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解析红外探测器的几项技术


时间:2018-01-30 作者:
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对于红外探测器的工作原理你了解多少呢?本文将为大家解析非制冷红外焦平面探测器技术原理及机芯介绍。

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

非制冷红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件。以下介绍了非制冷红外焦平面探测器的工作原理及微测辐射热计、读出电路、真空封装三大技术模块,分析了影响其性能的关键参数。与微测辐射热计设计相关的重要参数包括低的热导、高的红外吸收率、合适的热敏材料等;读出电路的传统功能是实现信号的转换读出,近年来也逐渐加入了信号补偿的功能;真空封装技术包括了金属管壳封装、陶瓷管壳封装、晶圆级封装和像元级封装。

概述

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(MEMS)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。

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

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探测器焦平面阵列上,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。

1 微测辐射热计像元结构示意图

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

关键词:探测器 红外热成像 测试测量    浏览量:2549

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