紅外探測器簡介

1、紅外探測器設(shè)計(jì)研發(fā)部-李平一、紅外探測器市場以及應(yīng)用領(lǐng)域紅外探測技術(shù)目前主要分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外三種研究領(lǐng)域。其中，中紅外探測技術(shù)由于中紅外線的高強(qiáng)度和高穿透性，應(yīng)用最為廣泛，研究也最為成熟；遠(yuǎn)紅外的主要優(yōu)點(diǎn)就是其穿透性，可用于探測、加熱等，應(yīng)用也比較廣泛。近紅外，由于其包含氫氧鍵、碳?xì)滏I、碳氧鍵等功能鍵的特征吸收線。大氣中的水氣、二氧化碳、大氣輝光等也集中在這個波段。特有的光譜特性使得短波紅外探測器可以在全球氣候監(jiān)測、國土資源監(jiān)測、天文觀測、空間遙感和國防等領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。紅外探測器廣泛應(yīng)用于軍事、科學(xué)、 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等各個領(lǐng)域，尤其在軍事領(lǐng)域，紅外探測器在精確制導(dǎo)、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

2、、 偵察夜視等方面具有不可替代的作用。 隨著紅外探測技術(shù)的飛速發(fā)展，紅外探測器在軍事、民用等諸多領(lǐng)域都有著日益廣泛的應(yīng)用。 作為高新技術(shù)的紅外探測技術(shù)在未來的應(yīng)用將更加廣泛，地位更加重要。小型紅外探測器是受價(jià)格驅(qū)動的商品市場，而中型和大型陣列探測器則是受成本和性能驅(qū)動的市場，并且為新產(chǎn)品提供了差異化的空間。但是在每種紅外探測器技術(shù)（如熱電/熱電偶/微測輻射熱計(jì)）之間存在著巨大的障礙。由于這些技術(shù)都是基于不同的制造工藝，如果沒有企業(yè)合并或收購，很難從一種技術(shù)轉(zhuǎn)換到另外一種技術(shù)。紅外探測器已進(jìn)入居民日常安防中，其中主動式紅外探測器遇到樹葉、雨、小動物、雪、沙塵、霧遮擋則不應(yīng)報(bào)警，人或相當(dāng)體積的物品

3、遮擋將發(fā)生報(bào)警。主動紅外探測器技術(shù)主要采用一發(fā)一收，屬于線形防范，現(xiàn)在已經(jīng)從最初的單光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙收，最大限度地降低誤報(bào)率，從而增強(qiáng)該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。據(jù)美國相關(guān)公司市場調(diào)研分析師預(yù)測，全球軍用紅外探測器需求額有望在 2020年達(dá)到 163. 5億美元 ，復(fù)合年均增長率為7. 71%。紅外探測器按探測機(jī)理可分為熱探測器和光子探測器，按其工作中載流子類型可以分為多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件兩大類，按照探測器是否需要致冷，分為致冷型探測器和非致冷型探測器。非致冷探測器目前主要是非晶硅、氧化釩和InGaAs 等探測器，致冷型探測器主要包括碲鎘汞三元化合物、量子阱紅外光探測器

4、類超晶格等。在過去的幾十年里，大量的新型材料、新穎器件不斷涌現(xiàn)，紅外光電探測器完成了第一代的單元、多元光導(dǎo)器件向第二代紅外焦平面器件的跨越，目前正朝著以大規(guī)模、高分辨力、多波段、高集成、輕型化和低成本為特征的第三代紅外焦平面技術(shù)的方向發(fā)展。二、焦平面紅外探測器應(yīng)用現(xiàn)狀熱探測器的應(yīng)用早于光子探測器。熱探測器包括熱釋電探測器、溫差電偶探測器、電阻測輻射熱計(jì)等。熱探測器具有寬譜響應(yīng)、室溫工作的優(yōu)點(diǎn)，但是它響應(yīng)時間較慢、高頻時探測率低，目前主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域。光子探測器是基于光電效應(yīng)制備的探測器，通過配備致 冷系統(tǒng)，具有高量子效率、高靈敏度、低噪聲等效溫差、快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。在軍事領(lǐng)域，光子探測器占據(jù)主

5、導(dǎo)地位。常用的光子探測器有碲鎘汞 ( HgCdTe) 、 InGaAs、 InAs /InGaSb 類超晶格、GaAs /AlGaAs量子阱等。近年來量子點(diǎn)紅外光探測器也引起廣泛關(guān)注，量子點(diǎn)紅外光探測器在理論上具有很多優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際制備的量子點(diǎn)紅外光探測器與理論預(yù)測的還是有一定差距。常見紅外探測器種類及其特點(diǎn)如下表所示：紅外探測器種類工作原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱 探氣動探測器受熱膨脹簡單輕便，成本低， 光譜范圍寬，可室溫工作無選擇性 探測率較低 響應(yīng)速度較慢溫差電偶、溫差電堆溫差電效應(yīng)測 器測輻射熱計(jì)電阻溫度特性熱釋電熱釋電效應(yīng)本 -化合 物材料導(dǎo)效應(yīng)禁帶寬度窄機(jī)械特性差介電常數(shù)大，結(jié)電容大光征 型 -化

