摘要：介紹了非制冷紅外焦平面探測器的基本工作原理，并概括了其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。梳理了非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展簡史，綜述了國內(nèi)外相關(guān)研究及產(chǎn)品開發(fā)的最新進展。最后還討論了非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)的發(fā)展趨勢。

0引言

近二十年間，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）技術(shù)的飛速發(fā)展，非制冷紅外焦平面陣列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA) 探測器技術(shù)日趨成熟，相關(guān)產(chǎn)品也逐步實現(xiàn)系列化。在學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的共同推動下，非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)快速發(fā)展，焦平面探測器的靈敏度顯著提升，像元間距越來越小，陣列規(guī)模越來越大。非制冷紅外成像技術(shù)以其低成本、小尺寸、低功耗以及長壽命等優(yōu)點迅速在軍用國防裝備和商用領(lǐng)域得到了大規(guī)模的推廣應用。非制冷紅外焦平面陣列探測器被廣泛用于武器制導、武器熱瞄具、紅外偵查、邊境警戒、海防監(jiān)控、反恐救援等軍用領(lǐng)域，以及安防監(jiān)控、汽車夜間輔助駕駛、工業(yè)監(jiān)控、疾病防控、醫(yī)療診斷、節(jié)能環(huán)保等民用領(lǐng)域( 包括手機配件、可穿戴設(shè)備等個人消費電子領(lǐng)域 )。

1非制冷紅外焦平面探測器的原理

非制冷紅外焦平面探測器是指工作在室溫附近的可將目標的入射紅外輻射轉(zhuǎn)換為電學視頻信號的一種成像傳感器。根據(jù)工作原理的不同，非制冷紅外焦平面探測器可分為熱釋電、熱電堆、熱敏二極管以及微測輻射熱計等類型。其中，微測輻射熱計是一種熱敏電阻型傳感器。在紅外輻射照射到傳感器后，傳感器溫度升高，熱敏薄膜的阻值改變。微測輻射熱計型探測器是目前技術(shù)最成熟、市場占有率最高的主流非制冷紅外焦平面探測器。

微測輻射熱計是基于MEMS技術(shù)制造加工的微型傳感器，是非制冷紅外探測器的核心傳感元件。它由底部反射鏡、互聯(lián)電極、絕熱橋腿、熱敏電阻和紅外吸收橋面組成( 見圖1 )。其中，紅外吸收橋面能夠高效吸收外界紅外輻射，引起溫度變化，導致集成于橋面之中的熱敏材料的電阻發(fā)生改變。專用集成電路( Application Specific Integrated Circuit，ASIC)通過互聯(lián)電極將微測輻射熱計陣列的電阻變化經(jīng)放大處理后轉(zhuǎn)換為視頻電學信號并將其輸出。底部反射鏡與紅外吸收橋面構(gòu)成特定波長的1/4波長共振吸收腔，可增強橋面的紅外吸收。絕熱橋結(jié)構(gòu)用于降低橋面熱敏電阻與讀出電路襯底之間的熱交換，使熱敏電阻對紅外輻射敏感。其材料與幾何尺寸決定了橋面與ASIC之間的熱傳導能力，進而直接決定微測輻射熱計的響應。熱敏感材料包括氧化釩薄膜、非晶硅薄膜、非晶硅鍺與單晶硅鍺薄膜等。

圖1 微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)示意圖

美國Honeywell研究中心的Kruse P W等圖1微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)示意圖人對微測輻射熱計的理論模型進行了系統(tǒng)闡述。微測輻射熱計的響應度可表示為：

式中，α為熱敏材料的電阻溫度系數(shù)( Temperature Coefficientof Resistance，TCR)；β為填充因子；η為微測輻射熱計的吸收率；ib為偏置電流；Rb為微測輻射熱計的電阻；Ge為微測輻射熱計的有效熱導；ω為調(diào)制頻率；τe為有效熱時間常數(shù)。微測輻射熱計的噪聲來源主要包括1/f噪聲和Johnson噪聲。1/f噪聲電壓的有效值可表示為：

式中，kf為微測輻射熱計的1/f噪聲系數(shù)；Vb為偏置電壓；f2和f1分別為微測輻射熱計的噪聲帶寬上下限。微測輻射熱計的Johnson噪聲電壓有效值可表示為：

式中，K為玻爾茲曼常數(shù)；Δf為噪聲帶寬。噪聲帶寬上下限f2和f1分別由積分時間Tint和凝視時間Tstare決定：

顯然，微測輻射熱計熱敏材料的噪聲系數(shù)與電阻溫度系數(shù)、光學吸收效率與填充因子、微測輻射熱計結(jié)構(gòu)材料的熱導率與MEMS加工工藝能力共同決定著探測器的性能參數(shù)。開發(fā)高性能敏感薄膜與低熱導率結(jié)構(gòu)材料，設(shè)計高填充因子、低熱導、高吸收效率的傳感器結(jié)構(gòu)以及研制低噪聲讀出電路一直是非制冷紅外焦平面探測器研究的重點領(lǐng)域。

