紅外熱成像器件成像物理課件

第十章紅外熱成像器件成像物理10.1.紅外探測(cè)器的分類10.2.紅外探測(cè)器的工作條件與性能參數(shù)10.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器10.4.光伏型紅外探測(cè)器10.5.紅外焦平面陣列探測(cè)器10.6.非致冷紅外焦平面陣列探測(cè)器10.7.量子阱紅外探測(cè)器-2023/7/2210.1紅外探測(cè)器的分類按波長(zhǎng)分：近紅外:0.76~3μm中紅外：3~6μm遠(yuǎn)紅外：8~15μm按工作溫度分：低溫探測(cè)器中溫探測(cè)器室溫探測(cè)器按用途和結(jié)構(gòu)分：?jiǎn)卧綔y(cè)器多元探測(cè)器凝視列陣探測(cè)器按工作轉(zhuǎn)換機(jī)理分：熱敏探測(cè)器（熱電效應(yīng)）熱釋電攝像管（如TGS等）熱探測(cè)器陣列熱釋電型非制冷焦平面陣列微測(cè)輻射熱計(jì)非制冷焦平面陣列（Micro-Bolometer

）微測(cè)輻射熱電堆光子探測(cè)器（光電效應(yīng)）光電導(dǎo)探測(cè)器（PC效應(yīng)）光伏探測(cè)器（PV效應(yīng)）肖特基勢(shì)壘探測(cè)器（PtSi探測(cè)器）量子阱探測(cè)器-2023/7/2210.1紅外探測(cè)器的分類熱電效應(yīng)：吸收紅外輻射后，產(chǎn)生溫升，伴隨著溫升而發(fā)生某些物理性質(zhì)的變化。如產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)，電阻率變化，自發(fā)極化強(qiáng)度變化，氣體體積和壓強(qiáng)變化等。只需測(cè)量其中一種物理量的變化，便知其吸收紅外入射的能量和功率利用各類熱電效應(yīng)制成的熱探測(cè)器：熱電偶：測(cè)量溫差電動(dòng)勢(shì)的變化熱敏電阻（或電阻測(cè)輻射熱計(jì)）：測(cè)量電阻率的變化氣體探測(cè)器（高萊盒）：測(cè)量氣體壓強(qiáng)的變化熱釋電探測(cè)器：測(cè)量自發(fā)極化強(qiáng)度的變化-2023/7/2210.1紅外探測(cè)器的分類光電效應(yīng)：某些固體受到紅外輻射的照射后，其中的電子直接吸收紅外輻射而發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，從而導(dǎo)致該固體的某種電學(xué)參量的改變，這種電學(xué)性質(zhì)的改變統(tǒng)稱固體的光電效應(yīng)。利用光電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器為光子探測(cè)器或光電探測(cè)器，這類探測(cè)器依賴內(nèi)部電子直接吸收紅外輻射，不需要經(jīng)過(guò)加熱物體的過(guò)程，因此反應(yīng)時(shí)間快。光電導(dǎo)效應(yīng)：當(dāng)紅外輻射入射到半導(dǎo)體器件上，會(huì)使體內(nèi)一些電子和空穴從原來(lái)不導(dǎo)電的束縛狀態(tài)轉(zhuǎn)變成能導(dǎo)電的自由狀態(tài)，從而使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加，這種現(xiàn)象為光電導(dǎo)效應(yīng)。光伏效應(yīng)：在半導(dǎo)體P-N結(jié)及其附近區(qū)域吸收能量足夠大的光子后，在結(jié)區(qū)及結(jié)的附近釋放出少數(shù)載流子（自由電子或空穴）它們?cè)诮Y(jié)區(qū)附近靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)，而在結(jié)區(qū)內(nèi)則受內(nèi)建電場(chǎng)的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，如果P-N結(jié)開(kāi)路，則兩端會(huì)產(chǎn)生電壓。這種現(xiàn)象為光生伏特效應(yīng)。-2023/7/2210.1紅外探測(cè)器的分類光磁電效應(yīng)：當(dāng)紅外光入射到半導(dǎo)體表面，如有外磁場(chǎng)存在，則半導(dǎo)體表面附近產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)在半導(dǎo)體內(nèi)部擴(kuò)散的過(guò)程中，電子和空穴各偏向一側(cè)，因而在半導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象為光磁電效應(yīng)。各類光子型探測(cè)器光電子發(fā)射探測(cè)器：紅外光陰極等利用外光電效應(yīng)工作的探測(cè)器。光電導(dǎo)探測(cè)器（PC器件）：利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的探測(cè)器。光伏探測(cè)器（PV器件）：利用光伏效應(yīng)工作的探測(cè)器。光磁電探測(cè)器：利用光磁電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器。肖特基勢(shì)壘器件：光子牽引效應(yīng)。量子阱器件：利用量子阱效應(yīng)。-2023/7/2210.2.紅外探測(cè)器的工作條件與性能指標(biāo)評(píng)價(jià)紅外探測(cè)器的性能的指標(biāo)稱為性能優(yōu)值，即其性能參數(shù)。因一個(gè)探測(cè)器的性能參數(shù)往往與其測(cè)量方法和使用條件，幾何尺寸等物理性質(zhì)相關(guān)故討論紅外探測(cè)器性能指標(biāo)的同時(shí)，需說(shuō)明其工作條件。工作條件入射輻射的光譜分布：對(duì)探測(cè)器進(jìn)行性能描述時(shí)，必須說(shuō)明入射到探測(cè)器響應(yīng)平面的光譜分布及空間輻射功率。實(shí)驗(yàn)室多采用500K黑體輻射源作信號(hào)源。探測(cè)器的幾何參數(shù)：探測(cè)器面積（標(biāo)稱面積、有效面積），形狀及接收入射輻射信號(hào)的立體角標(biāo)稱面積：制造商提供的響應(yīng)面積，是實(shí)際響應(yīng)面積的近似值。有效面積：若s為響應(yīng)平面，R(x,y)為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的響應(yīng)度，則有效面積定義為-2023/7/22紅外探測(cè)器的工作條件探測(cè)器接收輻射信號(hào)的立體角：輻射信號(hào)入射方向上以入射角的余弦作為權(quán)重的立體角。標(biāo)稱權(quán)重立體角：制造商提供的立體角。有效權(quán)重立體角：設(shè)θ,φ為軸線垂直于響應(yīng)平面的球坐標(biāo)系的極角和方位角；R(x,y,θ,φ)為探測(cè)器響應(yīng)平面s上某點(diǎn)(x,y)對(duì)(θ,φ)方向入射輻射的響應(yīng)度，則有效權(quán)重立體角為：－－對(duì)于響應(yīng)度與方位角無(wú)關(guān)的圓形對(duì)稱探測(cè)器若響應(yīng)元中心到探測(cè)器光闌的視場(chǎng)角為ω，其權(quán)重立體角交可簡(jiǎn)化為：Ω=πsin(ω/2)，若為朗伯探測(cè)器，則Ω=π。探測(cè)器的輸出信號(hào)：輸出信號(hào)電壓的振幅是施加在探測(cè)器的偏置電源b，輻射調(diào)制頻率f，波長(zhǎng)λ及入射輻射功率Ps的函數(shù)。