红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器，制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远，主要应用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。虽然在灵敏度上不如制冷型红外焦平面探测器，但非制冷红外焦平面探测器的性能已可满足部分军事装备及绝大多数民用领域的技术需要。近年来，随着非制冷红外焦平面探测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比快速提升，为推动非制冷红外焦平面探测器的大规模市场应用创造了良好条件。
非制冷红外焦平面探测器主要是以微机电技术（）制备的热传感器为基础，大致可分为热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计等几种类型，其中微测辐射热计的技术发展非常迅猛，所占市场份额也最大。近年来非制冷红外焦平面探测器的阵列规模不断增大，像元尺寸不断减小，并且在探测器单元结构及其优化设计、读出电路设计、封装形式等方面出现了不少新的技术发展趋势。本文将在介绍测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器的基础上，分析其技术发展趋势。
1 微测辐射热计IRFPA及其技术进展
非制冷红外焦平面探测器从设计到制造可分成微测辐射热计、读出电路、真空封装等 3 大技术模块。下面分别对它们进行介绍。
1.1 微测辐射热计的设计与制造
图1为单个微测辐射热计的结构示意图，在硅衬底上通过MEMS技术生长出与桥面结构非常相似的像元，也称之为微桥。桥面通常由多层材料组成，包括用于吸收红外辐射能量的吸收层，和将温度变化转换成电压（或电流）变化的热敏层，桥臂和桥墩起到支撑桥面，并实现电连接的作用。微测辐射热计的工作原理是：来自目标的热辐射通过红外光学系统聚焦到焦平面阵列上，各个微桥的红外吸收层吸收红外能量后温度发生变化，不同微桥接收到不同能量的热辐射，其自身的温度变化就不同，从而引起各微桥的热敏层电阻值发生相应的改变，这种变化经由探测器内部的读出电路转换成电信号输出，经过探测器外部的信号采集和数据处理电路最终得到反映目标温度分布情况的可视化电子图像。
为了获得更好的性能，需要在微测辐射热计的结构设计上做精心的考虑与参数折衷。主要的设计参数及要求包括：微测辐射热计与其周围环境之间的热导要尽量小；对红外辐射的有效吸收区域面积尽量大以获得较高的红外辐射吸收率；选用的热敏材料需要具有较高的电阻温度系数（TCR）、尽量低的1/f噪声和尽量小的热时间常数。
1.1.1 热导
如图1所示，为使微测辐射热计与其衬底间的热导尽量小，微桥的桥臂设计需要用低热导材料，并采用长桥臂小截面积的设计。此外，需将微测辐射热计探测器阵列封装在一个真空的管壳内部，以减小其与周围空气之间的热导。
1.1.2 吸收率
要使微测辐射热计对红外辐射的吸收率尽量高，可从以下两方面入手。
1）提高填充系数
填充系数定义为微测辐射热计对红外辐射的有效吸收面积占其总面积的百分比。微桥的桥臂、相邻微桥之间的空隙、连接微桥与读出电路的过孔等所占的面积都是没有红外吸收能力的。图1所示的是典型的单层微桥结构，其填充系数一般是60%～70%，且随着像元尺寸的减小，单层结构的填充系数会进一步下降。
要增加填充系数以获得更高的吸收率，可以采用如图2所示的双层伞形微桥结构，红外辐射吸收材料处于上方第二层，形似撑开的雨伞，桥臂及其他无吸收能力的部分都放到伞下的第一层。这种结构的填充系数可做到90%左右。
2）光学谐振腔设计