非制冷紅外焦平面探測器的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括陣列規(guī)模、像元中心距、噪聲等效溫差( Noise Equivalent Temperature Difference，NETD)、工作幀頻、熱響應時間和空間噪聲等。其中，陣列規(guī)模可表征圖像分辨率。常規(guī)陣列規(guī)模包括160 ×120、320 ×240、384 ×288、640×512、1024 ×768 和1920 ×1080。焦平面探測器的陣列規(guī)模越大，圖像分辨率越高，圖像越清晰。

像元中心距與光學系統(tǒng)共同決定了成像系統(tǒng)的空間分辨率。原則上來說，當像元尺寸大于紅外輻射波長時，像元中心距越小，圖像的空間分辨率越高。目前非制冷紅外焦平面探測器的像元中心距已低至10 μm，與長波紅外光的中心波長相當。對于長波紅外探測而言，當像元中心距進一步減小到5 μm ( 長波紅外光中心波長的一半)時，圖像的空間分辨率主要受限于鏡頭的光學極限。

NETD也被稱為探測器靈敏度，是非制冷紅外焦平面探測器最重要的性能指標。它與傳感器設(shè)計及薄膜材料等因素有關(guān)。NETD越小，探測器靈敏度越高。典型軍用探測器的NETD需小于50 mK。

工作幀頻與熱響應時間決定了運動目標圖像的延遲。對于導引頭等快速目標成像應用來說，工作幀頻通常需要不低于50 Hz，探測器像元的熱響應時間應小于10 ms。

空間噪聲與NETD共同決定了圖像質(zhì)量。當空間噪聲顯著高于時域噪聲時，圖像會明顯劣化，導致系統(tǒng)最小可分辨溫差( Minimum Resolvable Temperature Difference，MRTD)顯著降低。

2非制冷紅外焦平面探測器的歷史與研究進展

早期用于研發(fā)非制冷紅外焦平面的材料技術(shù)路線包括氧化釩( Vox )、鈦酸鍶鋇( BST )和非晶硅( α-Si )。發(fā)展至今，非制冷紅外焦平面探測器產(chǎn)品主要包括氧化釩和非晶硅微測輻射熱計兩大技術(shù)陣營。其中，氧化釩技術(shù)占有70%以上的市場份額，是國際主流的非制冷紅外成像技術(shù)。它源自美國Honeywell研究中心，而非晶硅技術(shù)則源自美國TI公司和法國CEA--Leti實驗室。國內(nèi)的研究機構(gòu)及廠家也分為氧化釩和非晶硅微測輻射熱計兩大技術(shù)陣營。通過投入大量的研究精力來緊追國際同行，并于2019年步入了12 μm像元產(chǎn)品時代。同時，煙臺艾睿光電科技有限公司( 以下簡稱“艾睿光電”) 已突破10 μm像元技術(shù)，縮小了與國際同行的差距。

2.1非制冷紅外焦平面探測器的發(fā)展簡史

( 1 ) 1978年，Raytheon公司和TI公司分別申請了BST技術(shù)專利。

( 2 ) 20世紀80年代，在美國政府HIDAD項目的支持下，Raytheon公司與Honeywell公司著手研制非制冷紅外焦平面探測器。其中，Raytheon公司致力于將BST技術(shù)商用化，而Honeywell公司則選擇研究VOx技術(shù)。

( 3 ) 1990 ～ 1994 年，Honeywell公司將其成功研發(fā)的VOx技術(shù)先后轉(zhuǎn)讓給多家公司，形成了國際上非制冷紅外焦平面探測器的主要供應商——FLIR、Raytheon Vision System、BAE System、DRS、SCD、NEC 等。

( 4 ) 20世紀90年代中期，TI公司將其BST熱成像技術(shù)推廣至商用領(lǐng)域，但由于該技術(shù)在性能方面落后于VOx技術(shù)，市場前景并不樂觀。在同一時期，TI公司開始研制非晶硅技術(shù)。隨后他們將這兩項技術(shù)打包賣給Raytheon Commercial Infrared公司，后者在2004年又將其一起轉(zhuǎn)賣給L--3公司。

( 5 ) 20世紀90年代末，法國CEA--Leti實驗室成功研制出了非晶硅非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)，后來將其授權(quán)給ULIS公司進行量產(chǎn)。

( 6 ) 1995年，LORAL公司( 后被BAESystem收購 )和ROCKWELL公司( 后被DRS 收購 )分別推出了各自的首款紅外焦平面陣列產(chǎn)品。兩者的陣列規(guī)模均為320 ×240，像元中心距分別為46 μm和51 μm。

