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红外焦平面阵列技术的发展现状与趋势

发布时间:2016-11-17 阅读:0次

外热摄像技术的发展已经历了三十多个年头。其发展已从当初的机械扫描机构发展到了目前的全固体小型化全电子自扫描凝视摄像,特别是非致冷技术的发展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域。 

红外热摄像技术的发展速度主要取决于红外探测器技术取得的进展。三十年来,红外探测器技术已从第一代的单元和线阵列发展到了第二代的二维时间延迟与积分(TDI)8~12μm的扫描和3~5μm的640×480元InSb凝视阵列,目前正在向焦平面超高密度集成探测器元、高性能、高可靠性、进一步小型化、非致冷和军民两用技术的方向发展,正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向发展。 

1 发展现状 

1.1 超高集成度的焦平面探测器像元 

像可见光CCD之类的摄像阵列一样,要提高系统成像的分辨率和目标识别能力,大幅度地提高系统焦平面红外探测像元的集成度是一种重要的途径。各公司厂家都在尽力增加焦平面阵列的像元数,发展各种格式的大型或特大型红外焦平面阵列。 

在1~3μm的短波红外(SWIR)焦平面阵列方面,由于多年来的军用都集中在中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)波段,因而SWIR焦平面阵列技术的发展受到忽略,但由于这个波段的许多应用是MWIR和LWIR应用达不到的,因而近几年来加快了对SWIR焦平面阵列技术的发展步伐,目前的阵列规模已达到2048×2048元(400万元)。 

·InGaAs红外焦平面阵列:虽然实现短波红外热摄像的候选材料要求低温冷却工作,而且HgCdTe衬底失配率高,暗电流也高,唯有In0.53Ga0.47As的晶格常数与InP相同,暗电流密度低达3×10-8A/cm2,R0A>2×106Ω.cm2,D*>1013cmHz1/2W-1(室温下),其光响应峰值在0.9μm~1.7μm,可实现非致冷工作的高性能红外焦平面阵列,其多年的光纤通信工业应用使其具有大批量生产的能力,因而几年来日益受到重视,美国传感器无限公司在DARPA 和NVESD支持下正在加速发展这种非致冷的红外焦平面阵列和摄像机技术,其阵列尺寸已达到320×240元。 

·HgCdTe阵列:由于军用目的的需求,过去这种材料焦平面阵列技术的发展主要集中于中波和长波红外波段应用,但洛克威尔国际科学中心却一直在发展1~3μm波段工作的HgCdTe焦平面阵列技术,其主要目的是天文和低背景应用,该中心在90年代中期已制出HQWAⅡ-1 1024×1024元阵列,目前已研制成功世界上最大的HQWAⅡ-2型2048×2048元的阵列,该中心正在计划研制4096×4096元的特大型阵列。 

在3~5μm的中波红外焦平面阵列方面:中波红外焦平面阵列技术的发展一直是红外焦平面中发展最快的,主要有PtSi、InSb和HgCdTe三种阵列,其阵列规模已达到2048×2048元(400万元)。 

·PtSi阵列已形成大批量生产能力,典型阵列有640×480,801×512,1024×1024,1040×1040,柯达公司新近推出的产品高达1968×1968元,其阵列规模已接近于400万元,HgCdTe中波焦平面阵列是目前所有焦平面中波工作阵列中集成度高,最引人注目的,洛克威尔国际科学中心在这方面的发展处于世界领先地位,除了640×480和1024×1024元的天文应用阵列外,近期已准备提供用户使用的阵列为2048×2048元,并正在采用拼接技术研制4096×4096元的阵列,但工作温度低于77K。 

·InSb阵列是这个波段应用中深受重视的器件,主要是低背景天文应用阵列规格达1024×1024元,典型阵列还有640×480和640×512元。 

在长波红外焦平面阵列方面,主要集中于HgCdTe,GaAlAs/GaAs多量子阱阵列,SiGe异质结构阵列和非致冷红外焦平面阵列四种。HgCdTe阵列的发展一直较为缓慢,近几年主要集中于GaAlAs/GaAs量子阱列和非致冷工作的红外焦平面阵列技术,发展极快,阵列规模已达到了640×480元。 

