高性能非制冷红外焦平面探测器研制

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。

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。

基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计红外技术作为一种发现、探测和识别目标的重要手段在军民两用技术中有着广泛的应用，非制冷红外焦平面阵列技术的发展极大地提高了系统的性能。

非制冷红外热像仪采用的是不需要制冷的热探测器焦平面阵列，利用红外辐射使焦平面上敏感像元的温度改变，从而使电阻随之改变，来探测目标的温度特性。

所以，只有尽可能地保证焦平面阵列中各敏感像元自身基准温度稳定且一致，才能够提高热像仪的探测灵敏度，减小系统后期非均匀性校正的难度，最终从根本上提高热像仪的探测灵敏度，改善热像仪的成像性能。

目前，在实际的非制冷红外焦平面阵列探测器中采用半导体热电制冷器(TEC)来稳定基准温度。

在此着重介绍一种基于ADN8830的高性能TEC温度控制电路及其PID补偿网络的调节方法。

1 温度控制电路设计TEC(Thermo Electric Cooler)是用两种不同半导体材料(P型和N型)组成PN结，当PN结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中的吸热或放热效应(帕尔帖效应)，就会使PN结表现出制冷或制热效果，改变电流方向即可实现TEC的制冷或制热，调节电流大小即可控制制热制冷量输出。

利用TEC稳定目标温度的方法如图1所示。

图1中第一部分是温度传感器。

这个传感器是用来测量安放在TEC端的目标物体的温度。

期望的目标物体温度是用一个设定点电压来表示，与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过高精度运算放大器进行比较，然后产生误差电压。

这个电压通过高增益的放大器放大，同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿，然后再驱动H桥输出，H桥同时控制TEC电流的方向和大小。

当目标物体的温度低于设定点温度时，H桥朝TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流；当目标物体的温度高于设定点温度时，H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。

当控制环路达到平衡时，TEC的电流方向和幅值就调整好了，目标物体温度也等于设定的温度。

1 概非制冷探测器技术发展.doc况自上世纪90年代，非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。

这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比，虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距，但具有一些突出的优点：不需制冷，成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。

至今，非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320和640×480阵列，在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列（F PA）。

像素尺寸也由50μm减小到25μm，使焦平面灵敏度进一步提高。

这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛，部分型号产品已装备部队，尤其在轻武器（枪械）瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式（便携）热像仪等轻武器，以及部分导弹的红外成像末制导等方面，非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。

2 现状1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统，主要红外材料为α-Si（非晶硅）与BST(钛酸锶钡)。

1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器，使用了硅微型机械加工技术，使热隔离性提高，成本降低。

1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让，使以VOx（氧化钒）为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。

VOx材料具有较高的热电阻系数，目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的，主要采用8~14μm波段3 20×240和160×120元的非制冷FPA器件，其结构按部件功能模块化（诸如，光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块）。

目前市场上有热像仪整机产品，也有各种功能模块单独出售，供用户选用。

3 国外主要几家公司研制生产状况目前，国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。

非制冷红外焦平面探测器由许多MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元对特定入射角的热辐射进行测量：a):红外辐射被像元中的红外吸收层吸收后引起温度变化，进而使非晶硅热敏电阻的阻值变化；b):非晶硅热敏电阻通过MEMS绝热微桥支撑在硅衬底上方，并通过支撑结构与制作在硅衬底上的COMS独处电路相连；c):CMOS电路将热敏电阻阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，经采样后得到红外热图像中单个像元的灰度值。

为了提高探测器的响应率和灵敏度，要求探测器像元微桥具有良好的热绝缘性，同时为保证红外成像的帧频，需使像元的热容尽量小以保证足够小的热时间常数。

利用细长的微悬臂梁支撑以提高绝热性能，热敏材料制作在桥面上，桥面尽量轻、薄以减小热质量。

在衬底制作反射层，与桥面之间形成谐振腔，提高红外吸收效率。

像元微桥通过悬臂梁的两端与衬底内的CMOS读出电路连接。

所以，非制冷红外焦平面探测器是CMOS-MEMS单体集成的大阵列器件。

应用领域非制冷红外探测器在军事和商用领域具有非常广泛的应用：（a）军事领域军事领域应用包括武器热观瞄（TWS）、便携式视觉增强、车载视觉增强（DVE）、远程武器站（RWS）、无人机（UAV）、无人驾驶地面车辆、观察指挥车、火控和制导等。

（b）热像测温领域热像测温用于预防性检测，例如对电力输电线路、发电设备、机械设备等通过红外热像仪检测异常发热区域，可以预防重大停机以及事故的发生。

在建筑方面，用于检测房屋的隔热效果、墙壁外立面、空鼓、渗水和霉变等。

其它的领域还包括产品研发、电子制造、医学测温和制程控制等（c）商用视觉增强领域商用视觉增强的主要应用包括消防营救、安防监控、车载、船载的红外视觉增强等。

主要是利用红外成像无需外界光源、较强的穿透烟雾的能力、作用距离远、成像对比度强等优势，对人眼视觉进行有效的补充。

关于非制冷焦平面探测器品牌推荐，笔者想推荐的是浙江大立科技股份有限公司，该公司是由1984年成立的浙江省测试技术研究所改制而成的股份制高新技术企业，公司专业从事制冷焦平面探测器、红外热像仪、红外热成像系统的研发、生产和销售。

