還有一些材料也可用于微測輻射熱計的制造，它們具有某些優(yōu)異的特性，但也存在較明顯的缺點。鈦金屬薄膜具有較低的1/f噪聲，可方便地與CMOS讀出電路集成，具有較低的熱導(dǎo)，但其TCR只有0.35%/K 左右；鍺硅氧化物材料（ GexSi1-xOy）具有較高的TCR（可達5%/K 以上）和較低的熱導(dǎo)，但其較高的1/f噪聲限制了最終器件的性能；硅鍺（SiGe）是一種值得關(guān)注的材料，可采用標準CMOS工藝實現(xiàn)非常?。ㄈ?/span>100 nm）的薄膜制備，并具有較高的TCR（3%/K 以上），通過實現(xiàn)單晶態(tài)的SiGe可得到較低的1/f噪聲；YBaCuO是另一種值得關(guān)注的材料，有比VOx高的電阻溫度系數(shù)（約3.5%/K）以及較低的1/f噪聲，其光譜響應(yīng)范圍很寬（0.3～100um)，是未來制造多光譜探測器的潛在材料。

1.2 讀出電路（ROIC）

非制冷紅外焦平面探測器的讀出電路將每個微測輻射熱計的微小電阻變化以電信號的方式輸出。照射到焦平面上的紅外輻射所產(chǎn)生的信號電流非常小，一般為納安甚至皮安級，這種小信號很容易受到其他噪聲的干擾，因此讀出電路的電學(xué)噪聲要控制的盡量小，以免對探測器的靈敏度指標造成不必要的影響。

傳統(tǒng)讀出電路的工作原理是：給微測輻射熱計的熱敏薄膜施加固定的低噪聲偏置電壓，將其隨溫度的阻值變化以電流變化的形式得到，再由積分器轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)驅(qū)動器輸出，如圖4所示。

圖4 非制冷紅外焦平面的讀出電路原理圖

探測器制造工藝存在的偏差會導(dǎo)致探測器的輸出信號存在非均勻性，近年來一些降低讀出信號非均勻性的設(shè)計方法逐漸在讀出電路上得到實現(xiàn)。例如列條紋非均勻性就是一種與讀出電路密切相關(guān)的形態(tài)，這是由于讀出電路中有一些部件是焦平面陣列中每一列共用的，如積分器。這種電路結(jié)構(gòu)會給同一列的輸出信號引入一些共性特征，不同列之間的特征差異就表現(xiàn)為列條紋。針對列條紋的產(chǎn)生機理，可以通過改進讀出電路設(shè)計來有效地抑制甚至基本消除列條紋，提高列與列之間的均勻性。

早期的非制冷紅外焦平面探測器必須使用熱電溫控器（TEC）來保持焦平面陣列的溫度穩(wěn)定，這是因為不同像元之間由于制造工藝的偏差會帶來阻值的差異，最終表現(xiàn)為陣列的不均勻性：即使所有像元接受同樣的黑體輻射，它們各自輸出的電壓信號幅值也是不同的；即使所有像元面對同樣的黑體輻射變化，它們各自所輸出的電壓信號的變化量也是不同的。上述這種由于像元之間差異所導(dǎo)致的陣列不均勻性，還會隨著焦平面溫度的變化而改變，使得探測器輸出信號呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化，為后續(xù)信號處理工作帶來困難。近年來隨著讀出電路設(shè)計水平的提高，在實現(xiàn)傳統(tǒng)讀出電路的行選列選、積分器、信號驅(qū)動等基礎(chǔ)功能之外，一些抑制像元輸出信號隨溫度漂移的補償電路也逐漸用于讀出電路設(shè)計，從而可以實現(xiàn)無TEC應(yīng)用，使得非制冷紅外焦平面探測器在功耗、體積、成本等方面更具備優(yōu)勢。

1.3 真空封裝技術(shù)

