非制冷红外探测器应用概述

第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021非制冷红外探测器研究进展（特邀）余黎静^3,唐利斌杨文运2,郝群”(1.北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京10008卜，2.昆明物理研究所，云南昆明650223;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南昆明650223)摘要：非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低 等特点，在红外领域得到了广泛的应用。

在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制 冷型探测器。

在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应 用领域引起了广泛的兴趣和关注。

文中介绍了 Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测 器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广 泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。

除了已实现商业化 应用的Bolometer、热释电、SO I二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型 器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器 件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。

最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展 趋势作了预测。

关键词：非制冷；红外探测器；热释电；Bolometer;封装中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211013Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)Yu Lijing1'2'3,Tang Libin1'2'3*,Yang Wenyun2,Hao Qun1*(1. The Laboratory of Photonics Information Technology, Ministry of Industry and Information Technology,School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. Yunnan Key Laboratory of Advanced Photoelectric Materials & Devices, Kunming 650223, China)Abstract:Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost,small size,and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature.In military application field,the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector,and has been widely used in some low-cost weapon systems,even replaced the original uncooled detectors in some application fields.In the civil field,it has shown its advantages in price and ease of use,and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision,security monitoring and other application field.The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric,thermopile,etc.were introduced,and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated,the development of pixel pitch,array specifications,performance and收稿日期:2020-1卜24;修订日期:2020-12-08基金项目:国家重点研发计划（2019YFB2203404);云南省创新团队（2018HC020)packaging of mainstream bolometer devices was focused,which were currently the most widely used.In addition to the bolometer,pyroelectric,SOI diode and other products that had been commercialized,some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail:such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands,the research progress of new materials bolometer,new bi-material uncooled devices,graphene,quantum dots,nanowires and other photoelectric detection tech­nologies.Finally,the future development trend of u ncooled infrared detectors were predicted in the end of t he review. Key words:uncooled;infrared detector;pyroelectric;bolometer;package〇引言在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标 的关键，其主要作用是将人射的红外信号转化为可以 检测的电信号后进行输出。

感知“利”器｜非制冷热电堆红外探测器工欲善其事，必先利其器。

在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。

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据麦姆斯咨询报告介绍，随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，红外探测器的应用范围也在不断增加。

按工作机理分，红外探测器可分为热型探测器与光子型探测器两大类。

其中热探测器主要分为热电偶/热电堆（Thermocouple/Thermopile）、热敏电阻（Bolometers）以及热释电探测器（Pyroelectric）三种；光子探测器主要分为本征型（Intrinsic）、非本征型（Extrinsic）、自由载流子型（Freecarriers）以及量子阱型（Quantum wells）等几种。

红外成像仪分类（红色框图中为非制冷型）受益于新应用拓展和价格下降，非制冷红外热像仪市场不断扩大2021年非制冷红外成像仪细分应用市场预测目前，红外业务主要由商业市场驱动，并将继续扩大市场规模。

市场研究机构Yole在其《非制冷红外成像技术与市场趋势-2016版》/mems/mems_sensor_201608/3411.html报告中预测，未来五年，商业市场非制冷红外成像器件出货量的复合年增长率为16.8%，到2021年将占整个红外市场规模的92%份额。

商业市场主要有三大应用领域：热像仪（预计2021年出货量将达52.1万台）、汽车（预计2021年出货量将达28.4万台）、监控（预计2021年出货量将达24.8万台）。

【推荐发明专利】《一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法》【技术背景】目前，非致冷热电堆红外探测器的主流技术方案是采用微细加工技术在硅衬底上制作热电堆结构；再利用圆片级真空键合对热电堆红外探测器进行封装，以减小器件的热对流提高探测器的响应；然后通过划片将探测器分离；最后通过红外测试平台对单个探测器分别进行红外性能测试。