( 7 ) 1998年，Indigo Systems公司在其成立兩年后推出了首款紅外焦平面讀出電路( 陣列規(guī)模為160 × 120 )。隨后他們又推出了像元中心距為38 μm的焦平面探測器產(chǎn)品。

( 8 ) 1999年，Raytheon公司推出了當時靈敏度最高的SB--151型VOx IRFPA產(chǎn)品。該探測器的陣列規(guī)模為320 × 240，像元中心距為50 μm，像元響應率大于2. 5×107 V/W。

( 9 ) 2000年，ULIS公司發(fā)布了自己的45 μm產(chǎn)品( 陣列規(guī)模為320 ×240，NETD為85mK )。

( 10 ) 2001年，DRS公司推出了首款25 μm IRFPA產(chǎn)品( 陣列規(guī)模為320 × 240 )。同年，Raytheon公司也推出了25 μm IRFPA產(chǎn)品( 陣列規(guī)模包括160 × 120、320 × 240 和640 ×240 )。隨后，BAE System公司推出了像元中心距為28 μm、陣列規(guī)模為320 ×240的類似產(chǎn)品。自此，IRFPA進入“20”時代。

( 11 ) 2005年，DRS公司發(fā)布了首款17 μm IRFPA產(chǎn)品( 陣列規(guī)模為640 × 480 )。隨后，Raytheon、BAE System、ULIS、FLIR、SCD等公司也陸續(xù)推出了自己的17μm IRFPA 產(chǎn)品。至今，17 μm IRFPA 仍是國際非制冷紅外成像市場的主流產(chǎn)品之一。

( 12 ) 2009年，最后一家采用BST技術(shù)的廠商——L--3公司停止生產(chǎn)BST產(chǎn)品。

( 13 ) 2014 ～ 2016年，NEC、BAESystem、FLIR、Raytheon等公司先后發(fā)布了12 μm IRFPA的研究成果及產(chǎn)品。12 μm IRFPA自此開始逐步替代17 μm IRFPA而成為市場主流產(chǎn)品。

( 14 ) 2014年，F(xiàn)LIR Systems公司推出了全球首款消費類紅外相機——FLIR ONE。經(jīng)過一年的改進，他們于2015年推出的FLIRONE 2相機上集成了非制冷紅外領(lǐng)域的諸多先進技術(shù)，比如12 μm像元、晶圓級封裝(Wafer-Level Packaging，WLP )、晶圓級光學( Wafer-Level Optics，WLO )以及專用圖像信號處理( Image Signal Processing，ISP )芯片等。

( 15 ) 2015年，艾睿光電發(fā)布了像元中心距為14 μm、工作幀頻為30 Hz、NETD小于40 mK的1024 ×768非制冷IRFPA探測器。

( 16 ) 2015年，DRS公司在其官方網(wǎng)站上發(fā)布了像元中心距為10 μm的1280 × 1024 IRFPA探測器。2016年，他們公開報道了這種探測器的性能指標和成像圖片。該探測器的工作幀頻為30 Hz，NETD 小于50 mK，是目前世界上像元中心距最小的非制冷紅外焦平面探測器。

2.2國外研究進展

國外非制冷紅外焦平面探測器源自Honeywell公司的氧化釩技術(shù)以及TI公司和CEA--Leti實驗室的非晶硅技術(shù)。其中，氧化釩技術(shù)的代表包括美國DRS公司、Raytheon公司、BAE系統(tǒng)公司、FLIR公司，以色列SCD公司以及日本NEC公司；非晶硅技術(shù)的代表包括法國ULIS公司和美國L--3公司。這些公司又沿著超大面陣規(guī)模以及尺寸、重量、功耗、成本( Size Weight and Power--Cost，SWaP—C )兩個方向進行著產(chǎn)品開發(fā)。

在大面陣與超大面陣成像方面，Raytheon公司報道了基于視場拼接技術(shù)的17 μm 2048 ×1536非制冷紅外焦平面探測器，并開發(fā)了12 μm 1920 × 1200非制冷紅外焦平面探測器。DRS公司研制了10 μm 1280 ×1024非制冷紅外焦平面探測器和17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測器。BAE公司開發(fā)了12 μm 1920 ×1200非制冷紅外焦平面探測器，并開始研制10 μm 1280 × 1024非制冷紅外焦平面探測器。SCD公司開發(fā)了17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測器?；诜蔷Ч杓夹g(shù)，L--3公司研制了12μm 1280 ×1024非制冷紅外焦平面探測器，ULIS公司開發(fā)了17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測器。韓國i3公司還利用氧化鈦技術(shù)研制了12μm 1024 × 768 非制冷紅外焦平面探測器。

