非制冷紅外探測(cè)器領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)脈絡(luò)分析

張欣+王劍+楊嬌瑜+婁鶯

【摘要】 紅外探測(cè)器是能對(duì)外界紅外光輻射產(chǎn)生響應(yīng)的光電傳感器，是紅外系統(tǒng)的核心，在軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，也是目前傳感器領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)之一。本文關(guān)注非制冷紅外探測(cè)器的技術(shù)發(fā)展，并重點(diǎn)評(píng)述了以非晶硅和氧化釩為熱敏材料的非制冷紅外探測(cè)器在專(zhuān)利申請(qǐng)方面的進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】 紅外 探測(cè)器 非制冷 焦平面陣列

一、引言

紅外光在電磁波段占據(jù)0.8-1000μm的范圍，而且根據(jù)普朗克黑體輻射公式，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)出與其特性相關(guān)的紅外輻射，而且根據(jù)紅外波長(zhǎng)范圍包含的豐富信息，由此來(lái)檢測(cè)分析目的物，具有非常重要的價(jià)值。

根據(jù)探測(cè)機(jī)理的不同，可把紅外探測(cè)器分為制冷型探測(cè)器和非制冷型探測(cè)器兩大類(lèi)。其中，非制冷型紅外探測(cè)器，又稱(chēng)為室溫紅外探測(cè)器，是指利用探測(cè)器接收紅外輻射后自身溫度開(kāi)始升高，從而引起熱敏元件的物理性質(zhì)發(fā)生改變而實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外光進(jìn)行檢測(cè)的探測(cè)器。

室溫紅外探測(cè)器及其焦平面陣列一般不需要制冷，可以直接在室溫下工作，易于使用和維護(hù)，可靠性好。因此，研究開(kāi)發(fā)重量輕、體積小、功耗小和成本低的非制冷焦平面陣列及其成像系統(tǒng)成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)。非制冷紅外焦平面陣列主要是以微機(jī)電技術(shù)（MEMS）制備的熱傳感器為基礎(chǔ)，大致可分為以下幾種類(lèi)型：熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機(jī)械、微測(cè)輻射熱計(jì)。

二、非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)發(fā)展及專(zhuān)利申請(qǐng)脈絡(luò)分析

非制冷紅外探測(cè)器是紅外熱成像技術(shù)的一個(gè)重要組成部分和重點(diǎn)發(fā)展方向，通過(guò)對(duì)該領(lǐng)域申請(qǐng)的發(fā)明專(zhuān)利進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)看，其發(fā)展可以分為以下三個(gè)階段。

2.1材料和工藝技術(shù)研發(fā)

上世紀(jì)90年代中期以前，主要是對(duì)體硅刻蝕和犧牲層工藝制備氮化硅微橋兩種技術(shù)以及熱敏材料進(jìn)行了探索。技術(shù)上，早期的氮化硅微橋制備工藝一般是先在硅襯底上沉積氮化硅薄膜，利用光刻技術(shù)制備器件圖形，然后采用KOH等各向異性腐蝕液腐蝕體硅而成。由于濕法腐蝕工藝精度低，而且像元間距大，這就制約了像元尺寸縮小空間而無(wú)法提高像元數(shù)量，從而抑制了器件分辨率的提高。更為重要的是，隨著上世紀(jì)80年代末至今硅集成電路的迅猛發(fā)展，使得采用單片式結(jié)構(gòu)、以硅ROIC作為器件的圖像處理電路成為熱成像技術(shù)的主要特點(diǎn)，這樣濕法腐蝕體硅工藝就無(wú)法滿(mǎn)足工藝要求。由于PI、多晶硅薄膜淀積工藝與CMOS工藝兼容，在其上沉積氮化硅薄膜后可以采用濕法或干法刻蝕且不會(huì)對(duì)硅ROIC造成損害，是理想的犧牲層材料，同時(shí)在降低像元尺寸、提高像素上具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

在熱敏材料選擇上，Honeywell公司于1992年6月11日提交了題為“具有增強(qiáng)靈敏度的微測(cè)輻射熱計(jì)傳感器”的專(zhuān)利申請(qǐng)，公開(kāi)號(hào)為WO9325877A1，該申請(qǐng)?jiān)诿绹?guó)、日本、加拿大、歐洲均被授予專(zhuān)利權(quán)，作為非制冷紅外探測(cè)器（微測(cè)輻射熱計(jì)）領(lǐng)域的一項(xiàng)基礎(chǔ)專(zhuān)利，其對(duì)微測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展具有重大的影響，且使得微測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷紅外探測(cè)器由美國(guó)軍方的最高機(jī)密變成為公眾所知，通過(guò)專(zhuān)利許可和轉(zhuǎn)讓?zhuān)沟孟嚓P(guān)公司在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了不斷的改進(jìn)，并應(yīng)用到軍事、民用的各個(gè)領(lǐng)域中去。

另外，德克薩斯儀器公司（TI）在1992年提交了題為“應(yīng)用于熱探測(cè)器中的鈦酸鍶鋇熱釋電探測(cè)材料”，公開(kāi)號(hào)為US5314651A，在美國(guó)獲得授予專(zhuān)利權(quán)，開(kāi)創(chuàng)了鈦酸鍶鋇作為熱釋電型紅外探測(cè)器的先河。