即：Vs=Vs(b,f,λ,Ps)-2023/7/22紅外探測(cè)器的工作條件探測(cè)器的工作溫度與背景：不致冷時(shí)指環(huán)境溫度，致冷時(shí)指致冷的標(biāo)稱溫度。背景輻射：由探測(cè)器的視場(chǎng)和被背景照射的光譜范圍來(lái)描述。探測(cè)器的阻抗：探測(cè)器兩端瞬時(shí)電壓V(t)對(duì)通過(guò)探測(cè)器的瞬時(shí)電流i(t)的導(dǎo)數(shù)，包括容抗和直流阻抗。多數(shù)探測(cè)器的阻抗與純電阻等效，100Ω以下為低阻器件，需與放大器做變壓器耦合，100Ω~1MΩ為中阻器件,最容易與放大器匹配;1MΩ以上為高阻器件，需高阻抗放大器輸入才能匹配。特殊工作條件：對(duì)于某些特殊器件，還有濕度、入射輻射功率、視場(chǎng)立體角、以及背景溫度等。-2023/7/2210.2.紅外探測(cè)器的工作條件與性能指標(biāo)紅外探測(cè)器的性能參數(shù)響應(yīng)度R：描述入射到探測(cè)器上的單位輻射功率所產(chǎn)生的信號(hào)大小能力的性能參數(shù)：紅外輻射垂直入射到探測(cè)器光敏元上，探測(cè)器輸出信號(hào)電壓均方根值Vs與入射輻射功率均方根值Ps之比。噪聲等效功率NEP：紅外輻射信號(hào)入射到探測(cè)器響應(yīng)平面上，若產(chǎn)生的電輸出信號(hào)的均方根值正好等于探測(cè)器本身在單位帶寬內(nèi)的噪聲均方根值（信噪比為1）時(shí)，探測(cè)器表面所接收到的入射輻射功率均方根之為NEP。-2023/7/22紅外探測(cè)器的性能指標(biāo)探測(cè)率D和歸一化探測(cè)率D*：D=1/NEP；因大多數(shù)紅外探測(cè)器的NEP與光敏面積的平方根成正比，還與放大器的帶寬Δf有關(guān)，因此NEP的數(shù)值很難比較兩個(gè)不同探測(cè)器的性能優(yōu)劣。而定義歸一化探測(cè)率D*實(shí)際上是探測(cè)器單位面積、單位放大器帶寬，單位輻射功率所獲得的信噪比。一般D*與調(diào)制頻率f、輻射源與工作條件有關(guān)，單位為cmHz1/2/W。黑體源測(cè)得的D*稱為黑體探測(cè)率，用D*(T,f,1)表示，1表示單位帶寬，T多數(shù)情況下為500K。

響應(yīng)時(shí)間（或時(shí)間常數(shù)）：指探測(cè)器將入射輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娸敵龅某谠r(shí)間，是表示探測(cè)器工作速度的一個(gè)定量參數(shù)。-2023/7/22紅外探測(cè)器的性能指標(biāo)還可以利用頻率響應(yīng)來(lái)描述響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)榇蠖鄶?shù)探測(cè)器響應(yīng)度隨調(diào)制頻率的變化有如公式，其中R(0)為零頻下的響應(yīng)度，由此關(guān)系規(guī)定的響應(yīng)時(shí)間τ為響應(yīng)度下降到最大值的0.707時(shí)的角頻率(2πf)的倒數(shù)值。有些探測(cè)器有兩個(gè)響應(yīng)時(shí)間。其它指標(biāo)響應(yīng)度與輻射強(qiáng)度之間的線性關(guān)系響應(yīng)度的均勻性與光學(xué)系統(tǒng)匹配時(shí)，接收面積與光學(xué)系統(tǒng)所成像的大小相同與前置放大器連用時(shí)，探測(cè)器內(nèi)阻應(yīng)與放大器的阻抗相匹配。R(f)隨f變化的關(guān)系曲線具有兩個(gè)響應(yīng)時(shí)間的頻率響應(yīng)-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器光電導(dǎo)探測(cè)器的工作原理與性能分析SPRITE探測(cè)器SPRITE探測(cè)器的工作原理及結(jié)構(gòu)SPRITE探測(cè)器的性能指標(biāo)光電導(dǎo)探測(cè)器材料光電導(dǎo)率：如果半導(dǎo)體受到外界作用，有非平衡載流子注入，就會(huì)附加電導(dǎo)率Δσ產(chǎn)生。當(dāng)Δσ是由光照注入的非平衡載流子所產(chǎn)生時(shí)，稱之為光電導(dǎo)率。光照射產(chǎn)生的非平衡載流子稱為光生載流子。－能產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光電導(dǎo)體。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－工作原理與性能分析光電導(dǎo)探測(cè)器的基本概念和基本方程光電導(dǎo)探測(cè)器的分類入射光強(qiáng)的衰減規(guī)律激發(fā)率和復(fù)合率光生載流子的基本方程本征光電導(dǎo)探測(cè)器的性能分析響應(yīng)度探測(cè)率響應(yīng)時(shí)間調(diào)制信號(hào)的影響-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－工作原理半導(dǎo)體的光激發(fā)過(guò)程(a)本征吸收；(b)非本征吸收；(c)自由載流子吸收光電導(dǎo)探測(cè)器按其基本激發(fā)過(guò)程可分為：本征光電導(dǎo)探測(cè)器：入射紅外輻射的光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，使電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶而改變其光電導(dǎo)率。其優(yōu)點(diǎn)是工作溫度比非本征型高。雜質(zhì)光電導(dǎo)探測(cè)器：入射輻射激發(fā)雜質(zhì)能級(jí)上的電子或空穴而改變其電導(dǎo)率，其優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)波效應(yīng)較好。自由載流子探測(cè)器：材料吸收光子后不引起載流子數(shù)量的變化，而是引起載流子遷移率的變化。這類器件常需要在極低溫度下工作，以降低能量向晶格轉(zhuǎn)移。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－工作原理入射光強(qiáng)的衰減規(guī)律：輻射進(jìn)入探測(cè)器后，輻照度要逐漸衰減，若材料的吸收比為α，則在z到z+dz處，其輻照度衰減的量值可寫(xiě)成dE，設(shè)探測(cè)器表面反射率為ρ，z=0時(shí)入射到表面處的照度為E0，則有輻射度隨厚度的衰減公式由此可見(jiàn)，輻照度隨厚度增加而呈指數(shù)衰減。入射光強(qiáng)隨厚度變化-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－工作原理激發(fā)率與復(fù)合率單位時(shí)間、單位體積內(nèi)吸收的光子能量：被吸收的光子數(shù)：量子效率η：探測(cè)器吸收一個(gè)光子（hυ>=Eg)所產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)的數(shù)目體激發(fā)率Q：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位體積內(nèi)所產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)數(shù)在本征半導(dǎo)體材料中，通常η＝1，若探測(cè)器厚度為d，略去下表面的反射，平均體激發(fā)率為：當(dāng)入射光強(qiáng)減小到初始值的1/e時(shí)，光經(jīng)過(guò)的距離稱為光的有效透射深度，其值為1/α。