第8章_微测辐射热计焦平面阵列解读

第36卷，增刊红外与激光工程狮年9月1Vr01．36Suppl e m e nt1116盈I_ed and L．a s er E ngi I l oef i ng S印．2(X y7光学读出热成像焦平面阵列的制作技术冯飞，李珂，杨广立，闰许，熊斌，王跃林(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)摘要：光学读出热成像是一种新型的红外成像技术，它基于双材料效应和光学原理实现像转换与像增强，具有高性价比的潜在优势。

光学读出热成像焦平面阵列由可动微镜阵列构成，其制作技术是光学读出热成像技术的重要研究内容之一。

目前，国内外的研究者已发展了基于表面微机械、一体微机械以及表面，体微机械工艺的3种制作技术，前两者各有优缺点，而基于表面／体硅微机械工艺的制作技术则兼顾了前两者的优点。

关键词：光学读出热成像；焦平面阵列；微机械工艺中圈分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007．2276(2007)增(探测与制导)．0483—04Fabr i cat i on t e chnol ogy of opt i caU y r e adabl e t her m al i m agi ngf ocal pl a ne ar r ayFE N G Fei，U K e，Y A N G G u粗g—l i，Y A N X u，ⅪoN G B i I l，W蝌G Y ue—l i n(Sh鲫ghai I I l s t it I I t e o f M i cm syst cm柚dInfom l at i叽慨hnol ogy．(耻∞∞A cadcm y0f Sci∞ccs，Sh锄gh ai200050，C h i l l a)A bs t r act：O pt i cal l y r e am bl e m e m a l i m a gi ng，a noV el i n缸ar ed i m agi II g t e cl l I l ol ogy bas ed o nbi l l l at er i al ef!I’e ct and opt i ca l pri nc i pl e，has pot e nt i a l r ne r i t of l l i gh peI f bnnan ce pri ce r at i o．opt i ca l l y r eadab l e t l l e呻al i m a gi ng f oca l pl a l l e anr ay(oR一Ⅱ一H'A)consi st s of m oV abl e rni croⅡl in．or蝴y．’nlef abr i c撕on t echn ol ogy of O R—T I—FP l A is on e of t l le i m pom m t r es ear ch subj ect s．N ow t hI’ee f al试cal i ont ccl l l l ol og i es of O R—TI—FPA，w l l i ch ar e bas ed on sum l c e r nj cr om achi I l i ng，bu l k m i crom achi ni ng卸ds疵饥ul l(IIlicm m acll illing pr oces s，haV e be en deV el oped．T he f om er t w o t echnol ogi es ha V e t11eir m er i t s aI l d di sadV an住唱e s，aI l d tl l e l at t er com bi nes t l le m er i t s of t he f o加er t w o．K ey啪rds：opt i cal l y r eadabl e m e衄al i m ag她；Focal pl aI l e ar r ay；M i cr om acl l i l l ing pr oces sO引言红外成像技术在军事、民用领域均有十分广泛的应用。

非致冷焦平面阵列(UFPA)红外探测器非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置，敏感器件以热探测器为主。

突破了历来热像仪成本高昂的障碍，"使传感器领域发生变革"。

另外，它的可*性也大大提高、维护简单、工作寿命延长，因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是红外系统的故障源。

非致冷探测器的灵敏度(D）比低温碲镉汞要小1个量级以上，但是以大的焦平面阵列来弥补，便可和第一代MCT探测器争雄。

对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。

广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。

为避免大量投资，把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产，制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理，即大规模焦平面阵列技术，潜力十分巨大。

正因为如此，单元性能较低的热电探测器又重新引人注目，而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。

目前发展最快、前景看好的有两类UFPA：（1）热释电FPA。

热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行，有过多种材料，较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。

美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品，NETD优于0.1K，有多种应用。

计划中还有640×480的FPA，发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上，制成单片式热释电焦平面，有很高的潜在性能，可望实现1000×1000阵列的优质成像。

(2)微测辐射热计(Microbolometer)。

它是在IC－CMOS硅片上以淀积技术，用Si3N4支撑有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料VOx或α－Si，做成微桥结构器件(单片式FPA)。

接收热辐射引起温度变化而改变阻值，直流耦合无须斩波器，仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。

90年代初，由Honeywell公司首先开发，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成实用的热像系统，NETD已达到0.1K以下，可望在近期达到0.02K。