微測輻射熱計接收目標紅外輻射后的溫度變化很微弱，為了使其上面的熱量能夠維持住，避免與空氣分子進行熱交換，需要將其置于真空環(huán)境下工作，一般對真空度的要求是小于0.01mbar（即0.00001atm）。對非制冷紅外焦平面探測器真空封裝的要求是： 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。

1.3.1 金屬管殼封裝

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，圖5是金屬管殼封裝使用的主要部件。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。

圖5 非制冷紅外焦平面的金屬管殼封裝部件

金屬管殼封裝形式的探測器曾經(jīng)占據(jù)了非制冷紅外焦平面探測器的大部分市場，無論國外還是國內(nèi)的生產(chǎn)廠商都有大量的此類封裝產(chǎn)品。圖6為幾種量產(chǎn)的金屬管殼封裝的探測器。隨著更低成本的新封裝技術(shù)的日漸成熟，目前金屬管殼封裝形式的探測器所占市場份額已經(jīng)顯著減少。

1.3.2 陶瓷管殼封裝

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)。陶瓷管殼封裝技術(shù)的發(fā)展得益于目前無TEC技術(shù)的發(fā)展，省去TEC可以減小對封裝管殼體積的要求并降低成本。圖7為兩種典型的陶瓷管殼封裝紅外探測器。

圖6 非制冷紅外焦平面的陶瓷管殼封裝

1.3.3 晶圓級封裝

晶圓級封裝是近兩年開始走向?qū)嵱玫囊环N新型紅外探測器封裝技術(shù)，需要制造與微測輻射熱計晶圓相對應(yīng)的另一片硅窗晶圓，硅窗晶圓通常采用單晶硅材料以獲得更好的紅外透射率，并在硅窗口兩面都鍍有防反增透膜。微測輻射熱計晶圓與硅窗晶圓通過精密對位，紅外探測器芯片與硅窗一一對準，在真空腔體內(nèi)通過焊料環(huán)焊接在一起，最后再裂片成為一個個真空密閉的晶圓級紅外探測器。圖8是一個晶圓級封裝紅外探測器的剖面圖和晶圓級封裝示意圖。

圖7 非制冷紅外焦平面的晶圓級封裝

與陶瓷管殼封裝技術(shù)相比，晶圓級封裝技術(shù)的集成度更高，工藝步驟也有所簡化，更適合大批量和低成本生產(chǎn)。晶圓級封裝技術(shù)的應(yīng)用為紅外熱成像的大規(guī)模市場（如車載、監(jiān)控、手持設(shè)備等）提供了具有足夠性價比的探測器。

1.3.4 像元級封裝

像元級封裝技術(shù)是一種全新的封裝技術(shù)，相當于在非制冷紅外焦平面探測器的每個像元微橋結(jié)構(gòu)之外再通過MEMS技術(shù)制造一個倒扣的微蓋，將各個像元獨立的密封起來。圖9是其工藝過程的示意圖，其中1～5步是目前的微測輻射熱計的MEMS工藝步驟，在這之后繼續(xù)在微橋的橋面上方生長第二層犧牲層，做為生長紅外窗口薄膜的支撐層。待紅外窗口薄膜及微蓋四壁生長完成后，在真空腔體內(nèi)通過窗口上的釋放孔將前后兩次的犧牲層釋放掉，最后封堵住釋放孔，完成像元級真空封裝。

圖8 像元級封裝工藝步驟

像元級封裝技術(shù)使封裝成為了MEMS工藝過程中的一個步驟，這極大地改變了目前的封裝技術(shù)形態(tài)，簡化了非制冷紅外焦平面探測器的制造過程，使封裝成本降低到極致。目前這種技術(shù)還處于研究階段，但隨著像元級封裝技術(shù)的成熟和實用化，非制冷紅外焦平面探測器的成本還將大幅下降，更加貼近民用和消費級應(yīng)用市場的需求。