在SWaP--C方面，F(xiàn)LIR 公司研發(fā)了基于12 μm160 ×120 /80 ×60 WLP 探測器和WLO 技術(shù)的Lepton 成像模組與Boson 機芯。其中，Lepton 模組以小像元技術(shù)、WLP 技術(shù)、無制冷器( Thermoelectric Cooler--Less，TEC—Less )工作、ISP 和WLO 技術(shù)為基礎(chǔ)。在美國國防高級研究計劃局( Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) LCTI--M項目的支持下，DRS 公司、Raytheon公司和BAE 公司也開展了SWaP--C 系統(tǒng)研究。其中WLP、WLO、TEC--Less 和ISP 等技術(shù)也是各家公司的研究重點。ULIS公司在2016年突破了像元級封裝( Pixel-Level Packaging，PLP) 技術(shù)，并將其用于Micro80P Gen2 產(chǎn)品的生產(chǎn)。

2.2.1 DRS公司

DRS 公司生產(chǎn)的非制冷紅外焦平面探測器源自Honeywell 公司于1994 年授權(quán)給Boeing Defense and Space 公司的氧化釩微測輻射熱計技術(shù)。BoeingDefense and Space 公司在1999 年報道了其U4000型非制冷紅外焦平面探測器設(shè)計。2000 年，該公司研制出了像元中心距為51 μm、陣列規(guī)模為320 × 240、NETD 小于30 mK 的U3000 型非制冷紅外焦平面探測器。DRS 公司于2001 年收購了BoeingDefense and Space公司。2002年，他們推出了像元中心距為25 μm、陣列規(guī)模為640 × 480、NETD小于50 mK 且集成內(nèi)部校正功能的U6000 型非制冷紅外焦平面探測器。該公司于2007 年報道了17 μm 640 ×480 非制冷紅外焦平面探測器，并基于此技術(shù)陸續(xù)推出了U3600 系列320 ×240、U6160 系列640×480 和U8000 系列1024 ×768 非制冷紅外焦平面探測器。這些探測器均具有傳統(tǒng)插針陶瓷封裝和無引腳芯片載體( Leadless Chip Carrier，LCC )兩種封裝形態(tài)( 見圖2 )。DRS 公司生產(chǎn)的微測輻射熱計采用了傘狀雙層微橋結(jié)構(gòu)( 見圖3 )，提高了像元的填充因子與響應率。另外，他們還采用了惠斯通電橋電路架構(gòu)，使探測器具備像元自加熱效應的自動消除功能以及TEC--Less 補償功能。

圖2 DRS公司非制冷紅外焦平面探測器的封裝形式

圖3 DRS 公司微測輻射熱計的結(jié)構(gòu)圖

DRS公司在DARPA LCTI--M項目的支持下開展了低成本紅外熱像儀研制，并于2015年發(fā)布了像元中心距為10 μm的1280 × 1024、640 ×512 和320 ×256 系列探測器( 成像圖片見圖4 )。此外，該公司還研發(fā)了WLP技術(shù)，并且正在開發(fā)WLO 技術(shù)。

2.2.2 Raytheon公司

作為全球第五大國防合約商，Raytheon公司在1999年推出了像元中心距為50 μm、陣列規(guī)模為320 × 240、NETD 最低可達8. 6 mK 的SB--151型探測器。2001 年，該公司報道了像元中心距為25 μm的焦平面探測器系列，包括160 ×128、320 × 240 和640 × 512 陣列規(guī)模。他們于2007年展示了像元中心距為17 μm的640 × 512 非制冷紅外焦平面探測器。2009年，Raytheon 公司與Freescale公司達成合作，將產(chǎn)能提高到每月25000 ～ 75000顆芯片。2011年，他們研制出了基于視場拼接技術(shù)的17 μm 2048 ×1536非制冷紅外焦平面探測器( 輸出圖像見圖5 )。

圖4 DRS公司10 μm 1280 ×1024非制冷紅外焦平面探測器的成像圖( 1280 ×720 )

圖5 Raytheon公司17 μm 2048 ×1536 非制冷紅外焦平面探測器的輸出圖像

圖6 Raytheon公司12 μm像元的SEM圖片

圖7 Raytheon公司的晶圓級封裝探測器

Raytheon公司在DARPA LCTI--M項目的支持下開展了低成本紅外熱像儀研制，并于2015 年報道了像元中心距為12 μm，陣列規(guī)模涵蓋1920 ×1200、640 × 480 和206 × 156 的產(chǎn)品系列。圖6 為該探測器像元的掃描電子顯微鏡( Scanning ElectronMicroscope，SEM) 圖片。另外，這些器件均采用了WLP技術(shù)( 見圖7 ) 。Raytheon 公司的12 μm206 ×156 產(chǎn)品已經(jīng)用Seek Thermal 品牌進軍消費電子領(lǐng)域，且售價僅為199 美元。

