紅外探測器領域初探

王劍+張欣+楊嬌瑜+婁鶯

【摘要】 紅外探測器是能對外界紅外光輻射產生響應的光電傳感器，是目前傳感器領域發展的重點之一。本文介紹了紅外探測器技術，梳理了紅外探測器的起源與技術發展趨勢，尤其關注非制冷紅外探測器的技術發展。

【關鍵詞】 紅外探測器 非制冷 制冷

一、引言

紅外探測器是紅外系統的核心，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵部件，利用它制成的探測器是軍事、氣象、農業、工業、醫學等方面需要的設備，它涉及物理、材料等基礎科學和光學、機械、微電子和計算機等多學科領域的綜合科學技術。紅外探測器目前主要應用在軍事裝備上，進行夜視、遙感、偵查和制導等，它能透過煙、塵、霧、陰影、樹叢等，探測重要軍事目標，能實現全天候被動遠距離探測。尤其在近十年來的現代化戰爭，擁有紅外預警、制導和夜視技術的一方，基本都在戰場上占據了主動。因此，世界各國對紅外探測器的發展給予了大量的關注。

二、紅外探測器技術分類

根據探測機理的不同，可把紅外探測器分為制冷型探測器和非制冷型探測器兩大類，如表1所示。

表1 紅外探測器的分類

類型 典型敏感材料 特點

制冷

探測

器 光導型（光敏電阻） HgCdTe，PbS，PbSe 靈敏度高、響應速度快、具有較高的響應頻率，一般需在低溫下工作，探測波段較窄

光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

光發射-肖特基勢壘探測器 PtSi/Si，IrSi/Si

量子阱探測器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

非制

冷探

測器 熱電堆/熱電偶 Au/Poly Si 響應時間較長、靈敏度較低、響應波段寬，可以在室溫下工作、使用簡單

熱釋電 BST薄膜，鐵電PZT

光機械 Au/SiNx 雙金屬片

微測輻射熱計 氧化釩、非晶硅

2.1 制冷型紅外探測器

制冷型紅外探測器一般是指利用半導體材料的光子效應制成的探測器，在探測器吸收光子后，本身發生電子狀態的改變，從而引起光伏或光電導等現象；

制冷型紅外探測器系統如蹄鎘汞（HgCdTe）探測器（工作在8-14μm波段）和銻化錮（Insb）探測器（工作在3-5μm波段）的靈敏度、響應速度、探測距離等性能都比較高，但都必須用低溫制冷器進行制冷，而且紅外成像系統幾乎都要使用機械掃描裝置，因而整個紅外成像系統顯得結構復雜并且成本很高。而且，部分高性能的光子型紅外探測器很難實現硅基單片式結構，需要通過混合集成方式將探測器與讀出電路相連。

2.2 非制冷型紅外探測器

非制冷型紅外探測器，又稱為室溫紅外探測器，是指利用探測器接收紅外輻射后自身溫度開始升高，從而引起熱敏元件的物理性質發生改變而實現對紅外光進行檢測的探測器。

室溫紅外探測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，可靠性好。因此，研究開發重量輕、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成為一種必然的發展趨勢。非制冷紅外焦平面陣列主要是以微機電技術（MEMS）制備的熱傳感器為基礎，大致可分為以下幾種類型：熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機械、微測輻射熱計。

熱電堆室溫紅外探測器及其陣列是最早研究并實用化的紅外成像器件之一，它通過測量多晶硅/金屬或雙摻雜的多晶硅熱堆的熱電勢來探測紅外輻射。其工作原理是利用由逸出功不同的兩種導電材料所組成的閉合回路，當兩接觸點處溫度不同時，由于溫度梯度使得材料內部的載流子向溫度低的一端移動，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產生熱電勢。因而，通過測量熱電堆兩端的電壓的變化，可以探測出紅外輻射的強弱。

熱釋電型非制冷紅外焦平面陣列的探測原理是：紅外輻射使材料的溫度發生變化，引起材料的自發極化強度變化，在垂直于自發極化方向的兩個晶面出現感應電荷。因而，可以通過測量感應電荷量或電壓的大小，探測紅外輻射的強弱。熱釋電材料大多采用鐵電材料，如鉭酸鋰（LiTaO3）、鉭鈮酸鉀（KTN）和鈦酸鉛（PbTiO3）等。

