摘要：介紹了非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)器技術(shù)與產(chǎn)品的發(fā)展簡(jiǎn)史，綜述了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究及產(chǎn)品開發(fā)的最新進(jìn)展。最后還討論了非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

0引言

近二十年間，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與微機(jī)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(cè)器技術(shù)日趨成熟，相關(guān)產(chǎn)品也逐步實(shí)現(xiàn)系列化。在學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的共同推動(dòng)下，非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)快速發(fā)展，焦平面探測(cè)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(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)迅速在軍用國(guó)防裝備和商用領(lǐng)域得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用。非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器被廣泛用于武器制導(dǎo)、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(jī)配件、可穿戴設(shè)備等個(gè)人消費(fèi)電子領(lǐng)域 )。

1非制冷紅外焦平面探測(cè)器的原理

非制冷紅外焦平面探測(cè)器是指工作在室溫附近的可將目標(biāo)的入射紅外輻射轉(zhuǎn)換為電學(xué)視頻信號(hào)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(cè)器可分為熱釋電、熱電堆、熱敏二極管以及微測(cè)輻射熱計(jì)等類型。其中，微測(cè)輻射熱計(jì)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(cè)輻射熱計(jì)型探測(cè)器是目前技術(shù)最成熟、市場(chǎng)占有率最高的主流非制冷紅外焦平面探測(cè)器。

微測(cè)輻射熱計(jì)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(cè)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(dǎo)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(cè)輻射熱計(jì)陣列的電阻變化經(jīng)放大處理后轉(zhuǎn)換為視頻電學(xué)信號(hào)并將其輸出。底部反射鏡與紅外吸收橋面構(gòu)成特定波長(zhǎng)的1/4波長(zhǎng)共振吸收腔，可增強(qiáng)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(duì)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(dǎo)能力，進(jìn)而直接決定微測(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)。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(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖

美國(guó)Honeywell研究中心的Kruse P W等圖1微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖人對(duì)微測(cè)輻射熱計(jì)的理論模型進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。微測(cè)輻射熱計(jì)的響應(yīng)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(cè)輻射熱計(jì)的吸收率；ib為偏置電流；Rb為微測(cè)輻射熱計(jì)的電阻；Ge為微測(cè)輻射熱計(jì)的有效熱導(dǎo)；ω為調(diào)制頻率；τe為有效熱時(shí)間常數(shù)。微測(cè)輻射熱計(jì)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(cè)輻射熱計(jì)的1/f噪聲系數(shù)；Vb為偏置電壓；f2和f1分別為微測(cè)輻射熱計(jì)的噪聲帶寬上下限。微測(cè)輻射熱計(jì)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(shí)間Tint和凝視時(shí)間Tstare決定：

顯然，微測(cè)輻射熱計(jì)熱敏材料的噪聲系數(shù)與電阻溫度系數(shù)、光學(xué)吸收效率與填充因子、微測(cè)輻射熱計(jì)結(jié)構(gòu)材料的熱導(dǎo)率與MEMS加工工藝能力共同決定著探測(cè)器的性能參數(shù)。開發(fā)高性能敏感薄膜與低熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)材料，設(shè)計(jì)高填充因子、低熱導(dǎo)、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(cè)器研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

非制冷紅外焦平面探測(cè)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(yīng)時(shí)間和空間噪聲等。其中，陣列規(guī)?？杀碚鲌D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(cè)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(xué)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(dāng)像元尺寸大于紅外輻射波長(zhǎng)時(shí)，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(cè)器的像元中心距已低至10 μm，與長(zhǎng)波紅外光的中心波長(zhǎng)相當(dāng)。對(duì)于長(zhǎng)波紅外探測(cè)而言，當(dāng)像元中心距進(jìn)一步減小到5 μm ( 長(zhǎng)波紅外光中心波長(zhǎng)的一半)時(shí)，圖像的空間分辨率主要受限于鏡頭的光學(xué)極限。

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

工作幀頻與熱響應(yīng)時(shí)間決定了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像的延遲。對(duì)于導(dǎo)引頭等快速目標(biāo)成像應(yīng)用來說，工作幀頻通常需要不低于50 Hz，探測(cè)器像元的熱響應(yīng)時(shí)間應(yīng)小于10 ms。