2.2.3 BAE系統(tǒng)公司

BAE系統(tǒng)公司是世界第三大軍火供應商，也是世界知名的氧化釩非制冷紅外焦平面探測器生產(chǎn)廠商( 北美子公司BAE Systems Inc．)。2005年，該公司推出了三種型號的熱像儀機芯：SIM500L( 像元中心距為46μm、陣列規(guī)模為160×120 )、SIM500H( 像元中心距為28 μm、陣列規(guī)模為320 × 240) 和SIM500X ( 像元中心距為28μm、陣列規(guī)模為640 ×480 )。圖8為BAE系統(tǒng)公司46μm像元的SEM圖片。

圖8 BAE公司46 μm像元的SEM圖片

圖9 BAE公司的Smart--Chip熱像儀

BAE 系統(tǒng)公司于2007 年報道了像元中心距為17 μm的640 × 480 非制冷紅外焦平面探測器。2009 年，他們研制出了像元中心距為17 μm、NETD 小于等于35 mK 的1024 ×768非制冷紅外焦平面探測器。

BAE系統(tǒng)公司在DARPA LCTI--M 項目的支持下開展了低成本紅外熱像儀研制，并于2014年報道了12 μm 640 × 480 非制冷紅外成像機芯。2015 年，該公司繼續(xù)深入報道了其在LCTI--M項目支持下開展Smart--Chip 熱像儀( 見圖9) 研制工作的進展( 其探測器采用晶圓級封裝技術(shù))。2019 年，他們在日本紅外陣列傳感器論壇上介紹了第二代全高清非制冷紅外機芯——Athena 1920 ( 1920 ×1200@12 μm) 。作為第一代產(chǎn)品TWV1912 的升級版，Athena 1920 機芯的工作幀頻為60 Hz，NETD 為50 mK。

2.2.4 FLIR系統(tǒng)公司

FLIR 系統(tǒng)公司是全球紅外熱成像儀設(shè)計、制造及銷售領(lǐng)域的領(lǐng)導者。作為創(chuàng)新成像系統(tǒng)制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，F(xiàn)LIR 系統(tǒng)公司的產(chǎn)品范圍涉及紅外熱像儀、航空攝像機和機械檢測系統(tǒng)等。該公司不單獨銷售焦平面探測器，都是以機芯或整機系統(tǒng)形式銷售。他們在2004 年收購Indigo Systems公司后便具備了TEC--Less非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)，其探測器集成了片上非均勻性校正和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器( Analog-to-Digital Converter，ADC ) 模塊。目前，F(xiàn)LIR 系統(tǒng)公司生產(chǎn)的非制冷焦平面探測器的像元中心距以17 μm和12 μm為主; 陣列規(guī)模包括336× 256 和640 × 512；封裝形式上既有陶瓷管殼封裝，也有晶圓級封裝；NETD 指標約為40 mK左右；熱響應時間約為10 ～ 15ms。

圖10 FLIR公司的Lepton系列產(chǎn)品

FLIR系統(tǒng)公司基于WLP、WLO和ASIC芯片技術(shù)研發(fā)了采用17 μm 80 × 60非制冷紅外焦平面探測器的FLIR One型低成本小型化成像模組，隨后又發(fā)布了基于Lepton 3的12μm 160 × 120非制冷紅外熱像儀模組( 售價僅為199 美元)。通過采用雙光融合的技術(shù)方案實現(xiàn)了較好的成像效果與應用嘗試。圖10為Lepton系列產(chǎn)品的實物圖。

2.2.5 SCD公司

2010年，SCD公司報道了基于氧化釩材料的17 μm 640 × 480非制冷紅外焦平面探測器。該公司的17 μm系列產(chǎn)品的面陣規(guī)模包括384 × 288、640 × 480和1024 × 768；熱響應時間約為10 ms；NETD指標約為50 mK。他們的探測器產(chǎn)品主要針對特殊應用市場，并長久以性能與功耗著稱。

2.2.6 NEC公司

NEC 公司是一家采用氧化釩技術(shù)的非制冷紅外焦平面探測器生產(chǎn)廠商，擁有像元中心距為23.5 μm、面陣規(guī)模為320 × 240和640 ×480的探測器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品是基于屋檐狀雙層微測輻射熱計技術(shù)制成的。2013年，NEC公司成功研制出了像元中心距為12 μm、NETD為60mK的640 × 480探測器。該探測器采用了基于三層微橋技術(shù)的傳感器結(jié)構(gòu)( 見圖11 )。