一般的本征半導(dǎo)體吸收很強(qiáng)，InSb材料探測(cè)器的吸收系數(shù)α約為104/cm，即表面1μm就達(dá)到了有效透射深度，此后的入射光的影響可以忽略。故，在滿足e(-αd)<<1時(shí)，平均體激發(fā)率變?yōu)楸砻嫖?。表面激發(fā)率Qs：?jiǎn)挝粫r(shí)間、單位面積內(nèi)所產(chǎn)生的光生載流子數(shù)目。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－工作原理直接復(fù)合的復(fù)合率（凈復(fù)合速率）：如果γ為直接復(fù)合系數(shù)，即各種能量的電子與空穴的平均值。Δp為光生載流子濃度，且Δp＝Δn。間接復(fù)合的復(fù)合率：如果γe為電子俘獲系數(shù)，γp為空穴俘獲系數(shù)，Nt為俘獲中心總數(shù)，n1，p1分別為熱平衡時(shí)電子與空穴的濃度。則有間接復(fù)合的復(fù)合率表達(dá)式。光生載流子壽命：表面復(fù)合率：設(shè)表面復(fù)合速率為Sv

所謂間接復(fù)合：非平衡載流子通過(guò)雜質(zhì)或缺陷中心也可以完成電子空穴對(duì)的復(fù)合，能夠有效起復(fù)合作用的雜質(zhì)或缺陷稱為復(fù)合中心，復(fù)合由兩步來(lái)完成：一是未被占據(jù)的中心從導(dǎo)帶俘獲一個(gè)電子；一是已被占據(jù)的中心從價(jià)帶俘獲一個(gè)空穴（相當(dāng)于一個(gè)電子由復(fù)合中心落入價(jià)帶）。所謂直接復(fù)合：是能帶到能帶的復(fù)合，指導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合，即導(dǎo)帶電子躍遷到價(jià)帶的過(guò)程。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－工作原理半導(dǎo)體中，單位體積內(nèi)自由電子的增加率，應(yīng)等于該處電子的激發(fā)率Q減去電子的復(fù)合率，再加上電子電流的散度。同理，對(duì)于空穴有：如略去陷阱效應(yīng)，認(rèn)為光生載流子的壽命與本征半導(dǎo)體內(nèi)載流子壽命相同，公式中的電流密度可以寫(xiě)成在本征光電導(dǎo)情況，電中性條件可導(dǎo)出：D為雙極擴(kuò)散系數(shù)，μ為雙極遷移率，整理可推知：由于是本征光電導(dǎo)情況，n=p，μ＝0，故得到本征光電導(dǎo)光生載流子變化的基本方程。所謂基本方程：是反映非平衡載流子運(yùn)動(dòng)的重要方程。要考慮光生電子和光生空穴的連續(xù)性。-2023/7/22光電導(dǎo)探測(cè)器的幾何模型本征光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)度R恒定入射的紅外輻射照射探測(cè)器時(shí)，穩(wěn)態(tài)下：在不考慮濃度梯度和表面復(fù)合的前提下,可得：即光生載流子數(shù)目與平均體激發(fā)率、載流子壽命成正比。設(shè)探測(cè)器長(zhǎng)寬厚：l,w,d。并在x方向加有正電場(chǎng)E，加之空穴與電子的變化數(shù)量相等。則光生載流子密度為：光生電流電流為：若無(wú)信號(hào)時(shí)電阻(暗電阻)為Rd，則開(kāi)路電壓：按定義可得探測(cè)器響應(yīng)度表達(dá)式響應(yīng)度與入射輻射光子能量的關(guān)系:在本征半導(dǎo)體中，暗電阻率可寫(xiě)成與遷移率及無(wú)光照時(shí)空穴濃度p0相關(guān)的表達(dá)式:考慮到背景對(duì)電導(dǎo)率及空穴濃度的影響，可將無(wú)信號(hào)照射時(shí)的電導(dǎo)率及空穴濃度分成熱激發(fā)對(duì)之的貢獻(xiàn)，及背景輻射對(duì)其的貢獻(xiàn)兩部分：響應(yīng)度又有更進(jìn)一步的表達(dá)形式：即認(rèn)為探測(cè)器內(nèi)部各處載流子濃度是均勻的，即體激發(fā)率是均勻的-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－性能分析本征光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)度R分析響應(yīng)度與光生載流子壽命成正比：一般光電導(dǎo)的貢獻(xiàn)主要來(lái)自于一種載流子，因此若加入另一種載流子陷阱，就會(huì)使主要作用的載流子壽命增長(zhǎng)，而提高響應(yīng)度。響應(yīng)度與載流子濃度成反比：通過(guò)致冷環(huán)境，可以減小pT值，若減小pb需要增加濾光片；響應(yīng)度與外界電場(chǎng)成正比，但實(shí)際上E的增加會(huì)帶來(lái)焦耳熱使探測(cè)器溫升，故外加電場(chǎng)應(yīng)有一個(gè)最佳值；在滿足αd>>1條件下，減少探測(cè)器厚度有利于提高響應(yīng)度；減少反射，鍍?cè)鐾改ひ彩翘岣唔憫?yīng)度的好辦法。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－性能分析本征光電導(dǎo)探測(cè)器的探測(cè)率D對(duì)本征光電導(dǎo)探測(cè)器，可以不考慮1/f噪聲時(shí)，主要噪聲為熱噪聲和產(chǎn)生－復(fù)合(G-R)噪聲。熱噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓常記為：其中Rd為探測(cè)器等效電阻，Δf為測(cè)量?jī)x器噪聲等效帶寬。產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓常表示為。其中V0為外置偏壓，Ps為入射到探測(cè)器表面的輻射功率。按定義有Dv*更多時(shí)候，Dv*只受一種噪聲限制-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－性能分析本征光電導(dǎo)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間弱光入射時(shí)，上升情況：根據(jù)載流子濃度隨時(shí)間上升的微分方程，且t=0時(shí)，載流子濃度變化量為0，可解得：式中Δp0為穩(wěn)定值，故載流子隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升至穩(wěn)定值。顯然載流子壽命越長(zhǎng)，曲線上升越慢。光生載流子數(shù)目隨時(shí)間上升到穩(wěn)定值的(1-1/e)時(shí)所需的時(shí)間為上升時(shí)間。下降情況：若t=0時(shí)停止光照，則微分方程中的產(chǎn)生激發(fā)的載流子數(shù)量Q為0，解得又一個(gè)指數(shù)方程。顯然依然是載流子壽命越長(zhǎng)，下降響應(yīng)越慢。光生載流子濃度Δp0由隨時(shí)間下降1/e時(shí)所需的時(shí)間為下降響應(yīng)時(shí)間。光電導(dǎo)探測(cè)器的馳豫現(xiàn)象(或滯后現(xiàn)象)t-2023/7/22本征光電導(dǎo)探測(cè)器的調(diào)制信號(hào)的影響為適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的變化，有時(shí)對(duì)入射光要進(jìn)行調(diào)制。