紅外圖像傳感器技術發展路線

王鵬飛

摘 要：圖像傳感技術是在光電技術基礎上發展起來的，是利用光電器件的光/電轉化功能將感光面捕獲的光信號轉換為與光信號成對應比例關系的電信號、并對電信號處理獲得“圖像”的一門技術，本文通過對紅外圖像傳感器的專利進行分析，得出了該主題的大致技術發展脈絡。

關鍵詞：光電 圖像 傳感器 技術發展

中圖分類號：TN216 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0092-02

紅外圖像傳感器作為紅外成像設備的核心，主要是利用紅外輻射與對紅外光敏感的半導體材料（如HgCdTe、VOx等）[2]相互作用產生的各種效應進行工作，典型的例如光電材料，經過紅外輻射后可以產生對應的電子，后續再通過電路處理將電子信號轉變為圖像。通常，可以根據光敏材料的靈敏度將紅外圖像傳感器區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、微測輻射熱計、熱釋電材料等。

筆者對紅外圖像傳感器的技術發展脈絡進行了梳理，如圖1所示，可以發現，無論是制冷型器件，還是非制冷型器件，初創及核心專利（主要涉及光敏材料）基本還是掌握在美國公司（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一般需要額外配備制冷器，使其在低溫下運作，特殊的工作環境要求就導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用于軍事或特種領域，在民用領域涉及得較少。

典型的制冷型紅外圖像傳感器可以參見圖1中德州儀器、霍尼韋爾、雷神、富士通等公司的專利申請。但是，由于其應用領域較窄，在此不對制冷型紅外圖像傳感器做過多的介紹。

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、微測輻射熱計、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，因而能夠實現小型化，因其質量輕、功耗低、使用方便、價格低廉，而在民生領域得到廣泛的使用。

2.1 多晶硅熱電堆

可參見早期美國專利US3968360，附圖2（a）示意了一種多晶硅熱電堆結構，其通過紅外線與熱電堆相互作用，在熱電堆兩側形成偏壓，進而根據偏壓來反推紅外線輻射情況。然而，多晶硅對于紅外線的敏感度有限，該技術的實際效果不甚理想。后續開發的改進型熱電堆材料包括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，獲得感應電荷，再根據感應電荷的強度來探測紅外輻射的情況，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遠高于大多數的金屬材料，并且對于紅外線及其敏感，最早由霍尼韋爾開發出了基于VOx的微測輻射熱計，其利用紅外線與VOx相互作用，引發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。

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CMOS電路將非晶硅薄膜的阻值變化轉變為差分電流并進行積分放大，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。

3 結語

通過本文的整理及分析可知，紅外圖像傳感器的發展主要在于光敏材料的更新迭代。目前為止，該領域的材料均由美國企業研發推出，雖然就全球專利總申請量及全球主要申請人而言，美國并未體現出壓倒性的優勢，其中全球主要申請人甚至呈現出被日本碾壓的態勢，但是考慮到美企（德州儀器、霍尼韋爾、雷神）掌握了基礎性的核心專利（VOx薄膜、非晶硅薄膜），美國仍是紅外圖像傳感器領域事實上的執牛耳者。

參考文獻

[1] 雷玉堂.紅外圖像傳感器技術及其在公共安全中的應用[A].第三屆深圳國際智能交通與衛星導航位置服務展覽會[C].2014.

[2] 馮濤，金偉其，司俊杰.非制冷紅外焦平面探測器及其技術發展動態[J].紅外技術，2015，37（3）.