非制冷紅外探測器領(lǐng)域?qū)＠暾埫}絡(luò)分析

張欣+王劍+楊嬌瑜+婁鶯

【摘要】 紅外探測器是能對外界紅外光輻射產(chǎn)生響應的光電傳感器，是紅外系統(tǒng)的核心，在軍事和民用領(lǐng)域都有廣泛的應用前景，也是目前傳感器領(lǐng)域發(fā)展的重點之一。本文關(guān)注非制冷紅外探測器的技術(shù)發(fā)展，并重點評述了以非晶硅和氧化釩為熱敏材料的非制冷紅外探測器在專利申請方面的進展與發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】 紅外 探測器 非制冷 焦平面陣列

一、引言

紅外光在電磁波段占據(jù)0.8-1000μm的范圍，而且根據(jù)普朗克黑體輻射公式，任何溫度高于絕對零度的物體都會發(fā)出與其特性相關(guān)的紅外輻射，而且根據(jù)紅外波長范圍包含的豐富信息，由此來檢測分析目的物，具有非常重要的價值。

根據(jù)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。其中，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(zhì)發(fā)生改變而實現(xiàn)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(fā)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(tǒng)成為一種必然的發(fā)展趨勢。非制冷紅外焦平面陣列主要是以微機電技術(shù)（MEMS）制備的熱傳感器為基礎(chǔ)，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。

二、非制冷紅外探測器技術(shù)發(fā)展及專利申請脈絡(luò)分析

非制冷紅外探測器是紅外熱成像技術(shù)的一個重要組成部分和重點發(fā)展方向，通過對該領(lǐng)域申請的發(fā)明專利進行統(tǒng)計來看，其發(fā)展可以分為以下三個階段。

2.1材料和工藝技術(shù)研發(fā)

上世紀90年代中期以前，主要是對體硅刻蝕和犧牲層工藝制備氮化硅微橋兩種技術(shù)以及熱敏材料進行了探索。技術(shù)上，早期的氮化硅微橋制備工藝一般是先在硅襯底上沉積氮化硅薄膜，利用光刻技術(shù)制備器件圖形，然后采用KOH等各向異性腐蝕液腐蝕體硅而成。由于濕法腐蝕工藝精度低，而且像元間距大，這就制約了像元尺寸縮小空間而無法提高像元數(shù)量，從而抑制了器件分辨率的提高。更為重要的是，隨著上世紀80年代末至今硅集成電路的迅猛發(fā)展，使得采用單片式結(jié)構(gòu)、以硅ROIC作為器件的圖像處理電路成為熱成像技術(shù)的主要特點，這樣濕法腐蝕體硅工藝就無法滿足工藝要求。由于PI、多晶硅薄膜淀積工藝與CMOS工藝兼容，在其上沉積氮化硅薄膜后可以采用濕法或干法刻蝕且不會對硅ROIC造成損害，是理想的犧牲層材料，同時在降低像元尺寸、提高像素上具有絕對優(yōu)勢。

在熱敏材料選擇上，Honeywell公司于1992年6月11日提交了題為“具有增強靈敏度的微測輻射熱計傳感器”的專利申請，公開號為WO9325877A1，該申請在美國、日本、加拿大、歐洲均被授予專利權(quán)，作為非制冷紅外探測器（微測輻射熱計）領(lǐng)域的一項基礎(chǔ)專利，其對微測輻射熱計型非制冷紅外探測器技術(shù)的發(fā)展具有重大的影響，且使得微測輻射熱計型非制冷紅外探測器由美國軍方的最高機密變成為公眾所知，通過專利許可和轉(zhuǎn)讓，使得相關(guān)公司在此基礎(chǔ)上又進行了不斷的改進，并應用到軍事、民用的各個領(lǐng)域中去。

另外，德克薩斯儀器公司（TI）在1992年提交了題為“應用于熱探測器中的鈦酸鍶鋇熱釋電探測材料”，公開號為US5314651A，在美國獲得授予專利權(quán)，開創(chuàng)了鈦酸鍶鋇作為熱釋電型紅外探測器的先河。

2.1器件陣列化

上世紀90年代中后期，隨著非制冷紅外焦平面陣列技術(shù)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(yōu)勢，使其在民用領(lǐng)域逐步得到廣泛應用，其中單片式、45x45μm2像素單元的320x240氧化釩微測輻射熱計陣列成為主流產(chǎn)品。