當(dāng)使用調(diào)制頻率為f的余弦波形來(lái)調(diào)制時(shí)，有輻射照度或體激發(fā)率的表達(dá)形式：光生載流子濃度變化Δp的基本方程為：若記Δp=Δp1+Δp2,前者為與時(shí)間無(wú)關(guān)量，后者為與時(shí)間相關(guān)量，則:考慮調(diào)制的影響，僅需討論隨時(shí)間變化的部分，省去下標(biāo)并用復(fù)數(shù)表示，可解得其中振幅和相位表達(dá)式為：載流子濃度變化量Δp可寫(xiě)成：從而得到調(diào)制光入射時(shí)輸出信號(hào)電壓，及其均方根電壓表示的信號(hào)。顯然，f越高，信號(hào)越低。按響應(yīng)度定義可得響應(yīng)度與調(diào)制頻率的關(guān)系式：響應(yīng)度隨著f增加而減少，故對(duì)于載流子壽命一定的材料，應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)制頻率，以防響應(yīng)度損失過(guò)多。目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度不同，應(yīng)選擇不同的調(diào)制頻率。-2023/7/22Δp和Δn的漂移過(guò)程10.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器原理與結(jié)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)－掃出效應(yīng)當(dāng)紅外光照射到兩端加有固定電壓的N型半導(dǎo)體上，光生載流子將經(jīng)歷產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散和漂移的過(guò)程，其濃度變化形式可寫(xiě)成公式，其中D和μ為雙極擴(kuò)散系數(shù)和雙極遷移率。漂移是由于電場(chǎng)E作用下，且n與p不等造成的。若n=p，μ＝0,則無(wú)漂移運(yùn)動(dòng)；若n>>p，則μ＝μp,D=Dp，即Δp以p的速度運(yùn)動(dòng)。為保持電中性，Δn和Δp沿同一方向運(yùn)動(dòng)，因?yàn)橛蟹瞧胶廨d流子存在，電中性難以滿足，則Δn和Δp不重合產(chǎn)生附加電場(chǎng)。它同E反向，使之消弱。在被消弱的電場(chǎng)區(qū)，多子（電子）的漂移速度降低，而該區(qū)兩端電子速度不變，導(dǎo)致左端電子濃度降低，右端增加，相當(dāng)Δn于向右漂移?？傮w呈現(xiàn)出，當(dāng)Δp前進(jìn)時(shí)，Δn也跟著前進(jìn)，用這種方法就可以實(shí)現(xiàn)Δp分布的自動(dòng)掃描，這種效應(yīng)稱為“掃出效應(yīng)”。SPRITE(SignalProcessinginTheElements)(Спрайт)探測(cè)器屬于光電導(dǎo)效應(yīng)型探測(cè)器，但由于這種探測(cè)器利用了紅外圖像掃描速度與光生載流子雙極運(yùn)動(dòng)速度相等的原理，實(shí)現(xiàn)了在器件內(nèi)部進(jìn)行信號(hào)探測(cè)、時(shí)間延遲和積分的三種功能，大大簡(jiǎn)化了焦平面外的電子線路，從而使探測(cè)器尺寸、重量、成本顯著下降，并提高了工作可靠性，依據(jù)其原理，也稱之為“掃積型探測(cè)器”。是80年代英國(guó)人為高性能實(shí)時(shí)熱成像系統(tǒng)研制出的新型紅外探測(cè)器。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器原理與結(jié)構(gòu)由于掃出效應(yīng)的存在,當(dāng)光照射樣品時(shí),光信號(hào)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移出去，從而可以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的積累和延遲疊加。實(shí)現(xiàn)SPRITE探測(cè)器信號(hào)積累和延遲的必要條件－紅外圖像掃描速度等于非平衡載流子的雙極運(yùn)動(dòng)漂移速度。雙極運(yùn)動(dòng)漂移速度與材料的少數(shù)載流子遷移率和外置偏壓大小有關(guān)，如果偏壓足夠大，非平衡少子將全部或大部分掃出，若電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)過(guò)小，非平衡少子漂移長(zhǎng)度小于器件長(zhǎng)度，則光生少子將在體內(nèi)復(fù)合設(shè)一穩(wěn)定的紅外輻射入射到SPRITE探測(cè)器的x0處，若忽略陷阱效應(yīng)及表面復(fù)合，并在強(qiáng)電場(chǎng)作用下忽略非平衡載流子的擴(kuò)散，則沿探測(cè)器長(zhǎng)度方向x處的光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程可寫(xiě)成：式中Lμ為空穴的牽引長(zhǎng)度。Lμ若大于樣品長(zhǎng)度，則在τ時(shí)間內(nèi)Δp將移出體外，反之，將只有部分Δp能移出體外，在SPRITE探測(cè)器中，Lμ＝L為全部掃出條件，可推知此時(shí)SPRITE探測(cè)器兩端所加電壓為V0，為臨界掃出電壓。SPRITE探測(cè)器工作原理示意圖-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器原理與結(jié)構(gòu)典型的SPRITE探測(cè)器的結(jié)構(gòu)八條N型HgCdTe樣條構(gòu)成，每條尺寸（700×62.5)μm2，厚度10μm,樣條間距12.5μm。讀出區(qū)長(zhǎng)度50μm，寬度35μm。每條大約等效于10~12個(gè)分立單元探測(cè)器。當(dāng)掃描點(diǎn)進(jìn)入讀出區(qū)時(shí)，Δp將調(diào)制讀出區(qū)電壓從而有信號(hào)輸出。SPRITE探測(cè)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器的響應(yīng)度設(shè)探測(cè)器截面為w×w，讀出長(zhǎng)度l<w，長(zhǎng)度為L(zhǎng)>>l。外加電場(chǎng)為E。在足夠強(qiáng)的外電場(chǎng)作用下，光生載流子的穩(wěn)態(tài)方程不受非平衡載流子的擴(kuò)散影響。求解微分方程得到光點(diǎn)照射像元上，信號(hào)所產(chǎn)生的非平衡載流子濃度隨著掃描位置的變化關(guān)系。當(dāng)掃描像元到達(dá)讀出區(qū)時(shí)，即x=L，有公式，其中t為光生載流子在器件中的渡越時(shí)間。進(jìn)而求得光生載流子的光電流強(qiáng)度，和開(kāi)路電壓。響應(yīng)度按定義可寫(xiě)成：當(dāng)反射損失很小，且αd>>1時(shí)，可簡(jiǎn)化寫(xiě)成：設(shè)N型光電導(dǎo)體，其摻雜濃度遠(yuǎn)大于背景輻射產(chǎn)生的載流子濃度，非平衡載流子壽命遠(yuǎn)大于雙極漂移時(shí)間，雙極漂移速度等于光點(diǎn)掃描速度，有穩(wěn)定的紅外輻射照射到探測(cè)器，且沿長(zhǎng)度方向自左向右連續(xù)掃描。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器的響應(yīng)度分析響應(yīng)度表達(dá)式，可探討提高響應(yīng)度的途徑：增大E會(huì)增大焦耳熱，從而增大熱噪聲電流，故增大E應(yīng)該適當(dāng)。