對(duì)于紅外探測(cè)器的工作原理你了解多少呢？本文將為大家解析非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)原理及機(jī)芯介紹。
非制冷紅外技術(shù)原理
非制冷紅外探測(cè)器利用紅外輻射的熱效應(yīng)，由紅外吸收材料將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個(gè)物理參數(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設(shè)計(jì)的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或可見光信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的探測(cè)。
非制冷紅外焦平面探測(cè)器分類
非制冷紅外焦平面探測(cè)器是熱成像系統(tǒng)的核心部件。以下介紹了非制冷紅外焦平面探測(cè)器的工作原理及微測(cè)輻射熱計(jì)、讀出電路、真空封裝三大技術(shù)模塊，分析了影響其性能的關(guān)鍵參數(shù)。與微測(cè)輻射熱計(jì)設(shè)計(jì)相關(guān)的重要參數(shù)包括低的熱導(dǎo)、高的紅外吸收率、合適的熱敏材料等；讀出電路的傳統(tǒng)功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換讀出，近年來也逐漸加入了信號(hào)補(bǔ)償?shù)墓δ埽徽婵辗庋b技術(shù)包括了金屬管殼封裝、陶瓷管殼封裝、晶圓級(jí)封裝和像元級(jí)封裝。
概述
紅外焦平面探測(cè)器是熱成像系統(tǒng)的核心部件，是探測(cè)、識(shí)別和分析物體紅外信息的關(guān)鍵，在軍事、工業(yè)、交通、安防監(jiān)控、氣象、醫(yī)學(xué)等各行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。紅外焦平面探測(cè)器可分為制冷型紅外焦平面探測(cè)器和非制冷紅外焦平面探測(cè)器，制冷型紅外焦平面探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高，能夠分辨更細(xì)微的溫度差別，探測(cè)距離較遠(yuǎn)，主要應(yīng)用于高端軍事裝備；非制冷紅外焦平面探測(cè)器無需制冷裝置，能夠工作在室溫狀態(tài)下，具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、壽命長(zhǎng)、成本低、啟動(dòng)快等優(yōu)點(diǎn)。
雖然在靈敏度上不如制冷型紅外焦平面探測(cè)器，但非制冷紅外焦平面探測(cè)器的性能已可滿足部分軍事裝備及絕大多數(shù)民用領(lǐng)域的技術(shù)需要。近年來，隨著非制冷紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)的不斷進(jìn)步和制造成本的逐漸下降，其性價(jià)比快速提升，為推動(dòng)非制冷紅外焦平面探測(cè)器的大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用創(chuàng)造了良好條件。
非制冷紅外焦平面探測(cè)器主要是以微機(jī)電技術(shù)（MEMS）制備的熱傳感器為基礎(chǔ)，大致可分為熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機(jī)械、微測(cè)輻射熱計(jì)等幾種類型，其中微測(cè)輻射熱計(jì)的技術(shù)發(fā)展非常迅猛，所占市場(chǎng)份額也最大。近年來非制冷紅外焦平面探測(cè)器的陣列規(guī)模不斷增大，像元尺寸不斷減小，并且在探測(cè)器單元結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)、讀出電路設(shè)計(jì)、封裝形式等方面出現(xiàn)了不少新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。本文將在介紹測(cè)輻射熱計(jì)型非制冷紅外焦平面探測(cè)器的基礎(chǔ)上，分析其技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。
