先从红外传感 器说起

红外传感器

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；

（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图象；

（4）红外测距和通信系统；

（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

我们先看看红外系统的组成、主要光学系统和辅助光学系统，在此基础上对红外的关键元件进行详细的探讨。其实，红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分的工作原理如下所示；

（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。

（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。

（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显象管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

以热探测器为例子来分析探测器原理

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。

多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。

一、原理

自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。

红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。

二、非制冷红外技术概述

2.1 非制冷红外技术原理

非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。

非制冷红外焦平面探测器分类

2.2 非制冷红外探测器的关键技术

热释电型

红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化，在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。热释电红外探测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。

探测材料：硫酸三甘肽、钽酸锂、钽铌酸钾、钛（铁电）酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、钛酸钡

热电堆

由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck）

而这种结构称之为热电偶。一系列的热电偶串联称为热电堆。因而，可以通过测量热电堆两端的电压变化，探测红外辐射的强弱。

二极管型

利用半导体PN结具有良好的温度特性。与其他类型的非制冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单晶或多晶PN结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，非常适合大批量生产。

热敏电阻型（微测辐射热计）

利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱。一般探测器采用悬臂梁结构，光敏元吸收红外热辐射，由读出电路测量热敏材料电阻变化而引起的电流变化，通过读出电路对电信号采集分析并读出。探测器一般采用真空封装以保证绝热性好。

探测材料：氧化钒、非晶硅、钛、钇钡铜氧等

热电阻温度系数（TRC）,表示电阻当温度改变1度时，电阻值的相对变化，当温度每升高1℃时，导体电阻的增加值与原来电阻的比值。热电阻温度系数越大，探测器的灵敏度越高。

微测辐射热计探测器的响应速度比热电堆高，制造比热释电探测器容易。微测辐射热计要求敏感膜的热电阻温度系数TCR大，热导小，热容小，在8-14pm波段内红外吸收好。

氧化钒VOx的TCR一般为2%~3%，特殊方法制备的单晶态VO2和V2O5可达4%。VOx具有电阻温度系数大，噪声小的特点，被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用VOx非制冷红外探测器的占80%以上。

氧化钒VOx的制备方法：溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、蒸发法。

读出电路IC技术

ROIC对微弱的红外辐射信号产生的电信号进行提取、积分、放大、模数转换。甚至完成片上非均匀性矫正、片上数模转换功能。

ROIC是模混合电路系统模拟部分：单元偏置电路、积分电路、采样/保持电路等。

数字部分：中央时序控制、行选控制、列选控制等。

低成本真空封装技术

为了保证探测器光敏元在接收微弱的辐射后，其接收到热能不与其他介质发生热交换，需要把探测器芯片封装在真空中，并保证良好的气密性。

封装体的具体要求是：优异且可靠的密闭性；具有高透过率的红外窗口；高成品率；低成本。

目前的封装技术可分为芯片级、晶圆级、像元级等，其中芯片级封装技术按照封装外壳的不同又可分为金属管壳封装和陶瓷管壳封装。

金属管壳封装是最早开始采用的封装技术，技术已非常成熟，由于采用了金属管壳、TEC 和吸气剂等成本较高的部件，导致金属管壳封装的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的应用受到限制。

陶瓷管壳封装是近年来逐渐普及的红外探测器封装技术，可显著减小封装后探测器的体积和重量，且从原材料成本和制造成本上都比传统的金属管壳封装大为降低，适合大批量电子元器件的生产。

2.3  探测器的技术指标

响应率RIRv

噪声等效功率NEP

探测率D

非均匀性UN

噪声等效温差NETD

最小可分辨温差MRTD

三、非制冷红外探测器应用

消防应用

驾驶员视觉辅助系统

边海防、城市安防、港口监视系统

车载、舰载、机载光电舱

武器热瞄具

医疗诊断

电力检测

工业过程控制

四、行业市场主要产品是 384*288,   640*480，640*512     应用材料   氧化钒、多晶硅

应用案例简介–防火减灾，消防救援

穿透烟雾、克服雨雾能力强

当火灾发生后，尤其是森林火灾的情况下，火焰产生的烟雾很大，往往遮盖了真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势。红外热像仪有很强的穿透烟雾的能力，可有效地发现真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势，因此，可用于指挥救火，尽量减少经济、人员的损失。

现场救援

在浓烟雾的火灾现场，利用红外热像仪快速搜救被困人员和动物。

森林景区监测

通过红外热像仪对景区文物、建筑及整体环境的防火监测，包括对景区内游客、工作人员抽烟或其他点火行为的监控。

四 非制冷探测器技术机遇与挑战

高性能的非制冷红外探测器的实现，关键在于探测器结构的设计以及读出电路的设计。低成本的关键因素取决于探测器结构的加工方式，以及探测器的封装方式。

像元尺寸不断的减小

阵列规模持续增加

晶圆级封装及低成本封装工程化应用

包含数字化、非均匀性矫正的片上处理系统的读出电路设计

市场展望

展望全球非制冷红外热像仪市场  ：基于巨大的价格侵蚀和红外传感器集成于智能手机内部，将驱动红外成像市场快速上升。事实上，2014 年智能手机的出货量约 11 亿部，其采用的任何一种新的传感器都需要极大的产量支撑。如果红外成像能将成本极大地降低，才有可能上很大的量。

技术创新仍在继续降低制造成本

在红外成像领域，技术创新是导致价格显著下降的关键因素。过去几年中，关键的厂商都在热成像核心技术方面进行创新。

红外热像全民普及化的时代已经到来，只有不断创新的技术才能在竞争趋于白热化的市场利于不败之地，展望红外热像的未来，你看到机遇和挑战了吗？