非制冷红外成像技术及其应用蔡毅昆明物理研究所，云南，昆明，650223摘要：红外成像技术与微光图像增强技术是夜视技术的主要组成部分。

非制冷红外成像技术包括量子型和热探测型成像技术两种，都是红外热成像技术的最新成就之一。

在本文中，比较了这两种技术的特点，讨论了非制冷红外成像技术的优点、发展趋势和应用。

关键词：非制冷，红外成像，应用Uncooled Infrared Imaging Technology and It’s ApplicationCAI YiKunming Insitute of Physics, Kunming, Yunnan, P.R.China, 650223Abstract: Night vision technology includes low-light-level image intensifier technology and infrared image technology. Uncooled infrared imaging technology is one of the newest achievements of infrared thermal imaging technology. Characterizations of the low-light-level image intensifier and Uncooled infrared imaging technologies are compared, then advantage, development and application of Uncooled infrared imaging technology is discussed in the paper.Keywords: Infrared Imaging，Uncooled Infrared Imaging，Application1．红外成像技术与微光图像增强技术的比较用于夜间观察的微光和热成像装置一般由信号接收、转换、处理和显示等四大部分组成。

1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。

InSb中波红外探测器技术相对成熟，比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。

但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。

适用于多波长探测的低温红外探测器的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ类超晶格。

表6：制冷型红外探测器敏感材料对比敏感材料技术特点锑化铟技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。

碲镉汞通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。

但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，成本非常高。

量子阱生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。

但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并不理想。

Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。

隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。

提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。

国内研究碲镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。

昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产。

2015年，昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平。

据高德红外子公司高芯科技官网显示，该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为12μm，NETD小于20Mk（F2/F4）。

技术指标达到国内外顶尖水平。

红外成像阵列与系统—非制冷红外热像仪简述2013年11月8日非制冷红外热像仪简述摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。

它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。

本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、开展状况、系统设计与其性能参数做简单的分析与介绍。

比拟了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数与其一般测定方法。

对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。

关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；开展状况；系统设计；性能参数The brief description of uncooled infrared thermal imager Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu JianAbstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We pared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle;development status; system design; performance parameter0 前言红外热像仪是一种可探测目标的红外辐射，并通过光电转换、电信号处理等手段将目标物理的温度分布图像转换为视频图像的设备[1]。

非制冷热像仪测甲烷气体泄漏的原理
非制冷热像仪测甲烷气体泄漏的原理是利用红外辐射技术。

甲烷属于温室气体，其分子在一定温度下会发射特定波长的红外辐射。

非制冷热像仪通过红外探测器接收目标物体发出的红外辐射，并将其转化为电信号。

然后，通过信号处理和图像显示，将红外辐射转化为热图像显示出来。

当甲烷气体泄漏时，其分子会产生红外辐射，与周围环境的温度差异导致图像上出现亮点或热斑。

非制冷热像仪可以通过检测和分析这些热斑，准确地定位和识别甲烷气体泄漏的位置。

非制冷热像仪通过红外辐射技术提供了实时、无接触、非破坏性的甲烷气体泄漏检测方法。

它可以在恶劣的工作环境中使用，并具有高灵敏度和准确性。

这种技术可以在工业生产、石油化工、环境监测等领域中广泛应用。

非制冷红外探测器检验项目非制冷红外焦平面探测器的诞生及发展是红外技术领域一次革命性的突破，它具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高的特点，其衍生的非制冷红外热像技术具有广泛的应用前景，因此非制冷红外焦平面探测器及其应用技术正成为各国研究的热点。

对非制冷红外焦平面探测器的测试验证技术进行了深入的研究，完成了微测辐射热计和非制冷红外焦平面探测器的测试验证技术的系统化设计，突破了测试验证技术中的各种关键技术，研制了的高速、高精度的红外焦平面探测器测试系统，同时基于项目组自主研发的320×240非制冷红外焦平面探测器，设计和开发了多功能、高性能的红外热成像仪并实现了验证成像。