空間噪聲與NETD共同決定了圖像質(zhì)量。當(dāng)空間噪聲顯著高于時(shí)域噪聲時(shí)，圖像會(huì)明顯劣化，導(dǎo)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(cè)器的歷史與研究進(jìn)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(cè)器產(chǎn)品主要包括氧化釩和非晶硅微測(cè)輻射熱計(jì)兩大技術(shù)陣營(yíng)。其中，氧化釩技術(shù)占有70%以上的市場(chǎng)份額，是國(guó)際主流的非制冷紅外成像技術(shù)。它源自美國(guó)Honeywell研究中心，而非晶硅技術(shù)則源自美國(guó)TI公司和法國(guó)CEA--Leti實(shí)驗(yàn)室。國(guó)內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)及廠家也分為氧化釩和非晶硅微測(cè)輻射熱計(jì)兩大技術(shù)陣營(yíng)。通過投入大量的研究精力來緊追國(guó)際同行，并于2019年步入了12 μm像元產(chǎn)品時(shí)代。同時(shí)，煙臺(tái)艾睿光電科技有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“艾睿光電”) 已突破10 μm像元技術(shù)，縮小了與國(guó)際同行的差距。

2.1非制冷紅外焦平面探測(cè)器的發(fā)展簡(jiǎn)史

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

( 2 ) 20世紀(jì)80年代，在美國(guó)政府HIDAD項(xiàng)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(cè)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(guó)際上非制冷紅外焦平面探測(cè)器的主要供應(yīng)商——FLIR、Raytheon Vision System、BAE System、DRS、SCD、NEC 等。

( 4 ) 20世紀(jì)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(chǎng)前景并不樂觀。在同一時(shí)期，TI公司開始研制非晶硅技術(shù)。隨后他們將這兩項(xiàng)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(jì)90年代末，法國(guó)CEA--Leti實(shí)驗(yàn)室成功研制出了非晶硅非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)，后來將其授權(quán)給ULIS公司進(jìn)行量產(chǎn)。

( 6 ) 1995年，LORAL公司( 后被BAESystem收購(gòu) )和ROCKWELL公司( 后被DRS 收購(gòu) )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(cè)器產(chǎn)品。

( 8 ) 1999年，Raytheon公司推出了當(dāng)時(shí)靈敏度最高的SB--151型VOx IRFPA產(chǎn)品。該探測(cè)器的陣列規(guī)模為320 × 240，像元中心距為50 μm，像元響應(yīng)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(jìn)入“20”時(shí)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(guó)際非制冷紅外成像市場(chǎng)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(chǎng)主流產(chǎn)品。

( 14 ) 2014年，F(xiàn)LIR Systems公司推出了全球首款消費(fèi)類紅外相機(jī)——FLIR ONE。經(jīng)過一年的改進(jìn)，他們于2015年推出的FLIRONE 2相機(jī)上集成了非制冷紅外領(lǐng)域的諸多先進(jìn)技術(shù)，比如12 μm像元、晶圓級(jí)封裝(Wafer-Level Packaging，WLP )、晶圓級(jí)光學(xué)( Wafer-Level Optics，WLO )以及專用圖像信號(hào)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(cè)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(cè)器。2016年，他們公開報(bào)道了這種探測(cè)器的性能指標(biāo)和成像圖片。該探測(cè)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(cè)器。

2.2國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外非制冷紅外焦平面探測(cè)器源自Honeywell公司的氧化釩技術(shù)以及TI公司和CEA--Leti實(shí)驗(yàn)室的非晶硅技術(shù)。其中，氧化釩技術(shù)的代表包括美國(guó)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(guó)ULIS公司和美國(guó)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(gè)方向進(jìn)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(bào)道了基于視場(chǎng)拼接技術(shù)的17 μm 2048 ×1536非制冷紅外焦平面探測(cè)器，并開發(fā)了12 μm 1920 × 1200非制冷紅外焦平面探測(cè)器。DRS公司研制了10 μm 1280 ×1024非制冷紅外焦平面探測(cè)器和17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測(cè)器。BAE公司開發(fā)了12 μm 1920 ×1200非制冷紅外焦平面探測(cè)器，并開始研制10 μm 1280 × 1024非制冷紅外焦平面探測(cè)器。SCD公司開發(fā)了17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)器，ULIS公司開發(fā)了17 μm 1024 × 768非制冷紅外焦平面探測(cè)器。韓國(guó)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(cè)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(cè)器和WLO 技術(shù)的Lepton 成像模組與Boson 機(jī)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局( Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) LCTI--M項(xiàng)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(diǎn)。ULIS公司在2016年突破了像元級(jí)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(cè)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(cè)輻射熱計(jì)技術(shù)。BoeingDefense and Space 公司在1999 年報(bào)道了其U4000型非制冷紅外焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)。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(cè)器。DRS 公司于2001 年收購(gòu)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(cè)器。該公司于2007 年報(bào)道了17 μm 640 ×480 非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)器。這些探測(cè)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(cè)輻射熱計(jì)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(yīng)率。另外，他們還采用了惠斯通電橋電路架構(gòu)，使探測(cè)器具備像元自加熱效應(yīng)的自動(dòng)消除功能以及TEC--Less 補(bǔ)償功能。

