紅外探測器簡介

1、紅外探測器設計研發(fā)部平一、紅外探測器市場以及應用領域紅外探測技術目前主要分為近紅外、中紅外和遠紅外三種研究領域。其中，中紅外探測技術由于中紅外線的高強度和高穿透性，應用最為廣泛，研究也最為成熟；遠紅外的主要優(yōu)點就是其穿透性，可用于探測、加熱等，應用也比較廣泛。近紅外，由于其包含氫氧鍵、碳氫鍵、碳氧鍵等功能鍵的特征吸收線。大氣中的水氣、二氧化碳、大氣輝光等也集中在這個波段。特有的光譜特性使得短波紅外探測器可以在全球氣候監(jiān)測、國土資源監(jiān)測、天文觀測、空間遙感和國防等領域發(fā)揮重大作用。紅外探測器廣泛應用于軍事、科學、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療衛(wèi)生等各個領域，尤其在軍事領域，紅外探測器在精確制導、瞄準系統(tǒng)、偵察

2、夜視等方面具有不可替代的作用。隨著紅外探測技術的飛速發(fā)展，紅外探測器在軍事、民用等諸多領域都有著日益廣泛的應用。作為高新技術的紅外探測技術在未來的應用將更加廣泛，地位更加重要。小型紅外探測器是受價格驅(qū)動的商品市場，而中型和大型陣列探測器則是受成本和性能驅(qū)動的市場，并且為新產(chǎn)品提供了差異化的空間。但是在每種紅外探測器技術（如熱電/熱電偶/微測輻射熱計）之間存在著巨大的障礙。由于這些技術都是基于不同的制造工藝，如果沒有企業(yè)合并或收購，很難從一種技術轉(zhuǎn)換到另外一種技術。紅外探測器已進入居民日常安防中，其中主動式紅外探測器遇到樹葉、雨、小動物、雪、沙塵、霧遮擋則不應報警，人或相當體積的物品遮擋將發(fā)生報

3、警。主動紅外探測器技術主要采用一發(fā)一收，屬于線形防，現(xiàn)在已經(jīng)從最初的單光束發(fā)展到多光束，而且還可以雙發(fā)雙收，最大限度地降低誤報率，從而增強該產(chǎn)品的穩(wěn)定性，可靠性。據(jù)美國相關公司市場調(diào)研分析師預測，全球軍用紅外探測器需求額有望在2020年達到163.5億美元，復合年均增長率為7.71%。紅外探測器按探測機理可分為熱探測器和光子探測器，按其工作中載流子類型可以分為多數(shù)載流子器件和少數(shù)載流子器件兩大類，按照探測器是否需要致冷，分為致冷型探測器和非致冷型探測器。非致冷探測器目前主要是非晶硅、氧化釩和InGaAs等探測器，致冷型探測器主要包括碲鎘汞三元化合物、量子阱紅外光探測器類超晶格等。在過去的幾十年

4、里，大量的新型材料、新穎器件不斷涌現(xiàn)，紅外光電探測器完成了第一代的單元、多元光導器件向第二代紅外焦平面器件的跨越，目前正朝著以大規(guī)模、高分辨力、多波段、高集成、輕型化和低成本為特征的第三代紅外焦平面技術的方向發(fā)展。二、焦平面紅外探測器應用現(xiàn)狀熱探測器的應用早于光子探測器。熱探測器包括熱釋電探測器、溫差電偶探測器、電阻測輻射熱計等。熱探測器具有寬譜響應、室溫工作的優(yōu)點，但是它響應時間較慢、高頻時探測率低，目前主要應用于民用領域。光子探測器是基于光電效應制備的探測器，通過配備致冷系統(tǒng)，具有高量子效率、高靈敏度、低噪聲等效溫差、快速響應等優(yōu)點。在軍事領域，光子探測器占據(jù)主導地位。常用的光子探測器有碲

5、鎘汞（HgCdTe）、InGaAs、nAs/InGaSbII類超晶格、GaAs/AlGaAs量子阱等。近年來量子點紅外光探測器也引起廣泛關注，量子點紅外光探測器在理論上具有很多優(yōu)點，但實際制備的量子點紅外光探測器與理論預測的還是有一定差距。常見紅外探測器種類及其特點如下表所示:熱探測器時宀如兀，圍便譜汩輕光頭簡低hl堆電差溫、m可電差溫應效電差溫性度溫阻電電釋熱-L皿光子探測器本征型RhT吟物窄寬帶禁結(jié)差，性大大特數(shù)容械常電光電導探測器歸料W材-一物5應心效咻導、咼一度詬密憚陷U缺成歸料W材H-物底襯適合要需型征本E紐淙寬能圍質(zhì)于長雜用波葩應摻要重主簡易長藝，波工產(chǎn)應，量響低可節(jié)4?ZB-nr