通过设计光学谐振腔也可以提高微测辐射热计对红外辐射的吸收率。因为有相当一部分入射的红外辐射能量会穿透微桥结构的红外吸收层，所以通常在微桥下方制作一层红外反射面，将从上方透射来的红外辐射能量反射回红外吸收层进行二次吸收。吸收层与反射面之间的距离对于二次吸收的效果有较大影响，如果设计为红外辐射波长的1/4，就可增加吸收层对反射回来的红外能量的吸收。对 8～14um的长波红外辐射，该距离约为2～2.5um。
图3(a)所示为一种类型的谐振腔结构示意图，反射面位于读出电路的硅衬底表面，所以微桥的桥面与硅衬底的距离是1/4辐射波长；图3(b)所示为另一种类型的谐振腔结构示意图，反射面位于微桥的下表面，所以微桥的厚度要做成1/4辐射波长。
1.1.3 热敏材料
热敏材料的选取对于微测辐射热计的灵敏度（NETD）有非常大的影响，优选具有高温度电阻系数（TCR）和低1/f噪声的材料，同时还要考虑到所选材料与读出电路的集成工艺是否方便高效。目前最为常用的热敏材料包括氧化钒（VOx）、多晶硅 （a-Si）、硅二极管等。微测辐射热计的NETD主要受限于热敏材料的1/f噪声，这种噪声与材料特性密切相关，不同材料的1/f噪声可能会相差几个数量级，甚至对材料复合态的细微调整也会带来1/f噪声的显著变化。
1）氧化钒（VOx）
20世纪80年代初，美国的Honeywell公司在军方资助下开始研究氧化钒薄膜，并于 20 世纪 80 年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计。氧化钒材料具有较高的TCR（在室温环境下约为 2%/K～3%/K），其制备技术经过多年的发展已很成熟，在微测辐射热计产品中得到了广泛的应用。
氧化钒也有多种复合形态，如VO2、V2O5、V2O3等。单晶态的VO2、V2O5的TCR高达4%，但是需要采用特殊制备工艺才能得到；V2O5的室温电阻太大，会导致较高的器件噪声；V2O3 的制备技术相对不太复杂，且室温电阻较低，能得到更低的器件噪声，成为重点研究的氧化钒材料。
2）多晶硅（a-Si）
法国原子能委员会与信息技术实验室/红外实验室（CEA2LETI/LIR）从1992年开始研究多晶硅材料的探测器，目前技术上已很成熟。多晶硅的TCR与VOx相当，也是一种得到较多应用的微测辐射热计材料，其优点是与标准硅工艺完全兼容，制备过程相对简单。但由于多晶硅是无定形结构，呈现的1/f噪声比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料。由于采用多晶硅材料的微测辐射热计可以将薄膜厚度控制的非常小，具有较低的热容，所以在保持较低热响应时间的同时也具有较小的热导，可一定程度兼顾图像刷新率和信号响应率的要求。
3）硅二极管（SOI）
硅二极管正向压降的温度系数特性可用于红外探测器的制造。红外吸收导致的温度变化可带来的PN结正向压降变化并不显著，等效的TCR只有0.2%/K，比通常的电阻型热敏材料低一个数量级。但硅二极管的优点在于其面积可做的比电阻的面积更小，因而能做出尺寸更小的像元，获得更大阵列规模的焦平面。硅二极管微测辐射热计可在标准CMOS工艺线上生产，制造更为方便。
4）其他材料
还有一些材料也可用于微测辐射热计的制造，它们具有某些优异的特性，但也存在较明显的缺点。钛金属薄膜具有较低的1/f噪声，可方便地与CMOS读出电路集成，具有较低的热导，但其TCR只有0.35%/K 左右；锗硅氧化物材料（ GexSi1-xOy）具有较高的TCR（可达5%/K 以上）和较低的热导，但其较高的1/f噪声限制了最终器件的性能；硅锗（SiGe）是一种值得关注的材料，可采用标准CMOS工艺实现非常薄（如100 nm）的薄膜制备，并具有较高的TCR（3%/K 以上），通过实现单晶态的SiGe可得到较低的1/f噪声；YBaCuO是另一种值得关注的材料，有比VOx高的电阻温度系数（约3.5%/K）以及较低的1/f噪声，其光谱响应范围很宽（0.3～100um)，是未来制造多光谱探测器的潜在材料。


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