圖2 DRS公司非制冷紅外焦平面探測(cè)器的封裝形式

圖3 DRS 公司微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)圖

DRS公司在DARPA LCTI--M項(xiàng)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(cè)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(guó)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(dá)8. 6 mK 的SB--151型探測(cè)器。2001 年，該公司報(bào)道了像元中心距為25 μm的焦平面探測(cè)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(cè)器。2009年，Raytheon 公司與Freescale公司達(dá)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(chǎng)拼接技術(shù)的17 μm 2048 ×1536非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)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(cè)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(jí)封裝探測(cè)器

Raytheon公司在DARPA LCTI--M項(xiàng)目的支持下開展了低成本紅外熱像儀研制，并于2015 年報(bào)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(cè)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(jìn)軍消費(fèi)電子領(lǐng)域，且售價(jià)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(yīng)商，也是世界知名的氧化釩非制冷紅外焦平面探測(cè)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(hào)的熱像儀機(jī)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(bào)道了像元中心距為17 μm的640 × 480 非制冷紅外焦平面探測(cè)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(cè)器。

BAE系統(tǒng)公司在DARPA LCTI--M 項(xiàng)目的支持下開展了低成本紅外熱像儀研制，并于2014年報(bào)道了12 μm 640 × 480 非制冷紅外成像機(jī)芯。2015 年，該公司繼續(xù)深入報(bào)道了其在LCTI--M項(xiàng)目支持下開展Smart--Chip 熱像儀( 見圖9) 研制工作的進(jìn)展( 其探測(cè)器采用晶圓級(jí)封裝技術(shù))。2019 年，他們?cè)谌毡炯t外陣列傳感器論壇上介紹了第二代全高清非制冷紅外機(jī)芯——Athena 1920 ( 1920 ×1200@12 μm) 。作為第一代產(chǎn)品TWV1912 的升級(jí)版，Athena 1920 機(jī)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(jì)、制造及銷售領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)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(jī)和機(jī)械檢測(cè)系統(tǒng)等。該公司不單獨(dú)銷售焦平面探測(cè)器，都是以機(jī)芯或整機(jī)系統(tǒng)形式銷售。他們?cè)?004 年收購(gòu)Indigo Systems公司后便具備了TEC--Less非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)，其探測(cè)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(cè)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(jí)封裝；NETD 指標(biāo)約為40 mK左右；熱響應(yīng)時(shí)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(cè)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(jià)僅為199 美元)。通過采用雙光融合的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了較好的成像效果與應(yīng)用嘗試。圖10為L(zhǎng)epton系列產(chǎn)品的實(shí)物圖。