6、HA需氐氐作鈕如工率O溫效始低子拠彳量子流較由自躍射七X対如流引玨載而-咼迅從隘敕陣曾車P土備面低希諮本易r戈，口成高需氐作H工妬溫啟低量流較生光亠麗芯生高料較材求膜一渤一上1二幺-一c七;0常arF士口勾采對苦一一砒融遷排效躍柚局制料子子材量，體有阱導具勢半成幅較現(xiàn)測合電限柵蛀錄一柚血加舊制翱勵相一謝量砂一量量電連躍部不間點生帶子產(chǎn)子量，壬的限級遷小局能很到子度受電維子續(xù)較的高一支流較孤小增7較大密控量度國外第四代空空導彈制導系統(tǒng)中，如美國的響尾蛇、英國阿斯拉姆、俄羅斯R-73、法國米卡紅外型、德國依爾伊斯特、以色列“怪蛇”系列等最新型號都采用了基于焦平面紅外探測的紅外制導技術。國產(chǎn)武器裝備

7、也是如此，空空導彈中應用抗干擾型多元成像導引頭，能夠高離軸角發(fā)射，并具備超機動性；在防空導彈中采用紅外成像導引頭，較好地解決了超低空飛行引信容易誤啟動的情況；在反坦克導彈中使用了紅外焦平面成像式自導頭，配有非冷卻式光電探測器，成為非致冷式紅外成像制導反坦克導彈。在瞄準系統(tǒng)、偵察夜視領域，焦平面紅外探測器也具有廣泛的應用前景。據(jù)報道，一款夜間瞄準系統(tǒng)升級設備將用于美國海軍陸戰(zhàn)隊AH-1眼鏡蛇攻擊直升機,此機載夜間瞄準系統(tǒng)是一個光電前視紅外塔樓狀傳感器組件,能為海軍陸戰(zhàn)隊提供遠程監(jiān)視、跟蹤、高空目標探測、測距和激光指示美國海軍戰(zhàn)斗機專家正在更新航母起飛的F/A-18戰(zhàn)斗轟炸機機載前視紅外瞄準系統(tǒng)，

8、以達到給飛行員提供大幅增加的目標檢測和識別圍、先進激光指示能力、遠離海岸行駛的精確評估、光電和紅外成像的目的。三、焦平面紅外探測器發(fā)展現(xiàn)狀1、國研究現(xiàn)狀國研制焦平面紅外探測器主要研究機構(gòu)有技術物理研究所、物理研究所、44所、高德紅外等單位。技術物理研究所在碲鎘汞、銦鎵砷紅外探測器的研制方面，包括材料生長、器件工藝設計、電路設計方面都積累了豐富的經(jīng)驗。目前，焦平面紅外探測器產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，國已有多家企業(yè)具有生產(chǎn)致冷型或非致冷型焦平面紅外探測器的能力，其所生產(chǎn)的典型產(chǎn)品指標如表所示:探測器類型材料陣列規(guī)模像元間距（pm）光譜圍（pm）非制冷非晶硅640x48025814氧化釩400x3001781

9、4銦鎵砷640x5122511.7制冷碲鎘汞640x512153.74.8II類超晶格320x256303.74.8II類超晶格320x256157.410.5近年來，國已建有具有自主知識產(chǎn)權的8英寸0.25pm非致冷紅外探測器生產(chǎn)線，新型氧化釩800心00高分辨力非致冷焦平面紅外探測器及II類超晶格紅外探測器短波、中波和長波產(chǎn)品均已面世，這些成果對于提升國家自主創(chuàng)新能力和國家戰(zhàn)略裝備的研制具有重要意義。總體來看，國產(chǎn)焦平面紅外探測器的制造能力正在迅速提高，不僅實現(xiàn)了從襯底、外延、芯片、封裝到致冷機的自行設計和研發(fā)，也實現(xiàn)了從材料到組件的全國產(chǎn)化。2、國外研究現(xiàn)狀國外焦平面紅外探測器的生產(chǎn)廠商

