對(duì)于紅外探測(cè)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(cè)器技術(shù)原理及機(jī)芯介紹。
非制冷紅外技術(shù)原理
非制冷紅外探測(cè)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(gè)物理參數(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設(shè)計(jì)的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或可見光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的探測(cè)。
非制冷紅外焦平面探測(cè)器分類
非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)器的工作原理及微測(cè)輻射熱計(jì)、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(cè)輻射熱計(jì)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換讀出，近年來也逐漸加入了信號(hào)補(bǔ)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(jí)封裝和像元級(jí)封裝。
概述
紅外焦平面探測(cè)器是熱成像系統(tǒng)的核心部件，是探測(cè)、識(shí)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(cè)器可分為制冷型紅外焦平面探測(cè)器和非制冷紅外焦平面探測(cè)器，制冷型紅外焦平面探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高，能夠分辨更細(xì)微的溫度差別，探測(cè)距離較遠(yuǎn)，主要應(yīng)用于高端軍事裝備；非制冷紅外焦平面探測(cè)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(zhǎng)、成本低、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)。
雖然在靈敏度上不如制冷型紅外焦平面探測(cè)器，但非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)器技術(shù)的不斷進(jìn)步和制造成本的逐漸下降，其性價(jià)比快速提升，為推動(dòng)非制冷紅外焦平面探測(cè)器的大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。
非制冷紅外焦平面探測(cè)器主要是以微機(jī)電技術(shù)（MEMS）制備的熱傳感器為基礎(chǔ)，大致可分為熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機(jī)械、微測(cè)輻射熱計(jì)等幾種類型，其中微測(cè)輻射熱計(jì)的技術(shù)發(fā)展非常迅猛，所占市場(chǎng)份額也最大。近年來非制冷紅外焦平面探測(cè)器的陣列規(guī)模不斷增大，像元尺寸不斷減小，并且在探測(cè)器單元結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)、讀出電路設(shè)計(jì)、封裝形式等方面出現(xiàn)了不少新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本文將在介紹測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷紅外焦平面探測(cè)器的基礎(chǔ)上，分析其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
微測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA及其技術(shù)進(jìn)展
非制冷紅外焦平面探測(cè)器從設(shè)計(jì)到制造可分成微測(cè)輻射熱計(jì)、讀出電路、真空封裝等 3 大技術(shù)模塊。下面分別對(duì)它們進(jìn)行介紹。
1.1 微測(cè)輻射熱計(jì)的設(shè)計(jì)與制造
圖1為單個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，在硅襯底上通過MEMS技術(shù)生長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)電連接的作用。微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理是：來自目標(biāo)的熱輻射通過紅外光學(xué)系統(tǒng)聚焦到探測(cè)器焦平面陣列上，各個(gè)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(cè)器內(nèi)部的讀出電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，經(jīng)過探測(cè)器外部的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理電路最終得到反映目標(biāo)溫度分布情況的可視化電子圖像。
圖1 微測(cè)輻射熱計(jì)像元結(jié)構(gòu)示意圖
為了獲得更好的性能，需要在微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做精心的考慮與參數(shù)折衷。主要的設(shè)計(jì)參數(shù)及要求包括：微測(cè)輻射熱計(jì)與其周圍環(huán)境之間的熱導(dǎo)要盡量??；對(duì)紅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(shí)間常數(shù)。
1.1.1 熱導(dǎo)
