关于非制冷红外技术的介绍和应用

一、红外热成像技术简介

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。

二、非制冷红外技术概述

2.1 非制冷红外技术原理

非制冷红外探测器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类

2.2 非制冷红外探测器的关键技术

热释电型

红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。

探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛（铁电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡

热电堆

由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck）

而这种结构称之为热电偶。一系列的热电偶串联称为热电堆。因而，可以通过测量热电堆两端的电压变化，探测红外辐射的强弱。

二极管型

利用半导体PN结具有良好的温度特性。与其他类型的非制冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合大批量生产。

热敏电阻型（微测辐射热计）

利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱。一般探测器采用悬臂梁结构，光敏元吸收红外热辐射，由读出电路测量热敏材料电阻变化而引起的电流变化，通过读出电路对电信号采集分析并读出。探测器一般采用真空封装以保证绝热性好。

探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等

氧化钒VOx的TCR一般为2%~3%，特殊方法制备的单晶态VO2和V2O5可达4%。VOx具有电阻温度系数大，噪声小的特点，被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用VOx非制冷红外探测器的占80%以上。

氧化钒VOx的制备方法：溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、蒸发法。

读出电路IC技术

ROIC对微弱的红外辐射信号产生的电信号进行提取、积分、放大、模数转换。甚至完成片上非均匀性矫正、片上数模转换功能。

ROIC是模混合电路系

统模拟部分：单元偏置电路、积分电路、采样/保持电路等。

数字部分：中央时序控制、行选控制、列选控制等。

低成本真空封装技术

为了保证探测器光敏元在接收微弱的辐射后，其接收到热能不与其他介质发生热交换，需要把探测器芯片封装在真空中，并保证良好的气密性。

封装体的具体要求是：优异且可靠的密闭性；具有高透过率的红外窗口；高成品率；低成本。

目前的封装技术可分为芯片级、晶圆级、像元级等，其中芯片级封装技术按照封装外壳的不同又可分为金属管壳封装和陶瓷管壳封装。

金属管壳封装是最早开始采用的封装技术，技术已非常成熟，由于采用了金属管壳、TEC 和吸气剂等成本较高的部件，导致金属管壳封装的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的应用受到限制。

陶瓷管壳封装是近年来逐渐普及的红外探测器封装技术，可显著减小封装后探测器的体积和重量，且从原材料成本和制造成本上都比传统的金属管壳封装大为降低，适合大批量电子元器件的生产。

2.3 探测器的技术指标

X响应率RIRv

X噪声等效功率NEP

X探测率D*

X非均匀性UN

X噪声等效温差NETD

X最小可分辨温差MRTD

三、非制冷红外探测器应用

X消防应用

X驾驶员视觉辅助系统

X边海防、城市安防、港口监视系统

X车载、舰载、机载光电舱

X武器热瞄具

X医疗诊断

X电力检测

X工业过程控制

X……

应用案例介绍

穿透烟雾、克服雨雾能力强

当火灾发生后，尤其是森林火灾的情况下，火焰产生的烟雾很大，往往遮盖了真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势。红外热像仪有很强的穿透烟雾的能力，可有效地发现真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势，因此，可用于指挥救火，尽量减少经济、人员的损失。

森林景区监测

通过红外热像仪对景区文物、建筑及整体环境的防火监测，包括对景区内游客、工作人员抽烟或其他点火行为的监控。

现场救援

在浓烟雾的火灾现场，利用红外热像仪快速搜救被困人员和动物。

四、国内外厂商主要产品

五、非制冷探测器技术机遇与挑战

高性能的非制冷红外探测器的实现，关键在于探测器结构的设计以及读出电路的设计。低成本的关键因素取决于探测器结构的加工方式，以及探测器的封装方式。

Ø像元尺寸不断的减小

Ø阵列规模持续增加

Ø晶圆级封装及低成本封装工程化应用

Ø包含数字化、非均匀性矫正的片上处理系统的读出电路设计