光機械室溫紅外探測器是利用雙層的懸臂梁結構，當懸臂梁結構收到紅外輻射后溫度升高并彎曲，其端點的彎曲位移量正比于升溫的大小，同時也正比于雙金屬材料的熱膨脹系數之差，并可以采用光調制的方法讀出位移量。

微測輻射熱計是近年來發展勢頭最為迅猛的紅外焦平面之一，是一種電阻型熱傳感器，通過探測紅外輻射引起熱敏電阻的變化而獲得目標的紅外信息，繼而轉換成目標圖像。熱敏電阻型非制冷紅外焦平面陣列使用的熱敏電阻探測材料主要有：氧化釩（VOx）、非晶硅（α-Si）、鈦（Ti）、釔鋇銅氧（YbaCuO）等，其最重要的參數是電阻溫度系數（TCR：Temperature Coeffi-cient of Resistance）。它利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化，來探測紅外輻射的強弱。

紅外焦平面陣列（IRFPA：Infrared Focal Plane Array）是具有對紅外輻射敏感，并兼有信號處理功能的新一代紅外探測器件。自從70年代后期提出紅外焦平面陣列這個概念以來，它的發展十分活躍，已經研制出單片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列紅外焦平面陣列。二十世紀九十年代，隨著非制冷紅外焦平面陣列技術的突破，非制冷紅外熱像儀的靈敏度大幅提高，同時由于其具有的低成本、低功耗、長壽命、小型化和高可靠性等優勢，使其在民用領域逐步得到廣泛應用，包括：電力設備故障檢測、消防救助、火災監控、工藝監控、醫療測溫、車船夜行、公安偵察、環境保護等方面，幾乎涉及到社會生活的各個領域，并有部分取代制冷型紅外熱像儀的趨勢。

目前世界上只有美國、法國、日本、以色列四個國家擁有非制冷焦平面探測器產業化生產的能力，其核心技術僅有美國和法國兩個國家掌握，日本和以色列則由美國取得技術專利許可，在其國內生產和有限制地使用。

而國內在非制冷紅外成像方面的公司主要有浙江大立、廣州颯特和武漢高德等，另外，一些大專院校或研究所，如電子科技大學、華中科技大學、中科院上海技術物理研究所、兵器211所等，也都在進行相關基礎研究。

三、發展趨勢

雖然非制冷紅外探測器的探測率目前還不及光子型（即制冷型）IRFPA的高，已裝備的非制冷紅外熱成像儀的NETD通常為20～100mK，但是憑借其低成本和高性價比，在中、低端的軍用和民用市場均有著廣泛的應用前景，在科研創新方面得到極大的關注，是紅外探測器技術發展的重要方向。

參 考 文 獻

[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

[2] 張敬賢，李玉丹，金偉其。微光與紅外成像[M]。北京：北京理工大學出版社，1995，226。

[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12（2）：241-245.

【摘要】 紅外探測器是能對外界紅外光輻射產生響應的光電傳感器，是目前傳感器領域發展的重點之一。本文介紹了紅外探測器技術，梳理了紅外探測器的起源與技術發展趨勢，尤其關注非制冷紅外探測器的技術發展。

【關鍵詞】 紅外探測器 非制冷 制冷

一、引言

紅外探測器是紅外系統的核心，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵部件，利用它制成的探測器是軍事、氣象、農業、工業、醫學等方面需要的設備，它涉及物理、材料等基礎科學和光學、機械、微電子和計算機等多學科領域的綜合科學技術。紅外探測器目前主要應用在軍事裝備上，進行夜視、遙感、偵查和制導等，它能透過煙、塵、霧、陰影、樹叢等，探測重要軍事目標，能實現全天候被動遠距離探測。尤其在近十年來的現代化戰爭，擁有紅外預警、制導和夜視技術的一方，基本都在戰場上占據了主動。因此，世界各國對紅外探測器的發展給予了大量的關注。