與此同時，非制冷熱成像技術(shù)成為世界各國許多商業(yè)機構(gòu)和研究單位競相開發(fā)的目標，美國的波音北美、洛克希德-馬丁、DRS、Raytheon、AMBER公司；日本的NEC、三菱公司；英國的BAE System公司；法國的UUS公司等都先后獲得了Honeywell公司的專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓，并且相繼推出了成熟的熱像儀產(chǎn)品，主要有DRS的U系列、Raytheon的SBRC系列、BAE的MicroIR系列等非制冷熱像儀。

此外，德克薩斯儀器公司（TI）在1994-1996年間提交了多份關(guān)于鈦酸鍶鋇熱釋電型非制冷紅外焦平面陣列探測器的開拓性專利申請，申請?zhí)柗謩e為US19940235835A、US19940225601A 、US19950476409A、US19950368066A、US19950368067A，且在美國、日本、歐洲、臺灣獲得專利權(quán)，從而一舉奠定了其在混合式熱釋電型紅外焦平面陣列探測器領(lǐng)域的領(lǐng)軍地位。此后，英國的GEC-馬可尼材料技術(shù)公司對熱釋電型紅外焦平面陣列探測器進行了改良，使得熱釋電紅外焦平面陣列探測器的性能進一步得到提高。

2.3 新技術(shù)發(fā)展

從本世紀初至今，主要致力于研制基于亞微米工藝、信號處理功能強大的硅ROIC，并以此降低微測輻射熱計的功耗，延長熱像儀的工作時間以滿足單兵野外作戰(zhàn)的要求；同時進一步減小像素尺寸、增大面陣像素值、降低NETD、提高分辨率。目前，非制冷紅外焦平面陣列（UIRFPA）已成為國際上研究的熱點之一，除美國有DRS、Raytheon等多家公司外，日本、俄羅斯、英國、以色列、法國和加拿大等國家也加大了這一方面的研究投入，并先后向熱成像市場推出25x25μm2像素單元的480x640焦平面陣列，17x17μm2像素單元已在研發(fā)中。

此外，新材料、新結(jié)構(gòu)的非制冷焦平面陣列研發(fā)也取得較大進展，而其中基于非晶硅（a-Si）的UIRFPA逐年呈上升趨勢，主要代表是法國的Sofradir公司的子公司ULIS，包括名為“基于非晶硅的紅外焦平面陣列探測器”，公開號為US7138630B2的發(fā)明專利。ULIS公司先后推出320x240、640x480的UL系列a-Si微測輻射熱計焦平面探測器，像元尺寸由早期的45x45μm2、35x35μm2逐漸減小到25x25μm2，熱響應時間僅為7ms，幀數(shù)可達60Hz，而NETD也降到30mK，接近氧化釩非制冷焦平面陣列的性能。

與氧化釩材料相比，a-Si具有更高的熱導率低和機械強度，其基于此材料的微測輻射熱計更適應自懸浮支撐的結(jié)構(gòu)，同時該材料制備工藝與傳統(tǒng)半導體工藝兼容，更適應大規(guī)模生產(chǎn)。

三、發(fā)展趨勢

a-Si非制冷紅外探測器的發(fā)展趨勢主要包括：進一步減少像元尺寸，提高工藝兼容性，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，以達到縮小尺寸、降低成本的目的；提高探測器靈敏度，以低成本生產(chǎn)像元間距更小的高性能器件；優(yōu)化熱敏感膜材料性能和微橋結(jié)構(gòu)，提高探測器的吸收率和填充因子；擴展非制冷紅外探測器工作溫度范圍，實現(xiàn)對不同目標能自動調(diào)節(jié)窗口的智能化；提高非制冷紅外探測器的可調(diào)諧性，使其能以大動態(tài)范圍來適應工業(yè)應用，而以小的噪聲等效溫差（NETD）來適應醫(yī)學應用；發(fā)展中波非制冷紅外探測器，最終實現(xiàn)中長波雙色、多光譜的非制冷紅外探測器，逐步代替昂貴的制冷型紅外探測器。

參 考 文 獻

[1] Horn S. Uncooled sensor tech technology. Proceeding of SPIE， 1993，2020：304-323.

[2] Shie J S， Chen Y M， Yang M O， et al. Characterization and modeling of metal-film microbolometer. J. Microelectromech. Syst.， 1996，5（4）：298-316.