·HgCdTe焦平面阵列技术,由于这种材料的电学特性,进展一直较为缓慢,长波HgCdTe焦平面阵列规模仅为256×256元。 

·GaAlAs/GaAs阵列是最近几年来发展最快的,研究的国家公司机构很多,如美国的洛克希德-马丁、洛克威尔国际科学中心,雷声、喷气式推进实验室和空军研究实验室等,日本的三菱电机和NTT,法国的汤姆逊和瑞典、加拿大、以色列的不少公司竟相研制发展,其中以喷气式推进实验室、雷声和洛克希德-马丁公司的进展最快,目前的阵列尺寸已达到640×484元,已评估了1024×1024元的双色阵列,正在水平集成四色阵列。 

·GeSi/Si异质结构红外焦平面阵列6,其工作机理类同于PtSi阵列。MBE技术的发展,为GeSi/Si、InSb和InGaAs、GaAlAs、HgCdTe等高性能大型阵列发展提供了先进的制作技术。麻省理工学院和林肯实验室已制作了320×240元和400×400元的阵列,日本三菱电机公司的阵列规模已达到了512×512元,只是目前GeSi/Si阵列工作温度明显低于77K。 

·非致冷红外焦平面阵列,由于近几年来取得的突破性进展,器件和整机系统应用技术的发展均很迅速,主要用于8~14μm的长波红外波段探测,像美国霍尼韦尔、得克萨斯仪器、洛克希德马丁、雷声、因迪哥系统、萨尔诺夫和波特兰前视红外系统公司等,日本三菱电机公司、英国GEC-马可尼和瑞典、加拿大等国的公司都竞相发展这种技术,竞争几乎遍及全球,发展甚为迅猛,目前常用商用阵列为320×240元,640×480元阵列即将问世。 

1.2 高性能 

由于用采用诸如MBE、MOCVD这样的高精度控制制作工艺,微机械加工技术和CMOS这样的大型或特大型集成多路传输器,不但实现了如1024×1024,2048×2048元这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的高速大容量的信号处理,而且获得了高度均匀性的阵列焦平面响应特性,进一步提高了阵列的性能。 

短波红外焦平面阵列,迅速实现了商用化。美国新泽西州传感器无限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面阵列D*值>1013cmHz1/2W-1(室温下),如冷却到250K工作时,D*>1014cmHz1/2W-1,1.3~1.6μm的量子效率接近90%,洛克威尔国际科学中心的PACE-1型1024×1024元阵列和HAWAⅡ-2型2048×2048元阵列,平均量子效率65.4%,光响应不均匀性为4.3%。 

中波红外焦平面阵列器件中,PtSi阵列经过二十来年的发展改进,性能大幅度提高,噪声等效温差(NETD)已优于0.1℃,三菱512×512元IRCSD已达到0.07~0.033K,801×512元阵列填充因子61%,NETD为0.076℃,最小可分辨温差0.17℃(尼奎斯特),萨尔诺夫的640×480元阵列NETD<0.18K,最小可分辨温差MRT<0.04K(300K,积分时间33毫秒),三菱1040×1040元PtSi阵列不均匀性±2%;圣巴巴拉研究中心InSb 640×512元阵列的NEΔT优于20mK,1024×1024元天文应用的InSb阵列量子效率85%(0.9μm~5μm);洛克威尔国际科学中心PGM600-003 640×480元HgCdTe阵列77K量子效率68%,NEΔT平均值为0.013K,该中心的1024×1024和2048×2048元阵列也都具有良好的性能。 