二、紅外探測器技術分類

根據探測機理的不同，可把紅外探測器分為制冷型探測器和非制冷型探測器兩大類，如表1所示。

表1 紅外探測器的分類

類型 典型敏感材料 特點

制冷

探測

器 光導型（光敏電阻） HgCdTe，PbS，PbSe 靈敏度高、響應速度快、具有較高的響應頻率，一般需在低溫下工作，探測波段較窄

光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

光發射-肖特基勢壘探測器 PtSi/Si，IrSi/Si

量子阱探測器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

非制

冷探

測器 熱電堆/熱電偶 Au/Poly Si 響應時間較長、靈敏度較低、響應波段寬，可以在室溫下工作、使用簡單

熱釋電 BST薄膜，鐵電PZT

光機械 Au/SiNx 雙金屬片

微測輻射熱計 氧化釩、非晶硅

2.1 制冷型紅外探測器

制冷型紅外探測器一般是指利用半導體材料的光子效應制成的探測器，在探測器吸收光子后，本身發生電子狀態的改變，從而引起光伏或光電導等現象；

制冷型紅外探測器系統如蹄鎘汞（HgCdTe）探測器（工作在8-14μm波段）和銻化錮（Insb）探測器（工作在3-5μm波段）的靈敏度、響應速度、探測距離等性能都比較高，但都必須用低溫制冷器進行制冷，而且紅外成像系統幾乎都要使用機械掃描裝置，因而整個紅外成像系統顯得結構復雜并且成本很高。而且，部分高性能的光子型紅外探測器很難實現硅基單片式結構，需要通過混合集成方式將探測器與讀出電路相連。

2.2 非制冷型紅外探測器

非制冷型紅外探測器，又稱為室溫紅外探測器，是指利用探測器接收紅外輻射后自身溫度開始升高，從而引起熱敏元件的物理性質發生改變而實現對紅外光進行檢測的探測器。

室溫紅外探測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，可靠性好。因此，研究開發重量輕、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成為一種必然的發展趨勢。非制冷紅外焦平面陣列主要是以微機電技術（MEMS）制備的熱傳感器為基礎，大致可分為以下幾種類型：熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機械、微測輻射熱計。

熱電堆室溫紅外探測器及其陣列是最早研究并實用化的紅外成像器件之一，它通過測量多晶硅/金屬或雙摻雜的多晶硅熱堆的熱電勢來探測紅外輻射。其工作原理是利用由逸出功不同的兩種導電材料所組成的閉合回路，當兩接觸點處溫度不同時，由于溫度梯度使得材料內部的載流子向溫度低的一端移動，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產生熱電勢。因而，通過測量熱電堆兩端的電壓的變化，可以探測出紅外輻射的強弱。

熱釋電型非制冷紅外焦平面陣列的探測原理是：紅外輻射使材料的溫度發生變化，引起材料的自發極化強度變化，在垂直于自發極化方向的兩個晶面出現感應電荷。因而，可以通過測量感應電荷量或電壓的大小，探測紅外輻射的強弱。熱釋電材料大多采用鐵電材料，如鉭酸鋰（LiTaO3）、鉭鈮酸鉀（KTN）和鈦酸鉛（PbTiO3）等。

光機械室溫紅外探測器是利用雙層的懸臂梁結構，當懸臂梁結構收到紅外輻射后溫度升高并彎曲，其端點的彎曲位移量正比于升溫的大小，同時也正比于雙金屬材料的熱膨脹系數之差，并可以采用光調制的方法讀出位移量。

微測輻射熱計是近年來發展勢頭最為迅猛的紅外焦平面之一，是一種電阻型熱傳感器，通過探測紅外輻射引起熱敏電阻的變化而獲得目標的紅外信息，繼而轉換成目標圖像。熱敏電阻型非制冷紅外焦平面陣列使用的熱敏電阻探測材料主要有：氧化釩（VOx）、非晶硅（α-Si）、鈦（Ti）、釔鋇銅氧（YbaCuO）等，其最重要的參數是電阻溫度系數（TCR：Temperature Coeffi-cient of Resistance）。它利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化，來探測紅外輻射的強弱。

紅外焦平面陣列（IRFPA：Infrared Focal Plane Array）是具有對紅外輻射敏感，并兼有信號處理功能的新一代紅外探測器件。自從70年代后期提出紅外焦平面陣列這個概念以來，它的發展十分活躍，已經研制出單片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列紅外焦平面陣列。二十世紀九十年代，隨著非制冷紅外焦平面陣列技術的突破，非制冷紅外熱像儀的靈敏度大幅提高，同時由于其具有的低成本、低功耗、長壽命、小型化和高可靠性等優勢，使其在民用領域逐步得到廣泛應用，包括：電力設備故障檢測、消防救助、火災監控、工藝監控、醫療測溫、車船夜行、公安偵察、環境保護等方面，幾乎涉及到社會生活的各個領域，并有部分取代制冷型紅外熱像儀的趨勢。