微測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA及其技術(shù)進(jìn)展
非制冷紅外焦平面探測(cè)器從設(shè)計(jì)到制造可分成微測(cè)輻射熱計(jì)、讀出電路、真空封裝等 3 大技術(shù)模塊。下面分別對(duì)它們進(jìn)行介紹。
1.1 微測(cè)輻射熱計(jì)的設(shè)計(jì)與制造
圖1為單個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖，在硅襯底上通過MEMS技術(shù)生長(zhǎng)出與橋面結(jié)構(gòu)非常相似的像元，也稱之為微橋。橋面通常由多層材料組成，包括用于吸收紅外輻射能量的吸收層，和將溫度變化轉(zhuǎn)換成電壓（或電流）變化的熱敏層，橋臂和橋墩起到支撐橋面，并實(shí)現(xiàn)電連接的作用。微測(cè)輻射熱計(jì)的工作原理是：來自目標(biāo)的熱輻射通過紅外光學(xué)系統(tǒng)聚焦到探測(cè)器焦平面陣列上，各個(gè)微橋的紅外吸收層吸收紅外能量后溫度發(fā)生變化，不同微橋接收到不同能量的熱輻射，其自身的溫度變化就不同，從而引起各微橋的熱敏層電阻值發(fā)生相應(yīng)的改變，這種變化經(jīng)由探測(cè)器內(nèi)部的讀出電路轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，經(jīng)過探測(cè)器外部的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理電路最終得到反映目標(biāo)溫度分布情況的可視化電子圖像。
圖1 微測(cè)輻射熱計(jì)像元結(jié)構(gòu)示意圖
為了獲得更好的性能，需要在微測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做精心的考慮與參數(shù)折衷。主要的設(shè)計(jì)參數(shù)及要求包括：微測(cè)輻射熱計(jì)與其周圍環(huán)境之間的熱導(dǎo)要盡量?。粚?duì)紅外輻射的有效吸收區(qū)域面積盡量大以獲得較高的紅外輻射吸收率；選用的熱敏材料需要具有較高的電阻溫度系數(shù)（TCR）、盡量低的1/f噪聲和盡量小的熱時(shí)間常數(shù)。
1.1.1 熱導(dǎo)
如圖1所示，為使微測(cè)輻射熱計(jì)與其襯底間的熱導(dǎo)盡量小，微橋的橋臂設(shè)計(jì)需要用低熱導(dǎo)材料，并采用長(zhǎng)橋臂小截面積的設(shè)計(jì)。此外，需將微測(cè)輻射熱計(jì)探測(cè)器陣列封裝在一個(gè)真空的管殼內(nèi)部，以減小其與周圍空氣之間的熱導(dǎo)。
1.1.2 吸收率
要使微測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)紅外輻射的吸收率盡量高，可從以下兩方面入手。
1）提高填充系數(shù)
填充系數(shù)定義為微測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)紅外輻射的有效吸收面積占其總面積的百分比。微橋的橋臂、相鄰微橋之間的空隙、連接微橋與讀出電路的過孔等所占的面積都是沒有紅外吸收能力的。圖1所示的是典型的單層微橋結(jié)構(gòu)，其填充系數(shù)一般是60%～70%，且隨著像元尺寸的減小，單層結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)會(huì)進(jìn)一步下降。
要增加填充系數(shù)以獲得更高的吸收率，可以采用如圖2所示的雙層傘形微橋結(jié)構(gòu)，紅外輻射吸收材料處于上方第二層，形似撐開的雨傘，橋臂及其他無吸收能力的部分都放到傘下的第一層。這種結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)可做到90%左右。
圖2 雙層傘形微橋結(jié)構(gòu)
2）光學(xué)諧振腔設(shè)計(jì)