长波(8~14μm)红外焦平面阵列,HgCdTe阵列发展时间最长,但阵列尺寸不大,目前的性能是非常好的,列工作温度77~88K,量子效率70%~75%,,NETD为13mk,,双波段工作阵列量子效率为60%;GaAlAs/GaAs量子阱红外焦平面阵列发展到了今天的640×480元特大阵列,工作温度已接近或达到77K,截止波长长达14μm~16μm,如喷气式推进实验室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs阵列,工作温度70K,NEΔT为43mk,NEΔT不均匀性为1.4%,已报导了8~9μm和14~15μm双色640×486元阵列摄像机,这种阵列的工作温度仍需提高到77K以上方可在系统应用方面获得大量应用的能力;非致冷的红外焦平面阵列技术是长波红外焦平面阵列技术发展的重要方向之一,近几年在技术上取得了突破,投入批量生产,正在加紧推广应用。主要材料有VOx、Ti金属、硅、多晶硅、非晶硅、热释电和热释电-铁电材料几种,有热敏电阻微测辐射热计和薄膜热释电与热电堆几种阵列,目前已进入系统应用的阵列为320×240元阵列,NETD通常优于0.1K,最佳性能为0.01K~0.005K(即10 mk~5mk),洛克希德马丁等公司已研制出640×480元的最大阵列。萨尔洛夫公司采用Si3N4作绝缘层的阵列设计,NETD可达0.005K,使用SiC时为0.01k 。 

1.3 高密度小像元尺寸 

大型或特大型高密度集成,特别是如100万和100万元以上探测器元集成焦平面阵列要求高精度的超大规模集成电路加工技术(如亚微米)和微机械加工技术,焦平面阵列技术的发展很大程度上取决于超大规模集成电路的进展。DRAM每个单元仅要求一个晶体管,而红外焦平面阵列读出电路则需三个或更多的晶体管,而且其中有一个必须是低噪声模拟的,目前DRAM生产水平设计规格为0.25μm,预生产设计规格已是0.18μm,在这样先进加工条件下,焦平面阵列多路传输器和探测器元尺寸都可进一步缩小,阵列元数集成度更高,图1是焦平面阵列技术发展与微细加工技术的发展趋势关系。目前的红外焦平面阵列由于采用亚微米加工技术,像元尺寸大为缩小,实现了小像元高密度的红外焦平面集成的进一步发展。由于微细加工技术的发展,PtSi阵列的像元尺寸已小达20×20μm2和17×17μm2,如柯达KIR-3900 1968×1968元阵列和日本三菱1040×1040元阵列,HgCdTe阵列已小达18×18μm,如洛克威尔科学中心的HAWAⅡ-2 2048×2048元阵列,其设计规格为0.8μm,洛克希德马丁红外摄像公司的640×480元非致冷红外焦平面阵列的像元尺寸缩小为28×28μm2,雷声和喷气式推进实验室的8~9μm和14~15μm波段工作的双色GaAlAs/GaAs量子阱阵列像元尺寸小达25~25μm。 

1.4 多色工作 

随着红外焦平面阵列制作技术的迅速进展,由于许多实际应用的需要,近期在双色或多色红外焦平面阵列技术发展方面取得了显著的进展,如美国加州理工学院喷气式推进实验室空间微电子中心、雷声先进红外中心和空军研究实验室最近研制出的8~9μm和14~15μm的双色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱红外焦平面阵列及其摄像机,雷声、美国陆军研究NASA Gooddard航天飞行中心和洛克威尔科学中心共同研制的11.2μm和16.2μm截止波长的256×256元GaAs/GaAlAs量子阱红外焦平面阵列,这些机构都是在加紧发展这种二色和多色焦平面阵列,都是在原来单色焦平面阵列取得极大进展的基础上迅速地研制出了这种双色阵列。但这种技术目前的工作温度尚不到77K,同时探测器像元要求二种工作电压,长波敏感区需极高的偏压(>8V)实现长波红外探测,虽然电压可调,但不能同时提供二个波段的数据。 

2 未来的发展趋势 

上面已叙述了进入二十一世纪以来红外焦平面技术的发展现状与趋势,2010年时的红外焦平面阵列技术发展将是人们十分关注的课题,那么2010年时红外焦平面阵列技术的发展将是什么结果呢? 