6、合基于帶間躍遷吸收光電物材料應(yīng)用波長范圍寬技術(shù)比較成熟缺陷密度高成本較高電 導(dǎo) 探 -化合 物材料材料性能優(yōu)良 技術(shù)比較成熟需要合適襯底測 器重?fù)诫s雜質(zhì)能級躍遷，非本征型主要應(yīng)用于長波，響應(yīng)波長范圍寬成本低，工藝簡 單，可量產(chǎn)，易 于調(diào)節(jié)響應(yīng)波長吸收系數(shù)低，需低溫工作 量子效率較低光高遷移率半導(dǎo)體帶內(nèi)躍自由載流子遷，載流子遷移率變化從而引起電導(dǎo)變化成本低，增益高，易制備較大的二維面陣量子效率低，需低溫工作子 探 測 器光 伏 探 測 器PIN、 Schottky、 光生載流子產(chǎn)生光電壓APD 、 MSM 、 RCE高靈敏度和響應(yīng)率，噪聲小，功耗低薄膜材料生長要求較高量 子 結(jié) 構(gòu) 探半導(dǎo)體材料

7、相間排列形量子阱探測器成具有量子局限效應(yīng)的勢阱，子帶間躍遷波長大幅可調(diào)，技術(shù)比較成熟，容易實(shí)現(xiàn)多色探測需特殊的光耦合方式量子阱中基態(tài)電子濃度受摻雜限制量子效率不高測 器維度很小的量子點(diǎn)內(nèi)部量子點(diǎn)探測器電子受到局限，產(chǎn)生不連續(xù)電子能級，子帶間躍遷較小暗電流，較大增益，較高的工作溫度量子點(diǎn)尺寸、密度和均勻性的控制比較困難如 美國的響尾蛇、英國阿斯拉姆、俄羅斯-73、法國米卡紅外型、德國依爾伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型號都采用了基于焦平面紅外探測的紅外制導(dǎo)技術(shù) 。國產(chǎn)武器裝備也是如此，空空導(dǎo)彈中應(yīng)用抗干擾型多元成像導(dǎo)引頭，能夠高離軸角發(fā)射，并具備超機(jī)動性；在 防空導(dǎo)彈中采用紅外成像導(dǎo)引頭， 較

8、好地解決了超低空飛行引信容易誤啟動的情況； 在反坦克導(dǎo)彈中使用了紅外焦平面成像式自導(dǎo)頭，配有非冷卻式光電探測器，成為非致冷式紅外成像制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈。在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、偵察夜視領(lǐng)域，焦平面紅外探測器也具有廣泛的應(yīng)用前景。據(jù)報(bào)道， 一款夜間瞄準(zhǔn)系統(tǒng)升級設(shè)備將用于美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)AH-1 眼鏡蛇攻擊直升機(jī)， 此機(jī) 載夜間瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是一個光電前視紅外塔樓狀傳感器組件， 能為海軍陸戰(zhàn)隊(duì) 提供遠(yuǎn)程監(jiān)視、跟蹤、高空目標(biāo)探測、測距和激光指示。美國海軍戰(zhàn)斗機(jī)專家正在更新航母起飛的F/A-18 戰(zhàn)斗轟炸機(jī)機(jī)載前視紅外瞄準(zhǔn)系統(tǒng) ， 以達(dá)到給飛行員提供大幅增加的目標(biāo)檢測和識別范圍、先進(jìn)激光指示能力、遠(yuǎn)離海岸行駛的精確評估、光電

9、和紅外成像的目的。三、焦平面紅外探測器發(fā)展現(xiàn)狀1、國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)研制焦平面紅外探測器主要研究機(jī)構(gòu)有上海技術(shù)物理研究所、昆明物理研究所、重慶44 所、高德紅外等單位。上海技術(shù)物理研究所在 碲鎘汞、 銦鎵砷 紅外探測器的研制方面，包括材料生長、器件工藝設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)方面都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。目前，焦平面紅外探測器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，國內(nèi)已有多家企業(yè)具有生產(chǎn)致冷型或非致冷型焦平面紅外探測器的能力，其所生產(chǎn)的典型產(chǎn)品指標(biāo)如表所示：探測器類型材料陣列規(guī)模像元間距（m）光譜范圍（ m）非制冷非晶硅640 48025814氧化釩400 30017814銦鎵砷640 5122511.7制冷碲鎘汞640 51215