通過設(shè)計(jì)光學(xué)諧振腔也可以提高微測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)紅外輻射的吸收率。因?yàn)橛邢喈?dāng)一部分入射的紅外輻射能量會(huì)穿透微橋結(jié)構(gòu)的紅外吸收層，所以通常在微橋下方制作一層紅外反射面，將從上方透射來的紅外輻射能量反射回紅外吸收層進(jìn)行二次吸收。吸收層與反射面之間的距離對(duì)于二次吸收的效果有較大影響，如果設(shè)計(jì)為紅外輻射波長(zhǎng)的1/4，就可增加吸收層對(duì)反射回來的紅外能量的吸收。對(duì) 8～14um的長(zhǎng)波紅外輻射，該距離約為2～2.5um。
圖3(a)所示為一種類型的諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，反射面位于讀出電路的硅襯底表面，所以微橋的橋面與硅襯底的距離是1/4輻射波長(zhǎng)；圖3(b)所示為另一種類型的諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖，反射面位于微橋的下表面，所以微橋的厚度要做成1/4輻射波長(zhǎng)。
圖3 紅外光學(xué)諧振腔示意圖
1.1.3 熱敏材料
熱敏材料的選取對(duì)于微測(cè)輻射熱計(jì)的靈敏度（NETD）有非常大的影響，優(yōu)選具有高溫度電阻系數(shù)（TCR）和低1/f噪聲的材料，同時(shí)還要考慮到所選材料與讀出電路的集成工藝是否方便高效。目前最為常用的熱敏材料包括氧化釩（VOx）、多晶硅 （a-Si）、硅二極管等。微測(cè)輻射熱計(jì)的NETD主要受限于熱敏材料的1/f噪聲，這種噪聲與材料特性密切相關(guān)，不同材料的1/f噪聲可能會(huì)相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至對(duì)材料復(fù)合態(tài)的細(xì)微調(diào)整也會(huì)帶來1/f噪聲的顯著變化。
1）氧化釩（VOx）
20世紀(jì)80年代初，美國(guó)的Honeywell公司在軍方資助下開始研究氧化釩薄膜，并于 20 世紀(jì) 80 年代末研制出非制冷氧化釩微測(cè)輻射熱計(jì)。氧化釩材料具有較高的TCR（在室溫環(huán)境下約為 2%/K～3%/K），其制備技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已很成熟，在微測(cè)輻射熱計(jì)產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。
氧化釩也有多種復(fù)合形態(tài)，如VO2、V2O5、V2O3等。單晶態(tài)的VO2、V2O5的TCR高達(dá)4%，但是需要采用特殊制備工藝才能得到；V2O5的室溫電阻太大，會(huì)導(dǎo)致較高的器件噪聲；V2O3 的制備技術(shù)相對(duì)不太復(fù)雜，且室溫電阻較低，能得到更低的器件噪聲，成為重點(diǎn)研究的氧化釩材料。
2）多晶硅（a-Si）
法國(guó)原子能委員會(huì)與信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室/紅外實(shí)驗(yàn)室（CEA2LETI/LIR）從1992年開始研究多晶硅材料的探測(cè)器，目前技術(shù)上已很成熟。多晶硅的TCR與VOx相當(dāng)，也是一種得到較多應(yīng)用的微測(cè)輻射熱計(jì)材料，其優(yōu)點(diǎn)是與標(biāo)準(zhǔn)硅工藝完全兼容，制備過程相對(duì)簡(jiǎn)單。但由于多晶硅是無定形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)的1/f噪聲比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料。由于采用多晶硅材料的微測(cè)輻射熱計(jì)可以將薄膜厚度控制的非常小，具有較低的熱容，所以在保持較低熱響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)也具有較小的熱導(dǎo)，可一定程度兼顧圖像刷新率和信號(hào)響應(yīng)率的要求。
3）硅二極管（SOI）
硅二極管正向壓降的溫度系數(shù)特性可用于紅外探測(cè)器的制造。紅外吸收導(dǎo)致的溫度變化可帶來的PN結(jié)正向壓降變化并不顯著，等效的TCR只有0.2%/K，比通常的電阻型熱敏材料低一個(gè)數(shù)量級(jí)。但硅二極管的優(yōu)點(diǎn)在于其面積可做的比電阻的面積更小，因而能做出尺寸更小的像元，獲得更大陣列規(guī)模的焦平面。硅二極管微測(cè)輻射熱計(jì)可在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝線上生產(chǎn)，制造更為方便。