2.1器件陣列化

上世紀(jì)90年代中后期，隨著非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)的突破，非制冷紅外熱像儀的靈敏度大幅提高，同時(shí)由于其具有的低成本、低功耗、長(zhǎng)壽命、小型化和高可靠性等優(yōu)勢(shì)，使其在民用領(lǐng)域逐步得到廣泛應(yīng)用，其中單片式、45x45μm2像素單元的320x240氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)陣列成為主流產(chǎn)品。

與此同時(shí)，非制冷熱成像技術(shù)成為世界各國(guó)許多商業(yè)機(jī)構(gòu)和研究單位競(jìng)相開(kāi)發(fā)的目標(biāo)，美國(guó)的波音北美、洛克希德-馬丁、DRS、Raytheon、AMBER公司；日本的NEC、三菱公司；英國(guó)的BAE System公司；法國(guó)的UUS公司等都先后獲得了Honeywell公司的專(zhuān)利技術(shù)轉(zhuǎn)讓?zhuān)⑶蚁嗬^推出了成熟的熱像儀產(chǎn)品，主要有DRS的U系列、Raytheon的SBRC系列、BAE的MicroIR系列等非制冷熱像儀。

此外，德克薩斯儀器公司（TI）在1994-1996年間提交了多份關(guān)于鈦酸鍶鋇熱釋電型非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的開(kāi)拓性專(zhuān)利申請(qǐng)，申請(qǐng)?zhí)柗謩e為US19940235835A、US19940225601A 、US19950476409A、US19950368066A、US19950368067A，且在美國(guó)、日本、歐洲、臺(tái)灣獲得專(zhuān)利權(quán)，從而一舉奠定了其在混合式熱釋電型紅外焦平面陣列探測(cè)器領(lǐng)域的領(lǐng)軍地位。此后，英國(guó)的GEC-馬可尼材料技術(shù)公司對(duì)熱釋電型紅外焦平面陣列探測(cè)器進(jìn)行了改良，使得熱釋電紅外焦平面陣列探測(cè)器的性能進(jìn)一步得到提高。

2.3 新技術(shù)發(fā)展

從本世紀(jì)初至今，主要致力于研制基于亞微米工藝、信號(hào)處理功能強(qiáng)大的硅ROIC，并以此降低微測(cè)輻射熱計(jì)的功耗，延長(zhǎng)熱像儀的工作時(shí)間以滿(mǎn)足單兵野外作戰(zhàn)的要求；同時(shí)進(jìn)一步減小像素尺寸、增大面陣像素值、降低NETD、提高分辨率。目前，非制冷紅外焦平面陣列（UIRFPA）已成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)之一，除美國(guó)有DRS、Raytheon等多家公司外，日本、俄羅斯、英國(guó)、以色列、法國(guó)和加拿大等國(guó)家也加大了這一方面的研究投入，并先后向熱成像市場(chǎng)推出25x25μm2像素單元的480x640焦平面陣列，17x17μm2像素單元已在研發(fā)中。

此外，新材料、新結(jié)構(gòu)的非制冷焦平面陣列研發(fā)也取得較大進(jìn)展，而其中基于非晶硅（a-Si）的UIRFPA逐年呈上升趨勢(shì)，主要代表是法國(guó)的Sofradir公司的子公司ULIS，包括名為“基于非晶硅的紅外焦平面陣列探測(cè)器”，公開(kāi)號(hào)為US7138630B2的發(fā)明專(zhuān)利。ULIS公司先后推出320x240、640x480的UL系列a-Si微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面探測(cè)器，像元尺寸由早期的45x45μm2、35x35μm2逐漸減小到25x25μm2，熱響應(yīng)時(shí)間僅為7ms，幀數(shù)可達(dá)60Hz，而NETD也降到30mK，接近氧化釩非制冷焦平面陣列的性能。

與氧化釩材料相比，a-Si具有更高的熱導(dǎo)率低和機(jī)械強(qiáng)度，其基于此材料的微測(cè)輻射熱計(jì)更適應(yīng)自懸浮支撐的結(jié)構(gòu)，同時(shí)該材料制備工藝與傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝兼容，更適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)。

三、發(fā)展趨勢(shì)

a-Si非制冷紅外探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)主要包括：進(jìn)一步減少像元尺寸，提高工藝兼容性，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，以達(dá)到縮小尺寸、降低成本的目的；提高探測(cè)器靈敏度，以低成本生產(chǎn)像元間距更小的高性能器件；優(yōu)化熱敏感膜材料性能和微橋結(jié)構(gòu)，提高探測(cè)器的吸收率和填充因子；擴(kuò)展非制冷紅外探測(cè)器工作溫度范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)能自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口的智能化；提高非制冷紅外探測(cè)器的可調(diào)諧性，使其能以大動(dòng)態(tài)范圍來(lái)適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用，而以小的噪聲等效溫差（NETD）來(lái)適應(yīng)醫(yī)學(xué)應(yīng)用；發(fā)展中波非制冷紅外探測(cè)器，最終實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)波雙色、多光譜的非制冷紅外探測(cè)器，逐步代替昂貴的制冷型紅外探測(cè)器。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Horn S. Uncooled sensor tech technology. Proceeding of SPIE， 1993，2020：304-323.

[2] Shie J S， Chen Y M， Yang M O， et al. Characterization and modeling of metal-film microbolometer. J. Microelectromech. Syst.， 1996，5（4）：298-316.