圖11 NEC公司12 μm微測輻射熱計的SEM圖片

圖12 ULIS公司的Micro80P Gen2產(chǎn)品

2.2.7 ULIS公司

ULIS公司( 2019年與Sofradir公司合并成為Lynred公司 )的非制冷紅外焦平面探測器源自CEA--Leti實驗室的非晶硅微測輻射熱計技術(shù)。2000年，CEA--Leti實驗室和Sofradir公司聯(lián)合研制出了像元中心距為45 μm、陣列規(guī)模為320 ×240、NETD小于等于70 mK的非制冷紅外焦平面探測器產(chǎn)品。2002年，ULIS公司推出了像元中心距為35 μm、陣列規(guī)模為160 ×120、NETD為36 mK的非制冷紅外焦平面探測器。該公司在2003年報道了晶圓級封裝研究，2005年開發(fā)了25 μm像元技術(shù)，2008年研制了17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測器，并于2017年和2019年相繼發(fā)布了12 μm系列產(chǎn)品——Atto 320和Atto 640( NETD 小于60 mK )。此外，CEA--Leti實驗室還對PLP技術(shù)進行了開發(fā)；ULIS公司也投資了2000萬歐元，用于將這種技術(shù)推向產(chǎn)業(yè)化，從而進軍消費電子領(lǐng)域。2016年10月，據(jù)InfraredImaging News報道，ULIS公司已突破PLP技術(shù)，并將其用于生產(chǎn)Micro80P Gen2產(chǎn)品( 見圖12)。

2.2.8 L--3公司

L--3公司采用非晶硅熱敏材料技術(shù)方案，在非晶硅紅外探測器的出貨量上僅次于ULIS公司。他們在2009年實現(xiàn)了像元中心距為17 μm的探測器的量產(chǎn)，其產(chǎn)品的陣列規(guī)模覆蓋了320 × 240、640 × 480 和1024 × 768。據(jù)報道，該公司生產(chǎn)的17 μm探測器在10 ms 熱響應時間下可達到35 mK 的NETD水平。除了非晶硅之外，他們也將非晶硅鍺材料作為熱敏材料進行產(chǎn)品開發(fā)，以期提升產(chǎn)品性能。L--3 公司在2008年便報道了基于WLP技術(shù)開發(fā)的非制冷紅外焦平面探測器( 見圖13 )。2017年5月，據(jù)InfraredImaging News報道，該公司發(fā)布了首款像元中心距為12 μm的探測器產(chǎn)品( 陣列規(guī)模為1280 ×1024 )。

2. 3國內(nèi)研究進展

國內(nèi)非制冷紅外焦平面探測器研究的發(fā)展相對遲緩，早期以高校和科研院所為主力軍，且側(cè)重于材料與原型器件研制。2005年之前，國內(nèi)紅外成像廠家主要通過從ULIS公司采購焦平面探測器來研發(fā)成像機芯和熱像儀。國內(nèi)紅外成像焦平面探測器共經(jīng)歷了材料與器件原理研究( 2000 ～ 2005年 )、產(chǎn)品研制( 2005 ～2010 年 )、軍品國產(chǎn)化推進( 2010 ～ 2015年 )三個階段，“十三五”期間則正在進行產(chǎn)品系列化與產(chǎn)業(yè)化的全面推進。

圖13 L--3公司的非制冷紅外焦平面探測器

圖14 華中科技大學非制冷紅外焦平面探測器的晶圓以及微測輻射熱計SEM圖片

2.3.1材料與器件原理研究

2000 ～ 2005年，隨著Honeywell公司對非制冷紅外成像技術(shù)的小幅披露，國內(nèi)高校和科研院所對非制冷紅外焦平面探測器的材料及器件原理進行了研究。研究主力包括華中科技大學、電子科技大學以及中國兵器工業(yè)集團昆明物理研究所等。研究方向主要集中在氧化釩與BST 薄膜材料技術(shù)、熱絕緣微橋技術(shù)和讀出電路平坦化技術(shù)等，像元尺寸為100 ～45 μm，陣列規(guī)模包括32 ×32 和160 ×120。具有代表性的研究成果是，2003 年華中科技大學的易新建團隊研制出了我國首款非制冷紅外焦平面探測器原型( 見圖14 )。該探測器的陣列規(guī)模為32× 32，像元尺寸為100 μm。

