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红外探测器发展历程

日期：2014-09-12 点击： 加入收藏

自二十世纪九十年代：红外技术正在经历第三次革命，以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非致冷红外成像技术获得了重要突破并达到实用化。它不仅解决了红外摄像技术中最为突出的要求低温（~77K）冷却工作的要求，而且还可像光子半导体红外焦平面阵列技术一样实现同读出电路的大规模或超大规模集成，实现了高密度、小型化、便携和易于操作的红外热像仪，同时这种技术也适合采用目前硅大规模集成电路制作技术批量生产，使红外热摄像仪成本低廉化，去除了红外热摄像系统长期以来价格居高不下的问题，搬去了阻碍红外热摄像仪技术广泛推广应用，特别是进入广阔民用市场的障碍，成为当今红外成像技术最引人瞩目的突破之一。

一、红外探测器发展脉络

　　1800年：赫胥尔利用涂黑水银温度计发现红外辐射，作为红外探测器，沿用到1830年。

　　1821年：Seebeck发现温差电效应，研制出第一个热电偶。

　　1829年：Nobili将几个热电偶串连起来，制作了首个热电堆。

　　1833年：梅罗里（Melloni）利用锑化铋作为热电堆材料，大幅提高了热电堆红外探测器的探测灵敏度，它比当时最好的水银温度计至少灵敏40倍。

　　十九世纪八十年代：发明了一些高灵敏的新型红外探测器，其中最具有代表意义的是Langley发明的测辐射热计，它比热电堆的灵敏度约高30倍。

　　1886年：Langley采用两条细长的铂条作为惠斯顿电桥的两个桥腿，研制成功首个测辐射热计，在随后的20年内，Langley不断改进微测辐射热计的性能。

　　1917年：Gase首次利用红外线的光电导效应，研制成功亚硫酸铊光子探测器。

　　二十世纪七十年代：研究致冷型红外焦平面阵列，迄今为止，332×240元HgCdTe、InSb、InGaAs和PtSi凝视焦平面阵列技术已经成熟并投入生产，640×480元正在迈向成熟阶段，部分已经投入批量生产。中/长波（3~5μm和8~12μm）HgCdTe红外焦平面阵列已发展到1024×1024、2048×2048和4096×4096元，中波InSb红外焦平面阵列已经发展至2048×2048元。这些焦平面阵列的一个共同特点是都要求低温致冷，成为当时红外探测器发展的主流，称为第二代红外探测器技术。

　　自二十世纪九十年代：红外技术正在经历第三次革命，以微测辐射热计和热释电探测器为代表的非致冷红外成像技术获得了重要突破并达到实用化。它不仅解决了红外摄像技术中最为突出的要求低温（~77K）冷却工作的要求，而且还可像光子半导体红外焦平面阵列技术一样实现同读出电路的大规模或超大规模集成，实现了高密度、小型化、便携和易于操作的红外热像仪，同时这种技术也适合采用目前硅大规模集成电路制作技术批量生产，使红外热摄像仪成本低廉化，去除了红外热摄像系统长期以来价格居高不下的问题，搬去了阻碍红外热摄像仪技术广泛推广应用，特别是进入广阔民用市场的障碍，成为当今红外成像技术最引人瞩目的突破之一。

　　二、中国探测器发展概况

　　从第一代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为四代：

　　第一代，（1970s-80s）主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；

　　第二代，（1990s-2000s）是以4×288为代表的扫描型焦平面；

　　第三代，是凝视型焦平面；目前正在发展的可称为；

　　第四代，以大面阵、高分辨力、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。

　　我国从上世纪80年代后期陆续开始了红外焦平面探测器的研制。尽管国内的第二代、第三代红外焦平面技术在材料、器件工艺、读出电路、杜瓦和致冷等方面取得一些进展，完成了少数器件的研制，但还有许多关键技术还没有完全突破，可靠性、工程化、通用化与标准化水平有待进一步提高；第四代产品还刚开始进行技术突破，到目前为止，只有为数很少的工程化产品提供军方使用。目前实现批量生产的焦平面探测器组件相当于西方国家较早一段时期的水平。红外探测器技术总体水平与西方发达国家相比仍有较大差距。

　　三、国外红外探测器发展概况

　　最初的红外探测器是温度计，后来出现了热电偶。红外技术差不多是在40年前才开始应用到防御系统上的。在红外技术的发展过程中，热敏探测器的发展较早，但发展的速度较慢，而量子探测器则是后来居上，发展很快。特别是二次世界大战期间和二次大战以后，出现了许多响应不同波段的量子探测器。近些年来，红外探测器技术发展迅速，从单元、多元、阵列发展到凝视焦平面阵。

　　量子型红外探测器的发展过程可分为三代，第一代是单元探测器，它和扫描镜的二维扫描相组合而得到图像。70年代，InSb和HgCdTe之类的半导体开始在红外技术中占据主导地位，主要用于制作单个探测器元件。