增大載流子壽命，可以提高響應(yīng)度，故可通過(guò)探測(cè)器表面鈍化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)表面復(fù)合的影響降低到最低?？刹捎弥评浼夹g(shù)，降低讀出區(qū)的熱激發(fā)載流子濃度，提高響應(yīng)度，減小表面反射損失，也是重要途徑。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器的探測(cè)率D*D*Blip為面積為w*w單元的光電導(dǎo)探測(cè)器受背景限制的探測(cè)率。S為單位時(shí)間通過(guò)讀出區(qū)的像素?cái)?shù)，像素大小為w*w，稱為像素速率，也可寫(xiě)成F為積累因子。當(dāng)F>1時(shí)，即積累的原因，可以預(yù)期SPRITE探測(cè)器的探測(cè)率要比相應(yīng)分立列陣背景限探測(cè)率大，性能好；因?yàn)榉e累時(shí)間大于快速串掃系統(tǒng)中單元器件的駐留時(shí)間，故可以觀察到更大的輸出信號(hào)；因?yàn)樾盘?hào)與積累時(shí)間成正比，而噪聲與積累時(shí)間的平方根成正比，故信噪比與積累時(shí)間的平方根成正比，故增大積累時(shí)間，有利于提高S/N。D*與讀出長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，但過(guò)高的掃描速度會(huì)使響應(yīng)度下降，故可以減小讀出去寬度，增大l/w的比值，來(lái)減小非平衡載流子通過(guò)讀出區(qū)的渡越時(shí)間。在SPRITE探測(cè)器中，S/N與積累時(shí)間τ成線性關(guān)系。-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－SPRITE探測(cè)器的分辨力影響SPRITE探測(cè)器分辨能力的三個(gè)主要因素：非平衡載流子的擴(kuò)散圖像掃描速度與光生載流子漂移速度的失配讀出區(qū)長(zhǎng)度。此外，讀出區(qū)結(jié)構(gòu)和背景輻射也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。為減小擴(kuò)散的影響，常用的兩種技術(shù)：迴形結(jié)構(gòu)器件，選擇偏壓場(chǎng)，使在像掃描方向載流子的平均速度等于像掃描速度。因此在該方向載流子的有效擴(kuò)散長(zhǎng)度減小一個(gè)因子W/Y。W為器件總寬度，Y為器件實(shí)際寬度。AnomorphicOptic：使像在掃描方向增加放大，探測(cè)長(zhǎng)度和掃描速度也相同比例增加，而載流子擴(kuò)散長(zhǎng)度仍然不變。迴形掃積型探測(cè)器-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－光電導(dǎo)探測(cè)器材料光電導(dǎo)紅外探測(cè)器對(duì)材料的要求：應(yīng)滿足波長(zhǎng)響應(yīng)的要求熱激發(fā)產(chǎn)生的G-R噪聲應(yīng)遠(yuǎn)小于背景輻射光子噪聲，即暗電流應(yīng)小于背景電流熱噪聲電流應(yīng)遠(yuǎn)小于背景輻射光子噪聲電流高的線性吸收系數(shù)和量子效率常用的光電導(dǎo)紅外探測(cè)器：Hg1-xCdxTe（MCT）8~14μm,77KInSb3~5μm,77KPbS,PbSe 1~3.5μm,室溫非本征激發(fā)光電導(dǎo)材料，如摻雜Si，可在三個(gè)大氣窗口都有響應(yīng)探測(cè)器，因工藝簡(jiǎn)單通用，易于制造大面積陣列，往往也要在77K下工作。幾種探測(cè)器的探測(cè)率與波長(zhǎng)的關(guān)系-2023/7/2210.3.光電導(dǎo)型紅外探測(cè)器－光電導(dǎo)探測(cè)器材料光電導(dǎo)紅外探測(cè)器的工作模式：探測(cè)器與負(fù)載電阻串聯(lián)，并連接直流偏壓。低于低阻探測(cè)器，常取固定電流電路，這時(shí)串聯(lián)電阻比元件電阻大得多，探測(cè)器上的電壓變化作為檢測(cè)信號(hào)輸出。對(duì)于高阻探測(cè)器，采用固定電壓電路更好，以電路中電流的變化為輸出信號(hào)。光電導(dǎo)探測(cè)器工作電路示意圖-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測(cè)器光伏效應(yīng)的原理及性能分析基本關(guān)系式主要性能指標(biāo)光伏探測(cè)器的工作模式光伏探測(cè)器的常用材料光伏探測(cè)器：其基本部分是一個(gè)P－N結(jié)光電二極管。波長(zhǎng)比材料的截止波長(zhǎng)短的紅外輻射，被光電二極管吸收后將產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。如果吸收是發(fā)生在空間電荷區(qū)（結(jié)區(qū)），電子和空穴立即被強(qiáng)電場(chǎng)分開(kāi)，并在外電路中產(chǎn)生光電流。如果吸收的是P區(qū)或N區(qū)到結(jié)的擴(kuò)散長(zhǎng)度區(qū)內(nèi)，光生載流子必定會(huì)首先擴(kuò)散到空間電荷區(qū)，然后再在那里受到電場(chǎng)作用，對(duì)外電路貢獻(xiàn)光電流。如果光電二極管是開(kāi)路，則P-N結(jié)兩端出現(xiàn)開(kāi)路電壓(P端為+)，即產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。若在P、N兩端連接一個(gè)低電阻，則光電二極管被短路，且有短路電流流動(dòng)(反向)。||||||+++++++-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測(cè)器－工作原理按照光伏效應(yīng)的理論，當(dāng)V表示光生電動(dòng)勢(shì)時(shí)，則光照下，P-N結(jié)的勢(shì)壘高度從原來(lái)的eV0變?yōu)閑(V0-V)，結(jié)區(qū)附近N區(qū)中少子濃度獲得的增量為當(dāng)光照射到P-N結(jié)上時(shí)，N區(qū)的少子濃度為p這些多余的少子，一面不斷注入，一面不斷向體內(nèi)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)引起的空穴電流密度為Jp，同理可寫(xiě)出結(jié)區(qū)的電子電流密度Je。通過(guò)P-N結(jié)的總的光生電流密度可分為電子、空穴電流密度的和，也可寫(xiě)成含反向飽和電流密度的表達(dá)式。進(jìn)而可得光生電壓。當(dāng)弱光照射時(shí)，由于光生電流密度<<反向飽和電流密度，光生電壓可簡(jiǎn)寫(xiě)為||||||+++++++-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測(cè)器－主要性能指標(biāo)光伏探測(cè)器的響應(yīng)度引入量子產(chǎn)額的概念P-N結(jié)的增量電阻（零偏電阻）為：整理可得響應(yīng)度等于量子產(chǎn)額、增量電阻和電子電荷之積與入射光子能量之比。