10、主要分布在美國、英國、法國、德國、日本及以色列等國。目前國外典型的焦平面紅外探測器性能指標如下表所示：探測材料陣列規(guī)模像素尺寸（pm）光譜圍工作溫度（K）VOx640x48028x28814300InGaAs640x51225x250.41.7300Si：As2048x204818x185287.8InSb1024x102415x153577HgCdTe4096x409610x101.05437HgCdTe1280x102415x153.47.877100HgCdTe640x51215x1581090Raythen公司已研制出一種雙波段HgCdTe紅外焦平面陣列結(jié)構(gòu)，而且還將會作為對現(xiàn)有的地基

11、和機載戰(zhàn)術系統(tǒng)進行升級的第三代產(chǎn)品而獲得進一步的發(fā)展。在小型探測器研究領域，DARPA已成功研制了一系列像元間距為58pm的紅外探測器，而作為DARPA的大口徑海洋基礎數(shù)據(jù)陣列計劃的一部分，一種基于像元間距5pm的碲鎘汞焦平面陣列的中波紅外相機也已被研制出。美國NorthropGrumman公司研制的硒化鉛探測器被認為是焦平面紅外探測的一大突破，這種致冷型光子探測器具有很高的靈敏度和成像速率，但價格低廉，無需采用低溫制冷裝置。法國Sofradir公司的紅外探測器產(chǎn)品較多，包括HgCdTe,InSb，InGaAs，QWIP以及微測輻射熱計，覆蓋了短波紅外、中波紅外、長波紅外光譜。近期公司又推出了

12、像元間距為10pm的Daphnis系列紅外探測器，該探測器是世界上第一款采用小像元間距技術制成的致冷型中波紅外成像產(chǎn)品，非常適合電光系統(tǒng)研究人員用來研制陸基、機載和艦載軍事系統(tǒng)。早在2002年，美國傳感無限公司就成功研制出高性能的InGaAs焦平面探測器產(chǎn)品。由于InGaAs探測器固有的價值，使得美軍對此投入了大量的人力物力。2002至2015年，傳感無限公司在InGaAs探測器的研制上進展迅速，短短幾年就完成了多種型號的InGaAs焦平面系列產(chǎn)品的研制。美國傳感無限公司2012年實現(xiàn)了4英寸InP基工藝的量產(chǎn)之后，就進入到各種型號產(chǎn)品工程應用的發(fā)展時期。其發(fā)展歷程如下圖所示:四、存在的問題及

13、發(fā)展趨勢目前主流的焦平面紅外探測器具有成像系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、功耗低、系統(tǒng)靈敏度高、工作幀頻高等一系列優(yōu)點，但其缺點也很明顯，如HgCdTe紅外探測器材料均勻性相對較差，II類超晶格探測器分子束外延生長工藝不夠成熟，量子阱紅外探測器不吸收正入射光，量子效率相對較低，量子點紅外探測器也存在量子點材料不均勻的問題。這些探測器均存在成像非均勻性的問題，是指焦平面陣列在均勻輻射輸入時，各單元輸出的不一致性。紅外光學系統(tǒng)的影響，如鏡頭加工精度、鏡頭孔徑等因素影響；紅外焦平面外界輸入的影響；紅外焦平面陣列中無效探測單元的影響；紅外焦平面陣列溫度變化的影響；讀出電路本身非均勻性及讀出電路與探測器耦合非均勻性的影響。非均勻性影響測量精度，特別是在弱信號探測時尤為嚴重。目前的校正方法主要有兩類，一類是定標類校正，另一類是場景類校正。目前在軍事中廣泛應用的校正方法主要是定標類校正方法。為了進一步提升紅外焦平面成像的均勻性、提升武器裝備中制導精度,開展紅外探測器成像非均勻性參數(shù)校正的新方法研究以及探測器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的定性檢查和定量校準是迫切和必要的。焦平面紅外探測器的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。首先是探測器向高集成度、小型化方向發(fā)展，這主要體現(xiàn)在像元間距越來越小，陣列規(guī)模越來越大。其次是非致冷型紅外探測器研究熱度增加，與致冷型紅外探測器相比，非致冷型紅外探測器探測精度略差，但是由于沒有致冷系統(tǒng)，它