目前世界上只有美國、法國、日本、以色列四個國家擁有非制冷焦平面探測器產業化生產的能力，其核心技術僅有美國和法國兩個國家掌握，日本和以色列則由美國取得技術專利許可，在其國內生產和有限制地使用。

而國內在非制冷紅外成像方面的公司主要有浙江大立、廣州颯特和武漢高德等，另外，一些大專院校或研究所，如電子科技大學、華中科技大學、中科院上海技術物理研究所、兵器211所等，也都在進行相關基礎研究。

三、發展趨勢

雖然非制冷紅外探測器的探測率目前還不及光子型（即制冷型）IRFPA的高，已裝備的非制冷紅外熱成像儀的NETD通常為20～100mK，但是憑借其低成本和高性價比，在中、低端的軍用和民用市場均有著廣泛的應用前景，在科研創新方面得到極大的關注，是紅外探測器技術發展的重要方向。

參 考 文 獻

[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

[2] 張敬賢，李玉丹，金偉其。微光與紅外成像[M]。北京：北京理工大學出版社，1995，226。

[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12（2）：241-245.

【摘要】 紅外探測器是能對外界紅外光輻射產生響應的光電傳感器，是目前傳感器領域發展的重點之一。本文介紹了紅外探測器技術，梳理了紅外探測器的起源與技術發展趨勢，尤其關注非制冷紅外探測器的技術發展。

【關鍵詞】 紅外探測器 非制冷 制冷

一、引言

紅外探測器是紅外系統的核心，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵部件，利用它制成的探測器是軍事、氣象、農業、工業、醫學等方面需要的設備，它涉及物理、材料等基礎科學和光學、機械、微電子和計算機等多學科領域的綜合科學技術。紅外探測器目前主要應用在軍事裝備上，進行夜視、遙感、偵查和制導等，它能透過煙、塵、霧、陰影、樹叢等，探測重要軍事目標，能實現全天候被動遠距離探測。尤其在近十年來的現代化戰爭，擁有紅外預警、制導和夜視技術的一方，基本都在戰場上占據了主動。因此，世界各國對紅外探測器的發展給予了大量的關注。

二、紅外探測器技術分類

根據探測機理的不同，可把紅外探測器分為制冷型探測器和非制冷型探測器兩大類，如表1所示。

表1 紅外探測器的分類

類型 典型敏感材料 特點

制冷

探測

器 光導型（光敏電阻） HgCdTe，PbS，PbSe 靈敏度高、響應速度快、具有較高的響應頻率，一般需在低溫下工作，探測波段較窄

光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

光發射-肖特基勢壘探測器 PtSi/Si，IrSi/Si

量子阱探測器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

非制

冷探

測器 熱電堆/熱電偶 Au/Poly Si 響應時間較長、靈敏度較低、響應波段寬，可以在室溫下工作、使用簡單

熱釋電 BST薄膜，鐵電PZT

光機械 Au/SiNx 雙金屬片

微測輻射熱計 氧化釩、非晶硅

2.1 制冷型紅外探測器

制冷型紅外探測器一般是指利用半導體材料的光子效應制成的探測器，在探測器吸收光子后，本身發生電子狀態的改變，從而引起光伏或光電導等現象；

制冷型紅外探測器系統如蹄鎘汞（HgCdTe）探測器（工作在8-14μm波段）和銻化錮（Insb）探測器（工作在3-5μm波段）的靈敏度、響應速度、探測距離等性能都比較高，但都必須用低溫制冷器進行制冷，而且紅外成像系統幾乎都要使用機械掃描裝置，因而整個紅外成像系統顯得結構復雜并且成本很高。而且，部分高性能的光子型紅外探測器很難實現硅基單片式結構，需要通過混合集成方式將探測器與讀出電路相連。