2.2.5 SCD公司

2010年，SCD公司報(bào)道了基于氧化釩材料的17 μm 640 × 480非制冷紅外焦平面探測(cè)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(yīng)時(shí)間約為10 ms；NETD指標(biāo)約為50 mK。他們的探測(cè)器產(chǎn)品主要針對(duì)特殊應(yīng)用市場(chǎng)，并長(zhǎng)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(cè)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(cè)器產(chǎn)品。這些產(chǎn)品是基于屋檐狀雙層微測(cè)輻射熱計(jì)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(cè)器。該探測(cè)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(cè)輻射熱計(jì)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L(zhǎng)ynred公司 )的非制冷紅外焦平面探測(cè)器源自CEA--Leti實(shí)驗(yàn)室的非晶硅微測(cè)輻射熱計(jì)技術(shù)。2000年，CEA--Leti實(shí)驗(yàn)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(cè)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(cè)器。該公司在2003年報(bào)道了晶圓級(jí)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(cè)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(shí)驗(yàn)室還對(duì)PLP技術(shù)進(jìn)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(jìn)軍消費(fèi)電子領(lǐng)域。2016年10月，據(jù)InfraredImaging News報(bào)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(cè)器的出貨量上僅次于ULIS公司。他們?cè)?009年實(shí)現(xiàn)了像元中心距為17 μm的探測(cè)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(bào)道，該公司生產(chǎn)的17 μm探測(cè)器在10 ms 熱響應(yīng)時(shí)間下可達(dá)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(jìn)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(bào)道了基于WLP技術(shù)開發(fā)的非制冷紅外焦平面探測(cè)器( 見圖13 )。2017年5月，據(jù)InfraredImaging News報(bào)道，該公司發(fā)布了首款像元中心距為12 μm的探測(cè)器產(chǎn)品( 陣列規(guī)模為1280 ×1024 )。

2. 3國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

國(guó)內(nèi)非制冷紅外焦平面探測(cè)器研究的發(fā)展相對(duì)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(guó)內(nèi)紅外成像廠家主要通過從ULIS公司采購(gòu)焦平面探測(cè)器來研發(fā)成像機(jī)芯和熱像儀。國(guó)內(nèi)紅外成像焦平面探測(cè)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(guó)產(chǎn)化推進(jìn)( 2010 ～ 2015年 )三個(gè)階段，“十三五”期間則正在進(jìn)行產(chǎn)品系列化與產(chǎn)業(yè)化的全面推進(jìn)。

圖13 L--3公司的非制冷紅外焦平面探測(cè)器

圖14 華中科技大學(xué)非制冷紅外焦平面探測(cè)器的晶圓以及微測(cè)輻射熱計(jì)SEM圖片

2.3.1材料與器件原理研究

2000 ～ 2005年，隨著Honeywell公司對(duì)非制冷紅外成像技術(shù)的小幅披露，國(guó)內(nèi)高校和科研院所對(duì)非制冷紅外焦平面探測(cè)器的材料及器件原理進(jìn)行了研究。研究主力包括華中科技大學(xué)、電子科技大學(xué)以及中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)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(xué)的易新建團(tuán)隊(duì)研制出了我國(guó)首款非制冷紅外焦平面探測(cè)器原型( 見圖14 )。該探測(cè)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(guó)內(nèi)主要開展了非制冷紅外焦平面探測(cè)器產(chǎn)品的研制工作。主要代表包括電子科技大學(xué)、北方廣微科技有限公司( 以下簡(jiǎn)稱“北方廣微” )、浙江大立科技股份有限公司( 以下簡(jiǎn)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(jī)構(gòu)都采用了國(guó)外相對(duì)成熟的金屬封裝形式。其中，北方廣微和艾睿光電集中進(jìn)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(guó)首款非制冷紅外焦平面探測(cè)器產(chǎn)品。該探測(cè)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(bào)道了基于非晶硅的焦平面探測(cè)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(jìn)行了系列技術(shù)開發(fā)。

2.3.3軍品國(guó)產(chǎn)化推進(jìn)

2011 ～2015年，國(guó)內(nèi)開始推進(jìn)非制冷紅外焦平面探測(cè)器的軍品國(guó)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(jiǎn)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(guó)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(cè)器。這是我國(guó)當(dāng)時(shí)像元中心距最小的非制冷焦平面探測(cè)器產(chǎn)品。目前，艾睿光電的非制冷探測(cè)器產(chǎn)品已經(jīng)在多個(gè)軍品型號(hào)項(xiàng)目中順利通過了嚴(yán)苛的可靠性考核，并實(shí)現(xiàn)了批量供貨。

表1 艾睿光電非制冷紅外探測(cè)器產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)

2.3.4產(chǎn)品系列化與產(chǎn)業(yè)化

2016 年至今，國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)全面開展了非制冷紅外焦平面探測(cè)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(jìn)程中采用了金屬、陶瓷以及晶圓級(jí)封裝技術(shù)，年產(chǎn)能為數(shù)千至數(shù)十萬個(gè)不等。