　　到八十年代中期，开始向第二代一维阵列多元探测器转移。它多数采用一维光电导型阵列探测器，以及与阵列方向成直角的一维机械扫描系统来获得二维图像，速度快，并能实时显示。

　　第三代是红外电荷耦合器件（IRCCD），根据其技术进展，可分为一维IRCCD和二维IRCCD。一维IRCCD必须采用机械扫描系统，但它不需要进行各探测元件的信号放大。二维IRCCD则完全不需要进行扫描，可靠性提高，实现了装置的小型化和单一化；读出也不再由分立的信号线产生，而是通过时间延迟和积分电路产生，这些电路必须置于传感元件阵列的焦平面内，故它们的组合称为红外电荷耦合器件焦平面阵列。在八十年代后期，红外探测器的发展重点是镶嵌凝视式阵列及大型阵列的应用，发展的重点是焦平面器件。

　　到了九十年代，开始了以GaAs系列、InP系列为中心的Ⅲ-Ⅴ族半导体多量子阱材料的设计技术，对量子阱等超晶格结构的红外探测器的研究也正在广泛开展。

　　另外，随着高温超导材料的出现和超导技术的进一步发展，超导红外探测器的前景十分乐观，它是根据约瑟夫(Josephson)效应而制成的新型红外探测器，灵敏度高、频率宽、噪音低。目前，国外在这方面的工作才刚刚起步。

　　在精确制导技术中，又致力于发展双色探测器及与10.6μm二氧化碳激光器配用的探测器。

　　美国在70年代初研制成工作波段为8～14μm的三元红外敏感元件HgCdTe器件，70年代中期已研制出60元、120元、180元光导型通用组件，成品率高、可批量生产，80年代已推广应用于战术导弹武器系统中，目前主要发展方向是进一步提高成品率，降低成本。

　　尽管国外60－180元线阵器件已达到实用化和工程化，但70年代后期，欧美各国已将研究重点转移到光伏型HgCdTe焦平面阵探测器，1987年美国国防部提出了"红外焦平面阵列生产倡议"，目的是促进红外焦平面阵探测器的可生产性和可采购性，以满足90年代精确制导武器的需求。在美国国防部向国会提交的1989年度22项关键技术计划的报告中，HgCdTe与GaAs一起名列第二。目前以混合式IRCCD为主攻方向，中波红外InSn焦平面阵列器件已研制出256×256元，长波红外HgCdTe焦平面阵器件已研制出64×64元。红外焦平面阵探测器有凝视式和扫描式两种，前者通过光学系统把红外能量聚焦在其适当的位置上，导弹电脑系统处理每个探测器的输出，以构成一幅完整图象；后者与电视一样按顺序扫描，提取目标红外信息，以构成一幅完整图象。

　　在整个八十年代里，红外探测器的发展重点是镶嵌凝视式阵列及大型阵列的应用。发展重点是HgCdTe，当前英国人发明的Sprite器件和美国的红外CCD器件以及64×128元的硅肖特基势垒器件已在试验阶段，正往64×64，128×128，256×256元的方向发展。16×16元的钛酸铅热电CCD已经制成并向100×100元方向发展。

　　目前在军事上颇有发展前途的红外探测器有HgCdTe红外探测器、PtSi红外探测器、GaAs红外探测器和双色红外探测器等。

　　红外探测器组件是热成像系统的核心，它的工作性能直接决定着热像仪成象质量。要使它们在如此低温下正常工作，就必须将其安装在杜瓦瓶中，否则，会造成探测器的污染及在低温下结霜。

　　非冷却型红外焦平面列阵技术是以美国为中心于70年代开始开发的。采用非冷却型红外焦平面阵的红外摄影系统不需要冷却装置，可降低成本和提高使用寿命等，所以即便灵敏度略差也有广泛的应用领域。

　　输出成本是决定新型探测器成功的关键因素。PtSi受青睐的主要原因之一是其成本低。虽然它的灵敏度没有HgCdTe好，但成本却大大低于HgCdTe，HgCdTe的一个象素以美元计算，而PtSi的一个象素只以美分计算。

　　预计在今后，红外探测器会得到更进一步的发展，政府部门的军需是红外探测器的最大买主。目前，国际上把大量精力用在超晶格材料上，超晶格HgCdTe有希望成为性能更高的长波红外探测器。而红外焦平面阵列探测器可使武器系统独立完成搜索、跟踪识别目标，因此，它已成为新一代精确制导武器探测器件的发展方向。美国在焦平面凝视红外探测器的研究与应用上，处于世界领先地位。

　　在80和90年代，随着新旧武器系统的不断更迭和红外探测器向高精尖方向的发展，器件和材料的研制机构和生产部门将会源源不断地从军事部门获得大宗科研经费和订货。1985年美国探测器的销售金额为1亿1千2百万美元，到了1991年，销售额已达5.5亿美元，而到2001年，总销售额达14亿美元。

文章出处：http://news.21csp.com.cn/c21/201406/72259.html

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