紅外探測器技術(shù)的發(fā)展

　　1992年誕生了第一臺國產(chǎn)化通用組件高性能熱像儀，SPRITE探測器研制成功是關(guān)鍵。到90年代初，第一代碲鎘汞光導(dǎo)探測器紛紛完成技術(shù)鑒定，性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。

　　兵器工業(yè)211所的SPRITE、32和60元探測器已實(shí)用化并投入批量生產(chǎn)，規(guī)模和市場不斷擴(kuò)大。國外在80年代就已大批量生產(chǎn)。由于電極、杜瓦瓶設(shè)計(jì)和制冷機(jī)方面的重重困難，第一代碲鎘汞探測器元數(shù)一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并最佳化，然后兩者進(jìn)行電學(xué)耦合和機(jī)械聯(lián)結(jié)形成混合式焦平面陣列，就是第二代碲鎘汞探測器。

　　目前國際上已研制出256×256甚至640×480規(guī)模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024×1024的規(guī)模，現(xiàn)階段典型產(chǎn)品是法國的4N系列288×4掃描式FPA。國內(nèi)仍處于研制開發(fā)階段。晶體碲鎘汞材料也有鮮明的弱勢：

　　1）相圖液線和固線分離大，分凝引起徑向、縱向組分不均勻；

　　2）高Hg壓使大直徑晶體生長困難，晶格結(jié)構(gòu)完整性差；

　　3）重復(fù)生產(chǎn)成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。

　　人們致力于研究替代襯底，如PACE（Producible Alternative to CdTe for Epitaxy ）－ I （ HgCdTe / CdTe/ 寶石），PACE－II（HgCdTe/C dTe/GaAs）和PACE－III（HgCdTe/CdTe/Si）。日本和法國還報(bào)道Ge襯底，目標(biāo)是與MCT的晶格 匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。 優(yōu)質(zhì)碲鎘汞材料制備困難、均勻性差、器件工藝特殊，成品率低，因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終沒有放棄尋找材料的努力，但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優(yōu)點(diǎn)。為滿足軍事應(yīng)用更高的性能要求，碲鎘汞FPA仍然是首選探測器。

　　5、非致冷焦平面陣列 （UFPA）紅外探測器

　　非制冷焦平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統(tǒng)和復(fù)雜的掃描裝置，敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙，“使傳感器領(lǐng)域發(fā)生變革”。另外，它的可靠性也大大提高、維護(hù)簡單、工作壽命延長，因?yàn)榈蜏刂评湎到y(tǒng)和復(fù)雜掃描裝置常常是紅外系統(tǒng)的故障源。非致冷探測器的靈敏度（D）比低溫碲鎘汞要小1個(gè)量級以上，但是以大的焦平面陣列來彌補(bǔ)，便可和第一代MCT探測器爭雄。對許多應(yīng)用，特別是監(jiān)視與夜視而言已經(jīng)足夠。廣闊的準(zhǔn)軍事和民用市場更是它施展拳腳的領(lǐng)域。為避免大量投資，把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發(fā)生產(chǎn)，制造大型高密度陣列和推進(jìn)系統(tǒng)集成化的信號處理，即大規(guī)模焦平面陣列技術(shù)，潛力十分巨大。正因?yàn)槿绱?，單元性能較低的熱電探測器又重新引人注目，而且可能成為21世紀(jì)最具競爭力的探測器之一。目前發(fā)展最快、前景看好的有兩類UFPA：

（1）熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行，有過多種材料，較新型的有鈦酸鍶鋇（BST）陶瓷和鈦酸鈧鉛（PST）等。美國TI公司推出的328×240鈦酸鍶鋇（BST）FPA已形成產(chǎn)品，NETD優(yōu)于0.1K，有多種應(yīng)用。計(jì)劃中還有640×480的FPA，發(fā)展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上，制成單片式熱釋電焦平面，有很高的潛在性能，可望實(shí)現(xiàn)1000×1000陣列的優(yōu)質(zhì)成像。

　?。?）微測輻射熱計(jì)（Microbolometer）。它是在IC－CMOS硅片上以淀積技術(shù)，用Si3N4支撐有高電阻溫度系數(shù)和高電阻率的熱敏電阻材料Vox或α－Si，做成微橋結(jié)構(gòu)器件（單片式FPA）。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值，直流耦合無須斬波器，僅需一半導(dǎo)體制冷器保持其穩(wěn)定的工作溫度。90年代初，由Honeywell公司首先開發(fā)，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成實(shí)用的熱像系統(tǒng)，NETD已達(dá)到0.1K以下，可望在近期達(dá)到0.02K。此類FPA90年代發(fā)展神速，成為熱點(diǎn)。與熱釋電UFPA比較，微測輻射熱計(jì)采用硅集成工藝，制造成本低廉；有好的線性響應(yīng)和高的動態(tài)范圍；像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊；低的1/f噪聲；以及高的幀速和潛在高靈敏度（理論NETD可達(dá)0.01K）。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。

　　6、紅外探測器技術(shù)的發(fā)展

　　歷史上，紅外探測器的發(fā)展得益于戰(zhàn)爭尤其是二次大戰(zhàn)的刺激。隨后的冷戰(zhàn)時(shí)期，到現(xiàn)今的局部戰(zhàn)爭，人們不斷加深對紅外探測器重要性的認(rèn)識。至今，軍事應(yīng)用仍占整個(gè)紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標(biāo)和降低成本對紅外技術(shù)提出了愈來愈高的要求。由于民用需求的急劇增長，軍事應(yīng)用的比例正在穩(wěn)步減小。據(jù)美國市場調(diào)查，到2002年軍事應(yīng)用將下降到50%以下。今后焦平面紅外圖像系統(tǒng)及傳感器的需求量會繼續(xù)增長，年增長率將達(dá)29%。軍事應(yīng)用中的商用成品有望每年增加15%。估計(jì)增長最快的將是非制冷焦平面系統(tǒng)，年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術(shù)市場將達(dá)到12億美元。據(jù)中國光學(xué)學(xué)會預(yù)測，今后 5年，我國熱像設(shè)備總數(shù)在4萬臺左右，而年自產(chǎn)不足500臺。所有這些，勢必使21世紀(jì)的紅外科學(xué)技術(shù)加速開拓前進(jìn)，首先是紅外探測器技術(shù)的突飛猛進(jìn)。