故要提高響應(yīng)度，需提高量子產(chǎn)額，增大增量電阻（減小反向飽和電流）-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測(cè)器－主要性能指標(biāo)光伏探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間影響因素：光生載流子在準(zhǔn)中性N或P區(qū)擴(kuò)散到耗盡區(qū)所需的時(shí)間，光生載流子漂移同過(guò)耗盡區(qū)所需的時(shí)間耗盡區(qū)的電容，結(jié)電容也是影響響應(yīng)時(shí)間的重要因素。解決方法：要設(shè)法使結(jié)靠近表面－淺結(jié)，要使得結(jié)盡量薄但考慮到耗盡區(qū)電容應(yīng)小，結(jié)不能太薄。光伏探測(cè)器的探測(cè)率D*噪聲來(lái)源主要是散粒噪聲。公式為工程上常采用的探測(cè)率公式，其中(AjRi)1/2為探測(cè)器結(jié)面積與增量電阻乘積的平方根值，是判斷光伏器件性能優(yōu)劣的重要判據(jù)，常稱為光伏探測(cè)器的優(yōu)值。光伏探測(cè)器工作在光電二極管模式下時(shí)，P-N結(jié)兩端加上反向偏壓，散彈噪聲將減小一半，從而在探測(cè)背景極限時(shí)，光伏探測(cè)器的探測(cè)率比光電導(dǎo)的高21/2倍。這也是光伏探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)之一。-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測(cè)器－工作模式常用于無(wú)外加偏壓情況，此時(shí)器件功耗極低，特別適用于大規(guī)模兩位列陣。如后接放大器的輸入阻抗高，入射信號(hào)是通過(guò)器件電壓變化檢出信號(hào)，為光伏模式。若后接放大器的輸入阻抗很低，光信號(hào)通過(guò)二極管短路電流變化檢出。在高頻使用時(shí)，常采用反偏以減小耗盡區(qū)電容和相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。光平行于結(jié)平面照射光伏探測(cè)器光垂直照射P-N結(jié)結(jié)平面的光伏探測(cè)器-2023/7/2210.4.光伏型紅外探測(cè)器－常用材料Hg1-xCdxTe光伏探測(cè)器材料響應(yīng)速度高，用于激光輻射探測(cè)十分有利，特別是光通訊或在激光雷達(dá)中，作10.6μmCO2激光外差探測(cè)。PbSnTe光伏探測(cè)器 8~14μm,InAs和InSb多年前就由商品，77K，列陣探測(cè)器光譜響應(yīng)均勻性好，性能接近背景極限，已和硅CCD耦合制成焦平面器件。其它薄膜鉛鹽光伏型探測(cè)器。-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測(cè)器單片式紅外焦平面陣列混成式紅外焦平面陣列Z平面紅外焦平面由紅外探測(cè)器和具有掃描功能的信號(hào)讀出器組合而成的紅外焦平面陣列，是凝視型紅外熱成像系統(tǒng)的核心。紅外焦平面陣列包括光敏元件和信號(hào)處理兩個(gè)部分，可采用不同的光子探測(cè)器、信號(hào)電荷讀出器及多路傳輸。IR-CCD基本結(jié)構(gòu)-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測(cè)器－單片式單片式又稱整體式，可分為兩種情況CCD本身就對(duì)紅外敏感，故探測(cè)、轉(zhuǎn)移功能于一體。紅外探測(cè)器與CCD作在同一基底上，基底通常為Si，而探測(cè)器部分常用非本征材料，基本結(jié)構(gòu)為金屬－絕緣物－半導(dǎo)體。典型情況分：本征窄帶半導(dǎo)體IR-CCD非本征半導(dǎo)體IR-CCD肖特基勢(shì)壘IR－CCD-2023/7/22肖特基勢(shì)壘光電探測(cè)器－工作原理工作原理：金屬淀積在半導(dǎo)體表面而形成的具有單向?qū)щ姡髯饔玫慕饘侔雽?dǎo)體接觸－肖特基勢(shì)壘隧道效應(yīng)：隨著摻雜濃度提高，空間電荷區(qū)變窄，肖特基勢(shì)壘變薄，出現(xiàn)穿透幾率迅速升高，穿透形成的電流為隧道電流，該隧道電流會(huì)超過(guò)熱電子發(fā)射產(chǎn)生的電流。半導(dǎo)體中的費(fèi)米能級(jí)高于金屬中的費(fèi)米能級(jí)，兩者接觸后，為使費(fèi)米能級(jí)達(dá)到平衡，在接觸面電子流向金屬，電子電荷分布在金屬層10-10m以內(nèi)，半導(dǎo)體的表面層形成空間電荷區(qū)厚幾個(gè)μm。結(jié)果，半導(dǎo)體附近能帶彎曲，形成勢(shì)壘，勢(shì)壘阻擋金屬與半導(dǎo)體內(nèi)的電子交換，形成高阻層。正偏時(shí)，肖特基勢(shì)壘不變，金屬流向半導(dǎo)體的電子數(shù)不變，形成大正向電流。反偏時(shí)，流過(guò)勢(shì)壘的電子流主要為金屬向半導(dǎo)體方向，故電流很小，所以肖特基勢(shì)壘只能單向?qū)щ?。肖特基?shì)壘光二極管結(jié)構(gòu)-2023/7/22肖特基勢(shì)壘光電探測(cè)器－工作原理流經(jīng)肖特基勢(shì)壘的電子流密度主要經(jīng)過(guò)四個(gè)過(guò)程半導(dǎo)體電子越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入金屬－熱發(fā)射；電子由量子力學(xué)隧道穿過(guò)勢(shì)壘；－隧道電流；空間電荷區(qū)電子與空穴的復(fù)合；金屬向半導(dǎo)體的少數(shù)載流子（空穴）注入。對(duì)于理想的肖特基勢(shì)壘二極管，通常以1過(guò)程為主，并可忽略少數(shù)載流子的注入影響。正偏壓下肖特基勢(shì)壘的載流子輸運(yùn)過(guò)程-2023/7/22肖特基勢(shì)壘光電探測(cè)器－工作原理工作原理：輻射透過(guò)硅照在硅化物上產(chǎn)生熱空穴，這些空穴能越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入到硅基底，從而在硅化物一邊的電極上積累負(fù)電荷，形成信號(hào)，由于鋁層的反射作用，硅化物對(duì)輻射的吸收增強(qiáng)，可使靈敏度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。改進(jìn)的肖特基勢(shì)壘IR-CCD

肖特基勢(shì)壘工作原理-2023/7/22肖特基勢(shì)壘光電探測(cè)器－工作模式Eg>hυ>eφB,V<VB-擊穿電壓，金屬中的激發(fā)電子穿過(guò)肖特基勢(shì)壘，收集于半導(dǎo)體；hυ>Eg,V<VB-入射輻射產(chǎn)生電子空穴對(duì)，P-I-N光電二極管模式hυ>Eg,V≈VB高反偏壓，雪崩光二極管工作模式。肖特基勢(shì)壘光二極管的幾種工作方式應(yīng)用特點(diǎn)：可直接用Si集成電路工藝，制成FPA?；跓犭娮影l(fā)射的原理，其均勻性比一般的紅外探測(cè)器（由于其載流子壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度，合金組分不均勻）FPA強(qiáng)100倍。典型材料：PtSi陣列，工作波段3~5μm-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測(cè)器－混成式根本特點(diǎn)：把探測(cè)器和CCD移位寄存器分開(kāi)，CCD仍用普通硅制成，工藝相對(duì)成熟，而對(duì)幾個(gè)重要的紅外波段，都已經(jīng)發(fā)展了性能優(yōu)良的本征紅外探測(cè)器。因此，將兩者耦合起來(lái)組成混合焦平面技術(shù)，能獲得高量子效率高性能的紅外FPA。前照結(jié)構(gòu)：探測(cè)器在前面受到照射，電信號(hào)就在這同一面上被抽出。