红外焦平面阵列参数红外焦平面阵列是一种用于红外成像的关键技术，它由多个红外探测器组成，并具有一系列参数来描述其性能。

本文将从几个重要的参数入手，介绍红外焦平面阵列的特点和应用。

1. 像素数量：红外焦平面阵列的像素数量决定了其分辨率和图像质量。

像素数量越高，图像细节信息越丰富，分辨率越高。

但同时，像素数量的增加也会导致成本上升和数据处理需求增加。

因此，在选择红外焦平面阵列时需要权衡成本和性能需求。

2. 像素尺寸：像素尺寸是指红外焦平面阵列中每个像素的物理尺寸。

像素尺寸的选择与应用场景有关。

通常情况下，小尺寸的像素可以提供更高的分辨率，但同时也会导致信噪比下降。

对于某些应用而言，如红外夜视仪，信噪比可能更为重要，因此需要选择较大尺寸的像素。

3. 像素响应频率：像素响应频率是指红外焦平面阵列中每个像素的响应速度。

像素响应频率越高，红外焦平面阵列对快速动态场景的适应性越强。

例如在红外导弹追踪系统中，像素响应频率需要达到几千赫兹，以捕捉高速移动目标的瞬时图像。

4. 灵敏度：红外焦平面阵列的灵敏度是指其对红外辐射的响应能力。

灵敏度越高，红外焦平面阵列对红外辐射的探测能力越强。

灵敏度通常用NEP（Noise Equivalent Power）来表示，即单位面积上的最小可探测信号功率。

提高红外焦平面阵列的灵敏度可以增强其在低辐射场景下的成像能力。

5. 动态范围：动态范围是指红外焦平面阵列能够处理的最大和最小信号强度之间的比值。

动态范围越大，红外焦平面阵列能够在高对比度场景下保持细节丰富的图像。

动态范围的提高通常需要采用一些特殊的设计和制造技术，如多采样和非线性校正。

6. 工作波长范围：红外焦平面阵列的工作波长范围决定了其对红外辐射波长的响应能力。

不同的红外焦平面阵列可以工作在不同的波长范围内，如近红外、中红外和远红外。

在选择红外焦平面阵列时，需要根据实际应用需求来确定所需的工作波长范围。

7. 制冷方式：由于红外焦平面阵列需要工作在极低的温度下，通常需要采用制冷技术来降低阵列的工作温度。

测辐射热计红外焦平面列阵
杨亚生
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】1999(24)2
【摘要】非制冷测辐射热计红外焦平面列阵设计为桥式结构，器件制作采用微机械加工技术。

工作波段为８～１２μｍ，热阻达１０７Ｋ／Ｗ量级，噪声等效温差为０．１Ｋ。

【总页数】4页(P5-8)
【关键词】测辐射热计;桥式结构;热阻;红外焦平面列阵
【作者】杨亚生
【作者单位】重庆光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN215.03
【相关文献】
1.采用CMOS N 势阱层的低成本红外微测辐射热计焦平面列阵 [J], 高国龙
2.非制冷测辐射热计焦平面列阵现状 [J], 邵式平
3.微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器技术新进展 [J], 邓荣春;卢杰;徐立中;胡荣群
4.采用原位微真空传感器的微测辐射热计红外焦平面列阵 [J], 高
5.非晶硅测辐射热计的性能将可超越红外焦平面技术 [J], 岳桢干
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基于红外热成像技术的动力电池组热失控监测系统张斌; 吴楠; 赵希强; 丁照东; 朱江【期刊名称】《《电池工业》》【年(卷),期】2019(023)004【总页数】6页(P171-175,185)【关键词】红外热成像; 锂电池测温; 热电偶【作者】张斌; 吴楠; 赵希强; 丁照东; 朱江【作者单位】力神(青岛)新能源有限公司山东青岛 266555【正文语种】中文【中图分类】V448.25+11 引言研究和开发环保型汽车是汽车工业可持续发展面临的重大课题,鉴于目前的技术现状,清洁燃料汽车、混合电动汽车、电动汽车将成为世界汽车行业今后十几年内的重要发展方向[1]。

作为一种应用趋势,锂离子动力电池正越来越多地在一些电动车辆上得到应用[2]。

在动力锂电池的生产过程中，由于电池的充放电功率较大，异常温升会引发危险，因此必须对电池极柱的温度进行监测。

传统的温度监测有很多影响测试效率的因素，本文提出了基于红外测温技术的检测系统，可以有效提高测试效率。

2 动力电池组的温度监测需求动力电池是新能源汽车整车性能最关键的部件，新能源汽车对动力电池的有很高的性能要求和安全性要求。

对动力电池组的温度监控需求，主要是实时监测电池组的表面温度分布，并对锂电池热失控现象进行监测预警。

2.1 实时监测电池组的温度分布电池组的温度，是影响动力电池性能的一个关键因素。

汽车的动力电池，是由多只单体电池通过串联和并联的方式组合而成的一个大的电池组。

在充放电发热的情况下，电池组内部众多单体电池温度分布不均匀程度，影响电池组的电性能和可靠性[3]。

因此，在动力电池生产的电池组的组装工序，必须对电池组的温度分布进行实时监测,如图1所示。

图1 电池极柱表面温度检测系统网络架构图Fig.1 Network architecture of the surface temperature measurement system for battery pole2.2 监测预警锂电池的热失控动力电池的安全性问题，主要是动力锂电池组发生热失控现象，导致锂电池发生起火、爆炸。