4）其他材料
還有一些材料也可用于微測(cè)輻射熱計(jì)的制造，它們具有某些優(yōu)異的特性，但也存在較明顯的缺點(diǎn)。鈦金屬薄膜具有較低的1/f噪聲，可方便地與CMOS讀出電路集成，具有較低的熱導(dǎo)，但其TCR只有0.35%/K 左右；鍺硅氧化物材料（ GexSi1-xOy）具有較高的TCR（可達(dá)5%/K 以上）和較低的熱導(dǎo)，但其較高的1/f噪聲限制了最終器件的性能；硅鍺（SiGe）是一種值得關(guān)注的材料，可采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)非常薄（如100 nm）的薄膜制備，并具有較高的TCR（3%/K 以上），通過實(shí)現(xiàn)單晶態(tài)的SiGe可得到較低的1/f噪聲；YBaCuO是另一種值得關(guān)注的材料，有比VOx高的電阻溫度系數(shù)（約3.5%/K）以及較低的1/f噪聲，其光譜響應(yīng)范圍很寬（0.3～100um)，是未來制造多光譜探測(cè)器的潛在材料。
1.2 讀出電路（ROIC）
非制冷紅外焦平面探測(cè)器的讀出電路將每個(gè)微測(cè)輻射熱計(jì)的微小電阻變化以電信號(hào)的方式輸出。照射到焦平面上的紅外輻射所產(chǎn)生的信號(hào)電流非常小，一般為納安甚至皮安級(jí)，這種小信號(hào)很容易受到其他噪聲的干擾，因此讀出電路的電學(xué)噪聲要控制的盡量小，以免對(duì)探測(cè)器的靈敏度指標(biāo)造成不必要的影響。
傳統(tǒng)讀出電路的工作原理是：給微測(cè)輻射熱計(jì)的熱敏薄膜施加固定的低噪聲偏置電壓，將其隨溫度的阻值變化以電流變化的形式得到，再由積分器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器輸出，如圖4所示。
圖4 非制冷紅外焦平面的讀出電路原理圖
探測(cè)器制造工藝存在的偏差會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器的輸出信號(hào)存在非均勻性，近年來一些降低讀出信號(hào)非均勻性的設(shè)計(jì)方法逐漸在讀出電路上得到實(shí)現(xiàn)。例如列條紋非均勻性就是一種與讀出電路密切相關(guān)的形態(tài)，這是由于讀出電路中有一些部件是焦平面陣列中每一列共用的，如積分器。這種電路結(jié)構(gòu)會(huì)給同一列的輸出信號(hào)引入一些共性特征，不同列之間的特征差異就表現(xiàn)為列條紋。針對(duì)列條紋的產(chǎn)生機(jī)理，可以通過改進(jìn)讀出電路設(shè)計(jì)來有效地抑制甚至基本消除列條紋，提高列與列之間的均勻性。
早期的非制冷紅外焦平面探測(cè)器必須使用熱電溫控器（TEC）來保持焦平面陣列的溫度穩(wěn)定，這是因?yàn)椴煌裨g由于制造工藝的偏差會(huì)帶來阻值的差異，最終表現(xiàn)為陣列的不均勻性：即使所有像元接受同樣的黑體輻射，它們各自輸出的電壓信號(hào)幅值也是不同的；即使所有像元面對(duì)同樣的黑體輻射變化，它們各自所輸出的電壓信號(hào)的變化量也是不同的。上述這種由于像元之間差異所導(dǎo)致的陣列不均勻性，還會(huì)隨著焦平面溫度的變化而改變，使得探測(cè)器輸出信號(hào)呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化，為后續(xù)信號(hào)處理工作帶來困難。近年來隨著讀出電路設(shè)計(jì)水平的提高，在實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)讀出電路的行選列選、積分器、信號(hào)驅(qū)動(dòng)等基礎(chǔ)功能之外，一些抑制像元輸出信號(hào)隨溫度漂移的補(bǔ)償電路也逐漸用于讀出電路設(shè)計(jì)，從而可以實(shí)現(xiàn)無TEC應(yīng)用，使得非制冷紅外焦平面探測(cè)器在功耗、體積、成本等方面更具備優(yōu)勢(shì)。
1.3 真空封裝技術(shù)