2.2 非制冷型紅外探測器

非制冷型紅外探測器，又稱為室溫紅外探測器，是指利用探測器接收紅外輻射后自身溫度開始升高，從而引起熱敏元件的物理性質發生改變而實現對紅外光進行檢測的探測器。

室溫紅外探測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，可靠性好。因此，研究開發重量輕、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成為一種必然的發展趨勢。非制冷紅外焦平面陣列主要是以微機電技術（MEMS）制備的熱傳感器為基礎，大致可分為以下幾種類型：熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機械、微測輻射熱計。

熱電堆室溫紅外探測器及其陣列是最早研究并實用化的紅外成像器件之一，它通過測量多晶硅/金屬或雙摻雜的多晶硅熱堆的熱電勢來探測紅外輻射。其工作原理是利用由逸出功不同的兩種導電材料所組成的閉合回路，當兩接觸點處溫度不同時，由于溫度梯度使得材料內部的載流子向溫度低的一端移動，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產生熱電勢。因而，通過測量熱電堆兩端的電壓的變化，可以探測出紅外輻射的強弱。

熱釋電型非制冷紅外焦平面陣列的探測原理是：紅外輻射使材料的溫度發生變化，引起材料的自發極化強度變化，在垂直于自發極化方向的兩個晶面出現感應電荷。因而，可以通過測量感應電荷量或電壓的大小，探測紅外輻射的強弱。熱釋電材料大多采用鐵電材料，如鉭酸鋰（LiTaO3）、鉭鈮酸鉀（KTN）和鈦酸鉛（PbTiO3）等。

光機械室溫紅外探測器是利用雙層的懸臂梁結構，當懸臂梁結構收到紅外輻射后溫度升高并彎曲，其端點的彎曲位移量正比于升溫的大小，同時也正比于雙金屬材料的熱膨脹系數之差，并可以采用光調制的方法讀出位移量。

微測輻射熱計是近年來發展勢頭最為迅猛的紅外焦平面之一，是一種電阻型熱傳感器，通過探測紅外輻射引起熱敏電阻的變化而獲得目標的紅外信息，繼而轉換成目標圖像。熱敏電阻型非制冷紅外焦平面陣列使用的熱敏電阻探測材料主要有：氧化釩（VOx）、非晶硅（α-Si）、鈦（Ti）、釔鋇銅氧（YbaCuO）等，其最重要的參數是電阻溫度系數（TCR：Temperature Coeffi-cient of Resistance）。它利用熱敏電阻的阻值隨溫度的變化，來探測紅外輻射的強弱。

紅外焦平面陣列（IRFPA：Infrared Focal Plane Array）是具有對紅外輻射敏感，并兼有信號處理功能的新一代紅外探測器件。自從70年代后期提出紅外焦平面陣列這個概念以來，它的發展十分活躍，已經研制出單片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列紅外焦平面陣列。二十世紀九十年代，隨著非制冷紅外焦平面陣列技術的突破，非制冷紅外熱像儀的靈敏度大幅提高，同時由于其具有的低成本、低功耗、長壽命、小型化和高可靠性等優勢，使其在民用領域逐步得到廣泛應用，包括：電力設備故障檢測、消防救助、火災監控、工藝監控、醫療測溫、車船夜行、公安偵察、環境保護等方面，幾乎涉及到社會生活的各個領域，并有部分取代制冷型紅外熱像儀的趨勢。

目前世界上只有美國、法國、日本、以色列四個國家擁有非制冷焦平面探測器產業化生產的能力，其核心技術僅有美國和法國兩個國家掌握，日本和以色列則由美國取得技術專利許可，在其國內生產和有限制地使用。

而國內在非制冷紅外成像方面的公司主要有浙江大立、廣州颯特和武漢高德等，另外，一些大專院校或研究所，如電子科技大學、華中科技大學、中科院上海技術物理研究所、兵器211所等，也都在進行相關基礎研究。

三、發展趨勢

雖然非制冷紅外探測器的探測率目前還不及光子型（即制冷型）IRFPA的高，已裝備的非制冷紅外熱成像儀的NETD通常為20～100mK，但是憑借其低成本和高性價比，在中、低端的軍用和民用市場均有著廣泛的應用前景，在科研創新方面得到極大的關注，是紅外探測器技術發展的重要方向。

參 考 文 獻

[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

[2] 張敬賢，李玉丹，金偉其。微光與紅外成像[M]。北京：北京理工大學出版社，1995，226。

[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12（2）：241-245.