－填充因子受到一定影響。背照結(jié)構(gòu)：要求鑲嵌探測(cè)器有薄的光敏層，在光敏層上吸收輻射，產(chǎn)生的光生載流子從背面擴(kuò)散到前面，被P-N結(jié)檢測(cè)到信號(hào)。－填充因子高，目前FPA大多基于這種結(jié)構(gòu)?；旌匣ミB方式混合紅外焦平面(a)前照射結(jié)構(gòu)(b)背照射結(jié)構(gòu)-2023/7/2210.5.紅外焦平面陣列探測(cè)器－Z平面技術(shù)根本特點(diǎn)：不同于單片式與混成式的二維FPA方式，所謂Z平面：是一塊立體的FPA，這是將信號(hào)讀出及處理功能的芯片（包括低噪聲前放、濾波器和多路傳輸?shù)龋┎捎茂B層的方式組裝起來(lái)，形成信號(hào)處理模塊，再把模塊與探測(cè)器和輸入／輸出線等連接在一起。該技術(shù)可用于光導(dǎo)型、光伏型等各種探測(cè)器信號(hào)的讀出／處理。Z平面焦平面陣列原理示意圖-2023/7/2210.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器非制冷焦平面熱成像技術(shù)的特點(diǎn)特點(diǎn)由于沒(méi)有制冷系統(tǒng)，故具有低成本、低功耗、長(zhǎng)壽命、小型化和可靠性等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前熱成像技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。非制冷焦平面探測(cè)器的類型熱電型非制冷焦平面陣列鈦酸鍶鋇(BaxSr1-xTiO3,BST)：美國(guó)德克薩斯儀器公司(TI)，80年代末至90年代初鈦酸鋯鉛(PbxZi1-xTiO3,PZT)和鈦酸鈧鉛(PST)：英國(guó)GEC-馬可尼材料技術(shù)公司(GMMT)，90年代初微測(cè)輻射熱計(jì)(Micro-Bolometer)非制冷焦平面陣列美國(guó)Honeywell公司電阻型VOx非制冷焦平面探測(cè)器(90年代初)法國(guó)Sofradir公司研制并批量生產(chǎn)多晶硅型非制冷焦平面；澳大利亞國(guó)防科技署采用非晶、微晶和多晶等研制成功單片式非致冷焦平面；日本防衛(wèi)廳技術(shù)研究和開(kāi)發(fā)研究所溫差電堆熱像傳感器。非致冷焦平面技術(shù)的應(yīng)用-2023/7/22

熱釋電型非制冷焦平面陣列BST器件采用1英寸40腳DIP封裝,328245像元，像元尺寸48.548.5m2，包括探測(cè)器恒溫?zé)犭娭吕淦?、溫度傳感器及機(jī)械斬波器。現(xiàn)已研制出640480元陣列，像元尺寸20~30m的焦平面陣列。系統(tǒng)重量約1.36kg,NETD<0.1K,視頻信號(hào),可探測(cè)700m遠(yuǎn)的人，性能雖只是致冷型熱像儀的1/3左右，但價(jià)格只有1/10。TI公司建立非致冷傳感器生產(chǎn)線,96年100套/月，97年提高到1000套/月，上世紀(jì)末提高到5000套/月。美國(guó)Loral紅外成像系統(tǒng)公司研制熱釋電焦平面陣列192128，像元尺寸為3535m2，典型的NETD<0.1K(f/1)。10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22熱釋電型非制冷焦平面陣列PZT非制冷焦平面90年已制成直徑為10m，間距為100m(現(xiàn)間距為40m)的100100像元探測(cè)器陣列，用于為國(guó)防研究局(DRA)/英國(guó)宇航公司的新一代輕型反裝甲武器NLAW4的輕型夜間瞄準(zhǔn)具、Pyro2500Gecsentry

手持熱像儀和美國(guó)Cairn公司消防頭盔熱像儀；93年GMMT收到英國(guó)國(guó)防部STAIRS計(jì)劃A類裝置的武器瞄準(zhǔn)具演示器合同，STAIRSA推薦新一族熱瞄具最終來(lái)取代英國(guó)TICM設(shè)備系列；94年DRA和GMMT研制出256128像元,節(jié)距為56m的探測(cè)器陣列(鈦酸鈧鉛PST)，并在96年得到384288像元，節(jié)距為40m的探測(cè)器陣列，典型的NETD為0.1K，并可望達(dá)到0.05K。10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22Honeywell公司開(kāi)發(fā)的微測(cè)輻射熱計(jì)10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器微測(cè)輻射熱計(jì)：以VOx，多晶硅或非晶硅等薄膜為熱敏材料，采用微機(jī)械加工技術(shù)(MEMS)把探測(cè)器做成微橋結(jié)構(gòu)，探測(cè)器在IC－CMOS讀出電路襯底上做成懸空的微橋，使之形成良好的熱隔離探測(cè)器吸收紅外輻射，產(chǎn)生溫升，熱敏材料的電阻率發(fā)生變化，在外接電路的作用下輸出響應(yīng)信號(hào)。與熱釋電FPA相比：采用硅集成技術(shù)，成本低，有好的線性響應(yīng)和高動(dòng)態(tài)范圍，像元間絕緣性好，串音少，圖像清晰度高低1/f噪聲，高幀速，和潛在的高靈敏度（理論上可達(dá)0.01K)。但偏置電路功耗大，噪聲帶寬寬。-2023/7/2210.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器微測(cè)輻射熱計(jì)陣列Honeywell公司VOx非制冷焦平面采用5050m2像元,像元數(shù)320240(336240),電阻溫度系數(shù)TCR典型范圍為1.5~2.5%，NETD=0.04~0.06K，功耗約40mW。專利轉(zhuǎn)讓給Amber工程公司、波音北美公司、休斯圣巴巴拉研究中心SBRC、聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)公司及洛克希德·馬丁公司。1996年Amber公司推出非致冷測(cè)輻射熱計(jì)熱像儀,工作波段8~14m，NETD=0.1K(f/1)，重量1.9kg，體積9.510.725.4cm3，視頻輸出(30幀/秒)，可與256256像元的InSb焦平面熱像儀圖像質(zhì)量相媲美。1997年SBRC研制的非致冷測(cè)輻射熱計(jì)焦平面熱像儀；北美波音公司已成為氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列的批發(fā)供應(yīng)商，其陣列產(chǎn)品的型號(hào)為U3000，60Hz幀頻提供單通道的信號(hào)輸出。Honeywell公司開(kāi)發(fā)的微測(cè)輻射熱計(jì)-2023/7/22微測(cè)輻射熱計(jì)陣列法國(guó)Sofradir公司批量生產(chǎn)多晶硅型非制冷焦平面探測(cè)器是目前可能進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)的非制冷焦平面技術(shù)。其他非制冷焦平面探測(cè)器日本防衛(wèi)廳和日本電氣公司用N型和P型多晶硅作熱電材料制作出了128×128像元的熱電堆焦平面陣列10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器

熱電堆紅外焦平面陣列的像元結(jié)構(gòu)

