對于紅外探測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器技術原理及機芯介紹。

非制冷紅外技術原理

非制冷紅外探測器利用紅外輻射的熱效應，由紅外吸收材料將紅外輻射能轉換成熱能，引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個物理參數(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設計的某種轉換機制轉換為電信號或可見光信號，以實現(xiàn)對物體的探測。

非制冷紅外焦平面探測器分類

非制冷紅外焦平面探測器是熱成像系統(tǒng)的核心部件。以下介紹了非制冷紅外焦平面探測器的工作原理及微測輻射熱計、讀出電路、真空封裝三大技術模塊，分析了影響其性能的關鍵參數(shù)。與微測輻射熱計設計相關的重要參數(shù)包括低的熱導、高的紅外吸收率、合適的熱敏材料等；讀出電路的傳統(tǒng)功能是實現(xiàn)信號的轉換讀出，近年來也逐漸加入了信號補償?shù)墓δ埽徽婵辗庋b技術包括了金屬管殼封裝、陶瓷管殼封裝、晶圓級封裝和像元級封裝。

概述

紅外焦平面探測器是熱成像系統(tǒng)的核心部件，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵，在軍事、工業(yè)、交通、安防監(jiān)控、氣象、醫(yī)學等各行業(yè)具有廣泛的應用。紅外焦平面探測器可分為制冷型紅外焦平面探測器和非制冷紅外焦平面探測器，制冷型紅外焦平面探測器的優(yōu)勢在于靈敏度高，能夠分辨更細微的溫度差別，探測距離較遠，主要應用于高端軍事裝備；非制冷紅外焦平面探測器無需制冷裝置，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、成本低、啟動快等優(yōu)點。

雖然在靈敏度上不如制冷型紅外焦平面探測器，但非制冷紅外焦平面探測器的性能已可滿足部分軍事裝備及絕大多數(shù)民用領域的技術需要。近年來，隨著非制冷紅外焦平面探測器技術的不斷進步和制造成本的逐漸下降，其性價比快速提升，為推動非制冷紅外焦平面探測器的大規(guī)模市場應用創(chuàng)造了良好條件。

非制冷紅外焦平面探測器主要是以微機電技術（MEMS）制備的熱傳感器為基礎，大致可分為熱電堆/熱電偶、熱釋電、光機械、微測輻射熱計等幾種類型，其中微測輻射熱計的技術發(fā)展非常迅猛，所占市場份額也最大。近年來非制冷紅外焦平面探測器的陣列規(guī)模不斷增大，像元尺寸不斷減小，并且在探測器單元結構及其優(yōu)化設計、讀出電路設計、封裝形式等方面出現(xiàn)了不少新的技術發(fā)展趨勢。本文將在介紹測輻射熱計型非制冷紅外焦平面探測器的基礎上，分析其技術發(fā)展趨勢。

微測輻射熱計IRFPA及其技術進展

非制冷紅外焦平面探測器從設計到制造可分成微測輻射熱計、讀出電路、真空封裝等 3 大技術模塊。下面分別對它們進行介紹。

1.1 微測輻射熱計的設計與制造

圖1為單個微測輻射熱計的結構示意圖，在硅襯底上通過MEMS技術生長出與橋面結構非常相似的像元，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，并實現(xiàn)電連接的作用。微測輻射熱計的工作原理是：來自目標的熱輻射通過紅外光學系統(tǒng)聚焦到探測器焦平面陣列上，各個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)生相應的改變，這種變化經(jīng)由探測器內(nèi)部的讀出電路轉換成電信號輸出，經(jīng)過探測器外部的信號采集和數(shù)據(jù)處理電路最終得到反映目標溫度分布情況的可視化電子圖像。

圖1 微測輻射熱計像元結構示意圖

為了獲得更好的性能，需要在微測輻射熱計的結構設計上做精心的考慮與參數(shù)折衷。主要的設計參數(shù)及要求包括：微測輻射熱計與其周圍環(huán)境之間的熱導要盡量?。粚t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間常數(shù)。

1.1.1 熱導