紅外圖像傳感器技術(shù)發(fā)展路線

王鵬飛

摘 要：圖像傳感技術(shù)是在光電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是利用光電器件的光/電轉(zhuǎn)化功能將感光面捕獲的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光信號(hào)成對(duì)應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)、并對(duì)電信號(hào)處理獲得“圖像”的一門技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)紅外圖像傳感器的專利進(jìn)行分析，得出了該主題的大致技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞：光電 圖像 傳感器 技術(shù)發(fā)展

中圖分類號(hào)：TN216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0092-02

紅外圖像傳感器作為紅外成像設(shè)備的核心，主要是利用紅外輻射與對(duì)紅外光敏感的半導(dǎo)體材料（如HgCdTe、VOx等）[2]相互作用產(chǎn)生的各種效應(yīng)進(jìn)行工作，典型的例如光電材料，經(jīng)過(guò)紅外輻射后可以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電子，后續(xù)再通過(guò)電路處理將電子信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。通常，可以根據(jù)光敏材料的靈敏度將紅外圖像傳感器區(qū)分為制冷型器件和非制冷型器件。典型的制冷型器件包括InSb、HgCdTe、PtSi、GaAs/AlGaAs多量子阱等，典型的非制冷型器件包括多晶硅熱電堆、微測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電材料等。

筆者對(duì)紅外圖像傳感器的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理，如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是制冷型器件，還是非制冷型器件，初創(chuàng)及核心專利（主要涉及光敏材料）基本還是掌握在美國(guó)公司（如德州儀器、霍尼韋爾、雷神）手中。

1 制冷型紅外圖像傳感器

如上文所述，制冷型紅外圖像傳感器所采用的光敏材料主要包括InSb、HgCdTe、PtSi、GaAs/AlGaAs多量子阱等。為了獲得合適的靈敏度、降低噪聲，使用這些材料作為感光材料時(shí)一般需要額外配備制冷器，使其在低溫下運(yùn)作，特殊的工作環(huán)境要求就導(dǎo)致了器件難以小型化，并且成本難以降低，所以目前的制冷型紅外圖像傳感器一般應(yīng)用于軍事或特種領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域涉及得較少。

典型的制冷型紅外圖像傳感器可以參見(jiàn)圖1中德州儀器、霍尼韋爾、雷神、富士通等公司的專利申請(qǐng)。但是，由于其應(yīng)用領(lǐng)域較窄，在此不對(duì)制冷型紅外圖像傳感器做過(guò)多的介紹。

2 非制冷型紅外圖像傳感器

非制冷型紅外圖像傳感器所采用的光敏材料主要包括多晶硅熱電堆、微測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電材料。非制冷型紅外圖像傳感器能夠在室溫下正常工作，不需要額外的制冷器，因而能夠?qū)崿F(xiàn)小型化，因其質(zhì)量輕、功耗低、使用方便、價(jià)格低廉，而在民生領(lǐng)域得到廣泛的使用。

2.1 多晶硅熱電堆

可參見(jiàn)早期美國(guó)專利US3968360，附圖2（a）示意了一種多晶硅熱電堆結(jié)構(gòu)，其通過(guò)紅外線與熱電堆相互作用，在熱電堆兩側(cè)形成偏壓，進(jìn)而根據(jù)偏壓來(lái)反推紅外線輻射情況。然而，多晶硅對(duì)于紅外線的敏感度有限，該技術(shù)的實(shí)際效果不甚理想。后續(xù)開(kāi)發(fā)的改進(jìn)型熱電堆材料包括PtSi等。

2.2 熱釋電材料

熱釋電材料例如鐵電體薄膜，利用紅外線與薄膜材料的相互作用，獲得感應(yīng)電荷，再根據(jù)感應(yīng)電荷的強(qiáng)度來(lái)探測(cè)紅外輻射的情況，如US2015/0035110A1，圖2（b）示意了一種基于熱釋電薄膜的紅外圖像傳感器，但是該技術(shù)本身存在局限性，目前基本已被淘汰。

2.3 VOx薄膜

VOx薄膜的電阻溫度系數(shù)遠(yuǎn)高于大多數(shù)的金屬材料，并且對(duì)于紅外線及其敏感，最早由霍尼韋爾開(kāi)發(fā)出了基于VOx的微測(cè)輻射熱計(jì)，其利用紅外線與VOx相互作用，引發(fā)VOx的阻值變化，如WO93/25877，圖2（c）示意的是一種典型的基于VOx的紅外圖像傳感器，這是目前的主流技術(shù)。

2.4 非晶硅薄膜

利用紅外線與非晶硅薄膜相互作用，引起非晶硅薄膜電阻的阻值變化，通過(guò)CMOS電路將非晶硅薄膜的阻值變化轉(zhuǎn)變?yōu)椴罘蛛娏鞑⑦M(jìn)行積分放大，如US5021663，圖2（d）示意了一種典型的基于非晶硅薄膜的紅外圖像傳感器，這是目前的主流技術(shù)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的整理及分析可知，紅外圖像傳感器的發(fā)展主要在于光敏材料的更新迭代。目前為止，該領(lǐng)域的材料均由美國(guó)企業(yè)研發(fā)推出，雖然就全球?qū)＠偵暾?qǐng)量及全球主要申請(qǐng)人而言，美國(guó)并未體現(xiàn)出壓倒性的優(yōu)勢(shì)，其中全球主要申請(qǐng)人甚至呈現(xiàn)出被日本碾壓的態(tài)勢(shì)，但是考慮到美企（德州儀器、霍尼韋爾、雷神）掌握了基礎(chǔ)性的核心專利（VOx薄膜、非晶硅薄膜），美國(guó)仍是紅外圖像傳感器領(lǐng)域事實(shí)上的執(zhí)牛耳者。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷玉堂.紅外圖像傳感器技術(shù)及其在公共安全中的應(yīng)用[A].第三屆深圳國(guó)際智能交通與衛(wèi)星導(dǎo)航位置服務(wù)展覽會(huì)[C].2014.

[2] 馮濤，金偉其，司俊杰.非制冷紅外焦平面探測(cè)器及其技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)[J].紅外技術(shù)，2015，37（3）.