-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用美國(guó)陸軍的便攜式發(fā)射后不管的“標(biāo)槍”反坦克武器；美國(guó)陸軍總結(jié)沙漠風(fēng)暴經(jīng)驗(yàn)后，提出布雷德利戰(zhàn)車(BFV)配備184套駕駛員視覺(jué)增強(qiáng)器DVE的改造計(jì)劃，DVE還將用于HEMTT、PLS、FMTV等陸軍后勤車輛上;美國(guó)陸軍已研制成功類似AN/PVS－5的頭盔夜視儀，重量約1.3kg，其中傳感器重量只有0.68kg;美軍夜視和電子傳感器已訂購(gòu)30具改進(jìn)型樣機(jī)；聯(lián)合技術(shù)系統(tǒng)公司將非致冷紅外技術(shù)應(yīng)用于軍事項(xiàng)目，如精確制導(dǎo)彈藥和子母彈系統(tǒng)、微輻射熱計(jì)與雷達(dá)傳感器組成的具有探測(cè)、捕獲和跟蹤功能的先進(jìn)雙模尋的器、遠(yuǎn)距離警戒系統(tǒng)及目標(biāo)單獨(dú)作戰(zhàn)武器計(jì)劃的武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，認(rèn)為對(duì)于向21世紀(jì)步兵提供先進(jìn)能力具有積極作用；10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22

非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用荷蘭皇家陸軍與SignaalUSFA公司和Delft傳感器公司簽訂合同，研制輕型紅外觀察夜視(LION)非致冷熱瞄具，96年中完成樣機(jī)，97年交付300套產(chǎn)品。LION采用GMMT的256128元的PST探測(cè)器陣列，工作波段8~13m，配105視場(chǎng)的3光學(xué)系統(tǒng)，重量2kg，體積102024cm3，功耗7W，啟動(dòng)時(shí)間<5s，平均故障間隔時(shí)間MTBF>5000h，2m以外就聽(tīng)不到噪聲。在良好能見(jiàn)度下，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)坦克的探測(cè)、識(shí)別和認(rèn)清的距離分別為2240m/790m/400m，而在能見(jiàn)度較差時(shí)分別為1630m/705m/375m；TI公司“夜瞄具”200系列攝像機(jī)是目前標(biāo)價(jià)最低的非致冷熱像儀，本土價(jià)約8100美元，主要為警用和汽車夜間駕駛儀；洛克希德·馬丁紅外成像系統(tǒng)公司LTC500攝像機(jī)用于醫(yī)學(xué)研究和醫(yī)療診斷；IRSolutions公司的IRSnapshot攝像機(jī)用于檢測(cè)和預(yù)防維修，可提供假彩色圖像顯示，NETD約0.2K。10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用美國(guó)ElectroPhysics公司95年研制了民用非制冷焦平面熱像儀PV320,采用BST320240陣列，光譜響應(yīng)2~14m，像元尺寸48.548.5m2,MRTD<0.2C(@22C)，測(cè)溫范圍-18~523C，水平分辨力>300TVL，體積1411.411.4cm3，重量2.27kg,工作溫度-40C~54C，存貯溫度-40C~80C，輸出視頻信號(hào)RS-170(60HzB&W)。外形設(shè)計(jì)類似攝像頭，價(jià)格較低，適合于二次研究和開(kāi)發(fā)。價(jià)格<US$2萬(wàn)元。EP公司與LifesightFireResearch公司開(kāi)發(fā)了消防熱像儀LifesightPlus,體積26.71415.2cm3,重量2.7kg,功耗9W,視場(chǎng)角50,焦距18mm,全防水,帶有300m圖像發(fā)射功能,可供前線指揮員了解現(xiàn)場(chǎng)情況。97年美國(guó)緬因州南波特蘭市消防局對(duì)正在使用的消防熱像儀Iris,ISI,Argus和LifesightPlus進(jìn)行了客觀的性能測(cè)評(píng)，LifesightPlus最佳，將成為該消防局今后的主選型號(hào)之一,價(jià)格<US$2.5萬(wàn)元;10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的應(yīng)用瑞典Agema公司TV-570熱像儀采用微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面探測(cè)器，外形類似“掌中寶”，價(jià)格約60萬(wàn)。美國(guó)Inframetrics公司ThermacamUltraX95系列熱像儀采用微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面，外形類似“掌中寶”，價(jià)格約65萬(wàn)；上述公司目前均被美國(guó)FLIR公司收購(gòu)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)得到主要是法國(guó)Sofradir公司生產(chǎn)的多晶硅型非制冷焦平面探測(cè)器。10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

歐美已形成幾個(gè)技術(shù)聯(lián)盟：英國(guó)DRA、美國(guó)紅外測(cè)量公司的非制冷技術(shù)再投資聯(lián)盟(ULTRA)、洛拉爾紅外和成像系統(tǒng)公司的紅外非制冷傳感器聯(lián)盟(CIRUS)、TI公司的第三個(gè)團(tuán)體以及日本的非制冷焦平面技術(shù)研究機(jī)構(gòu)。美國(guó)的三個(gè)團(tuán)體1995年以來(lái)一直實(shí)施平行的技術(shù)再投資計(jì)劃，與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局保持聯(lián)系。目前非制冷紅外焦平面探測(cè)器在歐美本土隨批量有較大的價(jià)格變動(dòng)空間，最底已可達(dá)$1萬(wàn)美元以下,整機(jī)系統(tǒng)價(jià)格可在$2萬(wàn)美元左右，但普遍認(rèn)為隨著技術(shù)進(jìn)步和大批量生產(chǎn)，將使性能提高而價(jià)格大幅度地降低。目前兩種非制冷焦平面技術(shù)途徑都具有良好的發(fā)展前景：測(cè)輻射熱計(jì)陣列不需斬波和工藝條件等原因，一般更看好其發(fā)展前景，但由于其需要偏置，存在功耗及發(fā)熱；DRA及TI對(duì)熱電非制冷焦平面技術(shù)的發(fā)展也充滿信心，TI公司、美國(guó)陸軍及美國(guó)聯(lián)合兩用計(jì)劃辦公室共同投資2400萬(wàn)美元，用于降低軍用和民用非制冷熱像儀的成本。10.6

非制冷焦平面陣列探測(cè)器-2023/7/22非制冷焦平面熱成像技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)信心來(lái)自市場(chǎng)需求和器件性能的發(fā)展，除軍事應(yīng)用外，非制冷紅外熱像儀在其它夜視、消防、工藝控制、質(zhì)量控制、機(jī)器人、搜索與救援、邊境巡邏、車輛防撞、警戒和醫(yī)療診斷等領(lǐng)域有良好的市場(chǎng)潛力。如美國(guó)每年對(duì)消防頭盔的需求就有10萬(wàn)具以上；目前在未來(lái)型車輛上安裝紅外熱像儀作為夜/霧觀察和/或威脅報(bào)警系統(tǒng)已成為多方面實(shí)施的步驟。

非制冷焦平面探測(cè)器掀起了紅外技術(shù)的一場(chǎng)革命，在目前非制冷技術(shù)發(fā)展初期要預(yù)測(cè)其未來(lái)的商業(yè)應(yīng)用，可能