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。

rtd611非制冷红外焦平面探测器ddac校正参考手册本发明实施例涉及非制冷红外焦平面探测器图像处理技术领域，特别是涉及一种非制冷红外焦平面探测器非均匀性响应率校正方法、装置、设备及计算机可读存储介质。

随着红外技术的发展，红外焦平面阵列技术应运而生。

该技术制备的探测器（包括制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器）为当今技术性能最先进的红外探测器之一，在军事和民用领域都有着广泛的应用。

制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离远，但是其结构复杂且成本高昂，主要应用于高端军事装备。

非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够在室温状态下工作，具有启动快、功耗低、体积小、重量轻、寿命长、成本低等诸多优点。

尽管非制冷红外焦平面探测器在灵敏度上与制冷器件有一定差距，但经过近十余年的发展，其在性价比上已经明显优于制冷型探测器，具有更加广阔的应用前景。

但是，由于受到制作器件的半导体材料和加工工艺等条件的限制，非制冷红外焦平面探测器的输出响应并不相同，导致了红外焦平面阵列响应的非均匀性。

而响应的非均匀性会直接影响探测器最终输出图像的清晰度，成为进一步提高图像质量的瓶颈，并在一定程度上限制了红外成像系统的应用。

从本质上讲，要彻底解决非制冷红外焦平面阵列响应的非均匀性问题，必须从提高非制冷红外焦平面阵列的加工工艺水平上着手。

但是，就目前各学科的发展现状很难保证非制冷红外焦平面阵列每个探测单元响应输出的均匀性。

而通过非均匀性校正技术有效地减小或去除非均匀性，成为提高非制冷红外焦平面阵列成像质量的关键所在。

现有的非均匀性校正的方法一般基于标定技术的算法，即在实验室内利用均匀的高温和低温黑体对红外焦平面进行标定，从而计算出增益和偏移系数的方法，例如两点法、扩展两点法，多点标定查表法、多点标定拟合法。

一种用于非制冷红外探测器的高速比较器陈力颖1，2，张博超1，2，李勇3，徐微1，2（1.天津工业大学电子与信息工程学院，天津300387；2.天津工业大学天津市光电检测技术与系统重点实验室，天津300387；3.台州国晶智芯科技有限公司，浙江台州318014）摘要：为了提高红外探测器模数转换的速度与精度，设计了一种用于非制冷红外焦平面阵列探测器片上14位10MSps 逐次逼近型模数转换器的高速比较器。

本比较器采用前置放大器、动态高速度锁存器和新型输出缓冲器的三联级结构，并通过输入、输出失调存储的方式对各级放大器进行失调电压消除，使比较器工作的速度与精度得到提高。

结果表明：基于TSMC 0.18滋m 1P6M 工艺进行设计与仿真，在电源电压为5V 的情况下，该比较器的采样速率为200MSps ，失调电压为32.63V ，传输延时为259ps ，-3dB 带宽为1.11GHz 。

该比较器相较于其他的设计，具有更小的失调电压以及传输延时，满足逐次逼近型模数转换器对其比较器速度与精度的要求。

关键词：非制冷红外探测器；模数转换器；高速比较器；失调电压；非制冷中图分类号：TN432文献标志码：A文章编号：员远苑员原园圆源载（圆园23）园4原园园57原06收稿日期：2022-01-01基金项目：天津市科技计划项目（18ZXCLGX0090）；天津市自然科学基金资助项目（18JCYBJC85400）通信作者：陈力颖（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向为射频集成电路、模拟集成电路、数模混合集成电路。

E-mail ：136****************A high-speed comparator for uncooled infrared detectorsCHEN Liying 1，2，ZHANG Bochao 1，2，LI Yong 3，XU Wei 1，2（1.School of Electronics and Information Engineering ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ；2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Detection Technology and System ，Tiangong University ，Tianjin 300387，China ；3.Taizhou National Crystal Technology Co.，Ltd.，Taizhou 318014，Zhejiang Province ，China ）Abstract ：In order to improve the speed and accuracy of the infrared detector忆s analog-to-digital conversion袁a high-speedcomparator for the 14-bit 10MSps successive approximation analog-to-digital converter on the uncooled infrared focal plane array detector is designed.The comparator adopts a triple-stage structure of preamplifier袁dynamic high-speed latch and new output buffer袁and eliminates the offset voltage of each amplifier by means of input and output offset storage袁so that the speed and accuracy of the comparator work is improved.The results show that院based on TSMC 0.18滋m 1P6M process design and simulation袁when the power supply voltage is 5V袁the sam鄄pling rate of the comparator is 200MSps袁the offset voltage is 32.63V袁the transmission delay is 259ps袁and the -3dB bandwidth is pared with other designs袁this comparator has a smaller offset voltage andtransmission delay袁which meets the requirements of successive approximation analog-to-digital converters forits comparator speed and accuracy.Key words ：uncooled infrared detector曰analog-to-digital converter曰high-speed comparator曰offset voltage曰uncooled近年来，非制冷红外探测器在工农业、医疗、安防以及军事等多个领域得到了大范围的应用，使非制冷红外探测器进入到快速发展阶段[1]。