《光电子器件》（第2版）习题集汪贵华编南京理工大学2014年3月1．什么是光谱响应特性曲线？什么是光谱匹配系数？其有何意义？ 2．什么是器件的最小可探测辐射功率和比探测率？它有何意义？ 3．一正方形半导体样品，边长1mm ，厚度为0.1mm ，用能量为3eV ，光强为0.96mW/cm 2的光照射在该正方形表面，其量子效率为1，设光生空穴全部被陷而不能运动，电子寿命τn =10-3s ，电子迁移率μn=100cm 2/V.S ，光照全部被半导体均匀吸收，求:（1） 样品中电子空穴对的产生率（/cm 3.S ）及每秒产生电子空穴对数（/s ）；（2） 定态时样品中的光电子数及浓度（个/整个样品，个/cm 3）； （3） 样品光电导率及光电导（Ω∙Ω11cm ）；（4） 若样品加30V 的电压在正方形侧面，求光生电流； （5） 光电导的增益。

4．填充下列表格：5．光敏电阻的暗电阻为600K，在200lx的光照下亮暗电阻之比为1：100，求该电阻的光电导灵敏度。

6．某光电导器件的特征曲线如图1，用该器件控制一继电器，使用30V 的直流电源，器件在400lx的照度下有10mA的电流即可使继电器吸合，无光照时释放，试画出控制电路，计算暗电流和所需串联电阻。

Array图1 光敏电阻随光照度的变化关系7．试述光生伏特效应。

要求画出能带图并推导有关公式。

8．用波长为0.83μm，强度为3mW的光照射在硅光电池，设其反射系数为15%，有效量子效率为0.8，并设这些光生载流子能到达电极。

（1）求光生电流；（2）当反向饱和电流为10-8A时，求T=300K时的开路电压。

（3）太阳能光电池效率低的原因是什么？论述提高太阳能光电池的效率的方法。

9．已知2CR太阳能光电池的参数为UOC=0.54，ISC=50mA，要用若干个这样的光电池合起来对0.5A，6V的蓄电池充电，应组成怎样的电路，需要多少个这样的电池（充电电源电压应比充电电池电压高1V左右）。

红外焦平面探测器普及知识红外焦平面阵列（IR FPA）技术已经成为当今红外成像技术发展的主要方向。

红外焦平面阵列像元的灵敏度高，能够获取更多的信息以及更高的可变帧速率。

红外焦平面阵列探测器对入射的红外能量进行积分，然后产生视频图像，经过调节后被提供给视频显示器，以供人观察。

焦平面阵列每个像元的输出是一种模拟信号，它是与积分时间内入射在该元件上的红外能量成正比的。

但是由于制造工艺和使用环境的影响，即使对温度均匀的背景，焦平面背景中所有像元产生的输出信号也是不一致的，即红外焦平面阵列器件的非均匀性（Nonuniformity,NU）。

为了满足成像系统的使用要求，需要对红外焦平面阵列探测器进行非均匀性校正。

从生产工艺而言，单纯从提高焦平面阵列质量的角度来降低其非均匀性，不仅困难而且造价昂贵。

因此，通过校正算法减小非均匀性对红外焦平面阵列成像质量的影响，提高成像质量，不仅是必须的，同时具有很高的经济价值和应用价值。

目前，对红外图像质量的改善，一般是根据红外焦平面阵列对于温度响应的不一致性，采用非均匀性校正的方法，提高红外图像的质量。

主要有两类校正方法：基于红外参考辐射源的非均匀性校正算法和基于场景的自适应校正方法。

在实际应用中，普遍采用的是基于红外参考辐射源定标的校正方法。

但是，采用参考辐射源定标的校正方法校正的红外图像，因红外焦平面阵列器件由于长时间的工作，受到时间、环境等因素的影响，红外图像质量逐渐下降，出现类似细胞状和块状的斑纹，影响了红外图像的质量。

所以，需要在基于参考辐射源定标的校正方法的基础上，对于红外图像的质量进行改善。

国内外现状和发展趋势自然界的一切物体，只要其温度高于绝对零度，总是在不断地辐射能量。

红外热成像技术就是把这种红外热辐射转换为可见光，利用景物本身各部分温度辐射与发射率的差异获得图像细节，将红外图像转化为可见图像。

利用这项技术研制成的装置称为红外成像系统或热像仪。

用热像仪摄取景物的热图像来搜索、捕获和跟踪目标，具有隐蔽性好、抗干扰、易识别伪装、获取信息丰富等优点。