目前先进的红外焦平面阵列技术正处在从第二代向第三代更为先进的阵列技术发展的转变时期。各有关公司厂家着眼于2010年市场需求,正在加紧确定第三代红外焦平面阵列技术的概念,目前各有关公司和厂家机构的注意力已转向第三代红外焦平面阵列传感器的发展。 
第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求: 

·焦平面上探测器像元集成度为≥106元,阵列格式≥1K×1K,至少双色工作, 

·高的工作温度,以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用, 

·非致冷工作红外焦平面阵列传感器的性能达到或接近目前第二代致冷工作红外焦平面阵列传感器的水平, 

·必须是极低成本的微型传感器,甚至是一次性应用的传感器。 

第三代红外焦平面阵列传感器有下列三种:即: 

(1)大型多色高温工作的红外焦平面阵列,探测器像元集成度≥106元,阵列格式1000×1000,1000×2000,和4096×4096元,像元尺寸18×18μm2,目前芯片尺寸22×22mm2,未来的芯片应更大,高的量子效率,能存储和利用探测器转换所有的光电子,自适应帧速(480Hz),双色或多色工作,使用斯特林或热电温差电致冷器,工作在120~180K,光响应不均匀≤0.05%,NETD≤50mk(f/1.8),结构上单片或混合集成,可以是三维的。 

(2)非致冷红外焦平面阵列,无须温度稳定或致冷,用于分布孔径设计,重量仅1盎司,30mW功率,焦平面探测器元集成度≥106元,阵列格式1000×1000元,像元尺寸为25μm ×25μm,NETD<10mK(f/1),或60mK(f/2.5),低成本、低功耗、中等性能,用于分布孔径设计中获取实用信息。 

(3)非致冷工作的微型传感器,焦平面探测器像元集成度仅160×120元~320×240元,像元尺寸50μm ×50μm~25μm ×25μm,NETD<50mK(f/1.8),输入功率10mW以下,重量1盎司,尺寸<2立方英寸,低成本。 

最终的第三代红外焦平面阵列将是极低成本的微型传感器,将占领整个红外市场,其未来的应用将是无人操作的一次性应用传感器,如微型无人驾驶航空飞行器,头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。表1列出了第三代红外焦平面阵列传感器的特点。 

高性能多色致冷传感器 高性能非致冷传感器 非致冷微型传感器 

焦平面阵列格式 1000×10001000×20002000×20004096×4096 1000×1000 160×120320×240 

像元尺寸 18μm ×18μm 1密尔×1密尔 2密尔×2密尔 

工作波段 双色或多色 8 ×12μm 

封装真空 高真空 中等真空 中等真空 

制冷器 机械或热电温差制冷器 非致冷 非致冷 

工作温度 120K~180K 室温,无需温度稳定 室温,无需温度稳定 

目标 最大作用距离最大杂波抑制 低成本,低功耗,中等性能 一次性使用,10mW功率 

3 结论 

进入二十一世纪,红外焦平面阵列技术发展已取得了举世瞩目的成就,已从第一代线阵列发展到了今天的二维TDI和大型凝视焦平面阵列,目前正在向焦平面探测器元高集成度(≥106元)的高密度、小像元(25μm ×25μm~18μm ×18μm)、高性能、多色和低成本的方向发展; 

非致冷红外焦平面阵列技术近几年取得的突破为红外焦平面阵列技术开拓了更加广阔应用领域,市场急剧扩大,这种焦平面阵列是未来发展低成本红外焦平面阵列的重要途径;目前的红外焦平面阵列性能和成品率已大幅度提高,已具有一定规模的生产能力,应用领域正期待着这一能力的大幅度提高。显然,目前的红外焦平面阵列技术发展正处在向第三代阵列技术发展的转折时期,各有关公司厂家机构正在研究确定2010年前第三代红外焦平面阵列的概念。预期这一技术的发展将会进入新的发展时期。 
跨入二十一世纪以来,红外热摄像技术的发展已经历了三十多个年头。其发展已从当初的机械扫描机构发展到了目前的全固体小型化全电子自扫描凝视摄像,特别是非致冷技术的发展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域。 

红外热摄像技术的发展速度主要取决于红外探测器技术取得的进展。三十年来,红外探测器技术已从第一代的单元和线阵列发展到了第二代的二维时间延迟与积分(TDI)8~12μm的扫描和3~5μm的640×480元InSb凝视阵列,目前正在向焦平面超高密度集成探测器元、高性能、高可靠性、进一步小型化、非致冷和军民两用技术的方向发展,正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向发展。
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