2.3.2產(chǎn)品研制

2005 ～2010年，國內(nèi)主要開展了非制冷紅外焦平面探測器產(chǎn)品的研制工作。主要代表包括電子科技大學、北方廣微科技有限公司( 以下簡稱“北方廣微” )、浙江大立科技股份有限公司( 以下簡稱“大立科技” )和艾睿光電等，研制產(chǎn)品的像元中心距包括45 μm和35 μm，陣列規(guī)模包括384 × 288 和160 × 120。這些研究機構(gòu)都采用了國外相對成熟的金屬封裝形式。其中，北方廣微和艾睿光電集中進行了氧化釩技術(shù)開發(fā)，而大立科技則選擇了非晶硅技術(shù)路線。代表成果是，2009 年北方廣微研制出了我國首款非制冷紅外焦平面探測器產(chǎn)品。該探測器的陣列規(guī)模為160× 120，像元尺寸為45μm。在此期間，大立科技也報道了基于非晶硅的焦平面探測器產(chǎn)品;艾睿光電則圍繞氧化釩薄膜和熱絕緣微橋結(jié)構(gòu)進行了系列技術(shù)開發(fā)。

2.3.3軍品國產(chǎn)化推進

2011 ～2015年，國內(nèi)開始推進非制冷紅外焦平面探測器的軍品國產(chǎn)化，參與的代表企業(yè)包括艾睿光電、北方廣微、大立科技以及武漢高德紅外股份有限公司( 以下簡稱“高德紅外” )等。研制產(chǎn)品的像元中心距包括25 μm、20 μm、17 μm和14 μm，陣列規(guī)模覆蓋1024 ×768、800 × 600、640 × 512 和384 × 288。代表成果是，2015年艾睿光電發(fā)布了我國首款陣列規(guī)模為1024 × 768 ( XGA )、像元尺寸為14 μm的氧化釩非制冷紅外焦平面探測器。這是我國當時像元中心距最小的非制冷焦平面探測器產(chǎn)品。目前，艾睿光電的非制冷探測器產(chǎn)品已經(jīng)在多個軍品型號項目中順利通過了嚴苛的可靠性考核，并實現(xiàn)了批量供貨。

表1 艾睿光電非制冷紅外探測器產(chǎn)品的技術(shù)指標

2.3.4產(chǎn)品系列化與產(chǎn)業(yè)化

2016 年至今，國內(nèi)民營企業(yè)全面開展了非制冷紅外焦平面探測器產(chǎn)品的系列化與產(chǎn)業(yè)化。代表企業(yè)包括艾睿光電、北方廣微、大立科技和高德紅外等。研制產(chǎn)品的像元中心距包括20 μm、17 μm、15 ～ 12μm和10 μm，陣列規(guī)模覆蓋1920 × 1080、1280 ×1024、1024 ×768、800 × 600、640 × 512、384 × 288、256×192、160 × 120 和80 × 80。其中，量產(chǎn)產(chǎn)品集中于17 μm像元，并逐步減小至12 μm。在這些產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進程中采用了金屬、陶瓷以及晶圓級封裝技術(shù)，年產(chǎn)能為數(shù)千至數(shù)十萬個不等。

圖15 艾睿光電12 μm 640 ×512探測器的典型NETD直方圖

2016年5月，艾睿光電發(fā)布了17 μm 640×512第二代探測器系列產(chǎn)品( 器件NETD小于30 mK )；2017 年進一步發(fā)布了17 μm 384 ×288陶瓷和晶圓級封裝數(shù)字輸出產(chǎn)品( 器件NETD 小于50 mK)；2018年推出了12 μm 1280×1024探測器；2019年發(fā)布了10 μm 1280 ×1024 探測器( NETD小于40 mK )。表1列出了艾睿光電主要探測器產(chǎn)品的技術(shù)指標。可以看出，在減小像元中心距的同時，保證了同樣甚至更好的靈敏度指標。圖15為艾睿光電12 μm 640×512非制冷紅外焦平面探測器的典型NETD直方圖。圖16為艾睿光電12 μm 1280 × 1024探測器的成像圖片( 分辨率為1920 × 1080 )。在批量生產(chǎn)方面，艾睿光電正在致力于優(yōu)化產(chǎn)品一致性，即通過優(yōu)化設(shè)計與制造工藝來提升探測器的出貨一致性。

2.3.5國內(nèi)研究進展小結(jié)

表2列出了國內(nèi)研究機構(gòu)目前最先進的非制冷紅外焦平面探測器技術(shù)指標?？梢钥闯?，國內(nèi)研究機構(gòu)在像元中心距和陣列規(guī)模方面緊跟國際水平；器件NETD接近甚至超過某些國際研究機構(gòu)的同等像元尺寸產(chǎn)品。在SWaP--C方面，國內(nèi)廠商也已突破WLP、ISP、TEC--Less 等關(guān)鍵技術(shù)。艾睿光電于2018年發(fā)布的Nano 和2019 年發(fā)布的Tiny1--A都是可與國際產(chǎn)品相媲美的微型機芯模組產(chǎn)品( 見表3和圖17 )。它們適用于無人機和單兵夜視頭盔。

圖16 艾睿光電12 μm 1280 ×1024探測器的成像圖( 分辨率為1920 ×1080 )