圖15 艾睿光電12 μm 640 ×512探測(cè)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(cè)器系列產(chǎn)品( 器件NETD小于30 mK )；2017 年進(jìn)一步發(fā)布了17 μm 384 ×288陶瓷和晶圓級(jí)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(cè)器；2019年發(fā)布了10 μm 1280 ×1024 探測(cè)器( NETD小于40 mK )。表1列出了艾睿光電主要探測(cè)器產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)?？梢钥闯?，在減小像元中心距的同時(shí)，保證了同樣甚至更好的靈敏度指標(biāo)。圖15為艾睿光電12 μm 640×512非制冷紅外焦平面探測(cè)器的典型NETD直方圖。圖16為艾睿光電12 μm 1280 × 1024探測(cè)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(jì)與制造工藝來提升探測(cè)器的出貨一致性。

2.3.5國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展小結(jié)

表2列出了國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)目前最先進(jìn)的非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)指標(biāo)?？梢钥闯觯瑖?guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在像元中心距和陣列規(guī)模方面緊跟國(guó)際水平；器件NETD接近甚至超過某些國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的同等像元尺寸產(chǎn)品。在SWaP--C方面，國(guó)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(guó)際產(chǎn)品相媲美的微型機(jī)芯模組產(chǎn)品( 見表3和圖17 )。它們適用于無人機(jī)和單兵夜視頭盔。

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

表2 國(guó)內(nèi)非制冷紅外探測(cè)器技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

表3 全球典型微型機(jī)芯模組產(chǎn)品

圖17 艾睿光電生產(chǎn)的Tiny1--A機(jī)芯

3非制冷紅外焦平面探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)

非制冷紅外焦平面探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)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(cè)器瞄準(zhǔn)高端軍事應(yīng)用，而SWaP--C型探測(cè)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(diǎn)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(xué)系統(tǒng)的尺寸，促進(jìn)成像系統(tǒng)的小型化與低成本化。同時(shí)，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(cè)輻射熱計(jì)的像元尺寸推向10 μm。隨著亞波長(zhǎng)成像技術(shù)的進(jìn)步，微測(cè)輻射熱計(jì)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(chǎng)的空間采樣頻率，從而滿足軍用領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的高清與超高清紅外成像需求。

美國(guó)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(cè)器在小型化方面的挑戰(zhàn)。他們認(rèn)為，通過在系統(tǒng)層面上進(jìn)行MTF 折衷，可以將非制冷紅外焦平面探測(cè)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(shí)驗(yàn)室提出了一種基于雙層犧牲層工藝的像元級(jí)封裝技術(shù)。FLIR 公司通過收購(gòu)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(shí)現(xiàn)了高度集成的成像模組。如今的探測(cè)器集成化已經(jīng)不僅僅局限于探測(cè)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(cè)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(jì)智能化的讀出電路，可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(cè)器組件層面上加以實(shí)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(yīng)用

降低功耗是所有光電產(chǎn)品發(fā)展的一個(gè)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(cè)器芯片均采用了低功耗設(shè)計(jì)，芯片功耗一般為100 ～200 mW，而TEC的功耗約為100 ～1000 mW。因此，實(shí)現(xiàn)TEC--Less工作是降低功耗的一個(gè)主攻方向。同時(shí)，TEC--Less 工作也有利于進(jìn)一步壓縮探測(cè)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(jìn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

綜合而言，非制冷紅外探測(cè)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(yīng)用、智能化與集成化的方向邁進(jìn)。降低紅外成像模組的批產(chǎn)成本，有利于促進(jìn)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(fèi)比的重要發(fā)展方向。制冷紅外成像系統(tǒng)的價(jià)格高達(dá)數(shù)十萬元，傳統(tǒng)非制冷紅外成像模組的價(jià)格也達(dá)到上萬元。以小像元、WLP、ISP、WLO 以及晶圓級(jí)模組制造技術(shù)推動(dòng)紅外成像組件的低成本化，有望實(shí)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(shí)現(xiàn)微型無人機(jī)載和單兵便攜式紅外成像夜視儀、微型制導(dǎo)炸彈與其他微型武器彈藥的末端制導(dǎo)，從而大幅提升武器彈藥的命中率以及裝備效費(fèi)比。

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