体验项目综述如下：（1）在微测辐射热计测试技术方面，深入研究了微测辐射热计的传感机理，建立了微测辐射热计的光学、热学和电学的数学模型。

基于数学模型提炼了微测辐射热计的关键指标，提出了通过锁相放大技术（LOCK-INAMP）测试微测辐射热计响应电压和噪声电压的方法，克服了微测辐射热计微弱信号提取的技术难题。

在热学性能参数的测试方面采用了I-V 测试热导的方法，发现了通过减小偏置电流的手段，可忽略有效热导和总热导误差的技术问题，同时提出了变频锁相放大技术测试响应时间的方法。

对比测试结果与仿真结果数据，确认了该测试方法的准确性和有效性。

（2）非制冷红外焦平面探测器测试技术方面，研制了非制冷红外焦平面探测器测试系统，细阐述了该测试系统的组成结构、板级系统工作原理，各模块参数指标以及关键技术的解决方案，并利用标准探测器进行验证测试，主要指标测试精度可≤1%。

在测试系统中，低噪声偏置电压源模块采用了网络反馈控制结构和数字电位器技术，解决了电压源的低噪声、高精度调节以及宽温度适应性的技术难题。

同时，测试系统的数据采集部分还采用了PCIE总线技术和DMA的工作模式，解决了多规格、大规模、高帧频的红外图像实时采集的技术难题，克服了采集过程中由于CPU响应速度原因带来的数据丢失问题。

非制冷式红外探测器原理研究摘要：随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。

其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。

自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。

红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。

非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。

敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。

非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。

本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。

关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。

与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。

国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。

同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。

红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。

与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。

非制冷红外热成像系统研究非制冷红外热成像系统研究摘要：非制冷红外热成像系统是一种普遍应用于军事、医疗、工业和家庭等领域的热像仪。

本文通过对非制冷红外热成像系统的原理、组成和应用进行了深入的研究。

首先介绍了非制冷红外热成像系统的工作原理和基本结构，包括红外探测器、光学系统、信号处理电路和显示系统等。

然后针对不同领域的应用，分别阐述了非制冷红外热成像系统在军事、医疗、工业和家庭等领域的应用情况。

最后，对非制冷红外热成像系统的发展趋势进行了展望。

关键词：非制冷红外热成像系统；工作原理；基本结构；应用；发展趋势一、引言红外热成像技术是一种通过检测物体排放的红外辐射来获取物体表面温度分布信息的技术。

相比于传统的温度测量方法，红外热成像技术具有非接触、高精度、实时性强等优点，因此被广泛应用于各个领域。

其中，非制冷红外热成像系统是一种不需要制冷的热像仪，具有体积小、重量轻、功耗低、成本较低等特点，在军事、医疗、工业和家庭等领域得到了广泛的应用。

二、非制冷红外热成像系统的工作原理非制冷红外热成像系统是基于红外成像技术的，它主要由红外探测器、光学系统、信号处理电路和显示系统等组成。

其中，红外探测器是系统的核心部件，它通过感知红外辐射来获取图像信息。

光学系统主要负责将红外辐射聚焦到红外探测器上，确保系统的成像质量。

信号处理电路则负责对红外信号进行放大、滤波、增强和数字化处理。

最后，显示系统将经过处理的红外图像以可视化的方式呈现出来。

三、非制冷红外热成像系统的基本结构非制冷红外热成像系统的基本结构主要由红外探测器、光学系统、信号处理电路和显示系统等组成。

其中，红外探测器按照探测原理的不同可以分为热电探测器、焦平面阵列探测器和微波辐射探测器等。

光学系统主要包括物镜、透镜和滤光片等光学元件，用于将红外辐射聚焦到红外探测器上。

信号处理电路主要包括放大电路、滤波电路和数字化处理电路等，用于对红外信号进行放大、滤波和数字化处理。