表2 國內(nèi)非制冷紅外探測器技術(shù)指標對比

表3 全球典型微型機芯模組產(chǎn)品

圖17 艾睿光電生產(chǎn)的Tiny1--A機芯

3非制冷紅外焦平面探測器的發(fā)展趨勢

非制冷紅外焦平面探測器的發(fā)展趨勢包括高性能大面陣與SWaP--C兩條主線。其中，高性能大面陣探測器瞄準高端軍事應用，而SWaP--C型探測器或熱像儀系統(tǒng)則聚焦小型化、低功耗、低成本技術(shù)。這兩條主線的共同特點就是小像元、集成化、智能化和低功耗。

3.1小像元中心距

通過減小像元中心距不僅可以提高芯片集成度和降低芯片成本，而且更重要的是可以減小光學系統(tǒng)的尺寸，促進成像系統(tǒng)的小型化與低成本化。同時，縮小像元中心距也是走向大面陣高清紅外成像的必經(jīng)之路。目前，DRS 公司和艾睿光電已將微測輻射熱計的像元尺寸推向10 μm。隨著亞波長成像技術(shù)的進步，微測輻射熱計的像元中心距必將向著更小尺寸的方向發(fā)展。這樣便可提高紅外系統(tǒng)像方視場的空間采樣頻率，從而滿足軍用領(lǐng)域日益增長的高清與超高清紅外成像需求。

美國軍方從系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)( Modulation TransferFunction，MTF) 的角度分析了非制冷紅外焦平面探測器在小型化方面的挑戰(zhàn)。他們認為，通過在系統(tǒng)層面上進行MTF 折衷，可以將非制冷紅外焦平面探測器像元壓縮到5μm。

3.2集成化

在集成化方面，相關(guān)研究從WLP 技術(shù)走向了WLO、ISP 甚至三維封裝技術(shù)。CEA--Leti實驗室提出了一種基于雙層犧牲層工藝的像元級封裝技術(shù)。FLIR 公司通過收購掌握了紅外WLO 技術(shù)，并基于TEC--Less 數(shù)字輸出芯片開發(fā)了ISP 芯片技術(shù)，從而實現(xiàn)了高度集成的成像模組。如今的探測器集成化已經(jīng)不僅僅局限于探測器的集成化，而是追求紅外熱像儀的集成化與小型化。

3.3智能化

探測器的智能化包括讀出電路的智能化和集成系統(tǒng)的智能化。通過設(shè)計智能化的讀出電路，可以實現(xiàn)標準化的工作接口與視頻輸出；然后直接將其與DSP、ARM 或ASIC 連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和智能化。隨著芯片技術(shù)或者三維封裝技術(shù)的發(fā)展，可將智能化系統(tǒng)及功能在探測器組件層面上加以實現(xiàn)。FLIR 公司基于WLP、WLO 和ASIC 芯片技術(shù)開發(fā)的Lepton 模組便是一次成功的智能化嘗試。

3.4低功耗、TEC--Less與Shutter--less應用

降低功耗是所有光電產(chǎn)品發(fā)展的一個重要方向，更是便攜式軍用設(shè)備領(lǐng)域的迫切需求。非制冷紅外焦平面探測器芯片均采用了低功耗設(shè)計，芯片功耗一般為100 ～200 mW，而TEC的功耗約為100 ～1000 mW。因此，實現(xiàn)TEC--Less工作是降低功耗的一個主攻方向。同時，TEC--Less 工作也有利于進一步壓縮探測器及其系統(tǒng)的體積。另外，Shutter--Less 技術(shù)能夠在TEC--Less 條件下進一步降低系統(tǒng)功耗和壓縮系統(tǒng)體積，所以它也是智能化、集成化發(fā)展中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

綜合而言，非制冷紅外探測器技術(shù)必將朝著更小像元中心距、更多樣化的面陣規(guī)模、Shutter--Less 應用、智能化與集成化的方向邁進。降低紅外成像模組的批產(chǎn)成本，有利于促進單兵裝備的大批量列裝。這是提升戰(zhàn)斗力和提高作戰(zhàn)效費比的重要發(fā)展方向。制冷紅外成像系統(tǒng)的價格高達數(shù)十萬元，傳統(tǒng)非制冷紅外成像模組的價格也達到上萬元。以小像元、WLP、ISP、WLO 以及晶圓級模組制造技術(shù)推動紅外成像組件的低成本化，有望實現(xiàn)紅外裝備的大規(guī)模列裝。通過大幅壓縮非制冷紅外成像模組的制造成本，可以實現(xiàn)微型無人機載和單兵便攜式紅外成像夜視儀、微型制導炸彈與其他微型武器彈藥的末端制導，從而大幅提升武器彈藥的命中率以及裝備效費比。

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