微測(cè)輻射熱計(jì)接收目標(biāo)紅外輻射后的溫度變化很微弱，為了使其上面的熱量能夠維持住，避免與空氣分子進(jìn)行熱交換，需要將其置于真空環(huán)境下工作，一般對(duì)真空度的要求是小于0.01mbar（即0.00001atm）。對(duì)非制冷紅外焦平面探測(cè)器真空封裝的要求是： 優(yōu)異且可靠的密閉性； 具有高透過率的紅外窗口；高成品率；低成本。目前的封裝技術(shù)可分為芯片級(jí)、晶圓級(jí)、像元級(jí)等，其中芯片級(jí)封裝技術(shù)按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。
1.3.1 金屬管殼封裝
金屬管殼封裝是最早開始采用的封裝技術(shù)，技術(shù)已非常成熟，圖5是金屬管殼封裝使用的主要部件。由于采用了金屬管殼、TEC和吸氣劑等成本較高的部件，導(dǎo)致金屬管殼封裝的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應(yīng)用受到限制。
圖5 非制冷紅外焦平面的金屬管殼封裝部件
金屬管殼封裝形式的探測(cè)器曾經(jīng)占據(jù)了非制冷紅外焦平面探測(cè)器的大部分市場(chǎng)，無論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠商都有大量的此類封裝產(chǎn)品。圖6為幾種量產(chǎn)的金屬管殼封裝的探測(cè)器。隨著更低成本的新封裝技術(shù)的日漸成熟，目前金屬管殼封裝形式的探測(cè)器所占市場(chǎng)份額已經(jīng)顯著減少。
1.3.2 陶瓷管殼封裝
陶瓷管殼封裝是近年來逐漸普及的紅外探測(cè)器封裝技術(shù)，可顯著減小封裝后探測(cè)器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。陶瓷管殼封裝技術(shù)的發(fā)展得益于目前無TEC技術(shù)的發(fā)展，省去TEC可以減小對(duì)封裝管殼體積的要求并降低成本。圖7為兩種典型的陶瓷管殼封裝紅外探測(cè)器。
圖6 非制冷紅外焦平面的陶瓷管殼封裝
1.3.3 晶圓級(jí)封裝
晶圓級(jí)封裝是近兩年開始走向?qū)嵱玫囊环N新型紅外探測(cè)器封裝技術(shù)，需要制造與微測(cè)輻射熱計(jì)晶圓相對(duì)應(yīng)的另一片硅窗晶圓，硅窗晶圓通常采用單晶硅材料以獲得更好的紅外透射率，并在硅窗口兩面都鍍有防反增透膜。微測(cè)輻射熱計(jì)晶圓與硅窗晶圓通過精密對(duì)位，紅外探測(cè)器芯片與硅窗一一對(duì)準(zhǔn)，在真空腔體內(nèi)通過焊料環(huán)焊接在一起，最后再裂片成為一個(gè)個(gè)真空密閉的晶圓級(jí)紅外探測(cè)器。圖8是一個(gè)晶圓級(jí)封裝紅外探測(cè)器的剖面圖和晶圓級(jí)封裝示意圖。
圖7 非制冷紅外焦平面的晶圓級(jí)封裝
與陶瓷管殼封裝技術(shù)相比，晶圓級(jí)封裝技術(shù)的集成度更高，工藝步驟也有所簡(jiǎn)化，更適合大批量和低成本生產(chǎn)。晶圓級(jí)封裝技術(shù)的應(yīng)用為紅外熱成像的大規(guī)模市場(chǎng)（如車載、監(jiān)控、手持設(shè)備等）提供了具有足夠性價(jià)比的探測(cè)器。
1.3.4 像元級(jí)封裝
像元級(jí)封裝技術(shù)是一種全新的封裝技術(shù)，相當(dāng)于在非制冷紅外焦平面探測(cè)器的每個(gè)像元微橋結(jié)構(gòu)之外再通過MEMS技術(shù)制造一個(gè)倒扣的微蓋，將各個(gè)像元獨(dú)立的密封起來。圖9是其工藝過程的示意圖，其中1～5步是目前的微測(cè)輻射熱計(jì)的MEMS工藝步驟，在這之后繼續(xù)在微橋的橋面上方生長(zhǎng)第二層犧牲層，做為生長(zhǎng)紅外窗口薄膜的支撐層。待紅外窗口薄膜及微蓋四壁生長(zhǎng)完成后，在真空腔體內(nèi)通過窗口上的釋放孔將前后兩次的犧牲層釋放掉，最后封堵住釋放孔，完成像元級(jí)真空封裝。
圖8 像元級(jí)封裝工藝步驟
像元級(jí)封裝技術(shù)使封裝成為了MEMS工藝過程中的一個(gè)步驟，這極大地改變了目前的封裝技術(shù)形態(tài)，簡(jiǎn)化了非制冷紅外焦平面探測(cè)器的制造過程，使封裝成本降低到極致。目前這種技術(shù)還處于研究階段，但隨著像元級(jí)封裝技術(shù)的成熟和實(shí)用化，非制冷紅外焦平面探測(cè)器的成本還將大幅下降，更加貼近民用和消費(fèi)級(jí)應(yīng)用市場(chǎng)的需求。