10、3.74.8II 類超晶格320256303.74.8II 類超晶格320256157.410.5近年來， 國內(nèi)已建有具有自主知識產(chǎn)權(quán)的8 英寸 0. 25 m 非致冷紅外探測器生產(chǎn)線，新型氧化釩800 600 高分辨力非致冷焦平面紅外探測器及類超晶格紅外探測器短波、中波和長波產(chǎn)品均已面世，這些成果對于提升國家自主創(chuàng)新能力和國家戰(zhàn)略裝備的研制具有重要意義。 總體來看，國產(chǎn)焦平面紅外探測器的制造能力正在迅速提高，不僅實(shí)現(xiàn)了從襯底、外延、芯片、封裝到致冷機(jī)的自行設(shè)計(jì)和研發(fā)，也實(shí)現(xiàn)了從材料到組件的全國產(chǎn)化。2、國外研究現(xiàn)狀國外焦平面紅外探測器的生產(chǎn)廠商主要分布在美國、 英國、 法國、德國、 日本及以

11、色列等國。 目前國外典型的焦平面紅外探測器性能指標(biāo)如下表所示：探測材料陣列規(guī)模像素尺寸（ m）光譜范圍工作溫度（K）VOx640 48028 28814300InGaAs640 51225250.41.7300Si： As2048 204818185287.8InSb1024 102415 153 577HgCdTe4096 409610 101. 0 5 437HgCdTe1280 102415 153. 47. 877 100HgCdTe640 51215 1581090Raythen 公司已研制出一種雙波段HgCdTe 紅外焦平面陣列結(jié)構(gòu)，而且還將會作為對現(xiàn)有的地基和機(jī)載戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行升級

12、的第三代產(chǎn)品而獲得進(jìn)一步的發(fā)展。在小型探測器研究領(lǐng)域，DARPA 已成功研制了一系列像元間距為5 8m 的紅外探測器，而作為DARPA的大口徑海洋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)陣列計(jì)劃的一部分，一種基于像元間距5 m 的碲鎘汞焦平面陣列的中波紅外相機(jī)也已被研制出。美國 Northrop Grumman 公司研制的硒化鉛探測器被認(rèn)為是焦平面紅外探測的一大突破，這種致冷型光子探測器具有很高的靈敏度和成像速率，但價(jià)格低廉，無需采用低溫制冷裝置。法國 Sofradir 公司的紅外探測器產(chǎn)品較多，包括HgCdTe， InSb，InGaAs， QWIP 以及微測輻射熱計(jì)，覆蓋了短波紅外、中波紅外、長波紅外光譜。近期公司又推出了

13、像元間距為10m 的 Daphnis系列紅外探測器，該探測器是世界上第一款采用小像元間距技術(shù)制成的致冷型中波紅外成像產(chǎn)品，非常適合電光系統(tǒng)研究人員用來研制陸基、機(jī)載和艦載軍事系統(tǒng)。早在 2002年， 美國傳感無限公司就成功研制出高性能的InGaAs焦平面探測器產(chǎn)品。由于InGaAs 探測器固有的價(jià)值，使得美軍對此投入了大量的人力物力。2002 至 2015 年，傳感無限公司在InGaAs探測器的研制上進(jìn)展迅速，短短幾年內(nèi)就完成了多種型號的InGaAs焦平面系列產(chǎn)品的研制。美國傳感無限公司2012年實(shí)現(xiàn)了4英寸 InP基工藝的量產(chǎn)之后，就進(jìn)入到各種型號產(chǎn)品工程應(yīng)用的發(fā)展時期。其發(fā)展歷程如下圖所示

14、：四、存在的問題及發(fā)展趨勢目前主流的焦平面紅外探測器具有成像系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、 功耗低、 系統(tǒng)靈敏度高、工作幀頻高等一系列優(yōu)點(diǎn)， 但其缺點(diǎn)也很明顯，如 HgCdTe 紅外探測器材料均勻性相對較差，類超晶格探測器分子束外延生長工藝不夠成熟， 量子阱紅外探測器不吸收正入射光，量子效率相對較低，量子點(diǎn)紅外探測器也存在量子點(diǎn)材料不均勻的問題。這些探測器均存在成像非均勻性的問題， 是指焦平面陣列在均勻輻射輸入時，各單元輸出的不一致性。紅外光學(xué)系統(tǒng)的影響，如鏡頭加工精度、鏡頭孔徑等因素影響；紅外焦平面外界輸入的影響；紅外焦平面陣列中無效探測單元的影響；紅外焦平面陣列溫度變化的影響；讀出電路本身非均勻性及

15、讀出電路與探測器耦合非均勻性的影響。非均勻性影響測量精度，特別是在弱信號探測時尤為嚴(yán)重。目前的校正方法主要有兩類，一類是定標(biāo)類校正，另一類是場景類校正。目前在軍事中廣泛應(yīng)用的校正方法主要是定標(biāo)類校正方法。為了進(jìn)一步提升紅外焦平面成像的均勻性、提升武器裝備中制導(dǎo)精度， 開展紅外探測器成像非均勻性參數(shù)校正的新方法研究以及探測器數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的定性檢查和定量校準(zhǔn)是迫切和必要的。焦平面紅外探測器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 首先是探測器向高集成度、小型化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在像元間距越來越小，陣列規(guī)模越來越大。 其次是非致冷型紅外探測器研究熱度增加，與致冷型紅外探測器相比，非致冷型紅外探測器探測精度略