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非制冷紅外探測(cè)器應(yīng)用概述2023/4/18第1頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三紅外熱成像技術(shù)簡(jiǎn)介非制冷紅外技術(shù)概述非制冷紅外探測(cè)器應(yīng)用國(guó)內(nèi)外廠商主要產(chǎn)品非制冷紅外技術(shù)機(jī)遇與挑戰(zhàn)第2頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三一、紅外熱成像技術(shù)簡(jiǎn)介自然界所有溫度在絕對(duì)零度(-273℃)以上的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射,紅外圖像傳感器則將探測(cè)到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢?jiàn)的圖像信息。紅外成像技術(shù)涵蓋了紅外光學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械工程技術(shù)、集成電路技術(shù)、圖像處理算法等諸多技術(shù),紅外成像裝置的核心為紅外焦平面探測(cè)器。第3頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三二、非制冷紅外技術(shù)概述非制冷紅外技術(shù)原理及分類(lèi)非制冷紅外探測(cè)器關(guān)鍵技術(shù)探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)非制冷紅外技術(shù)應(yīng)用第4頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三2.1非制冷紅外技術(shù)原理非制冷紅外探測(cè)器利用紅外輻射的熱效應(yīng),由紅外吸收材料將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成熱能,引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個(gè)物理參數(shù)隨之發(fā)生變化,再通過(guò)所設(shè)計(jì)的某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換為電信號(hào)或可見(jiàn)光信號(hào),以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的探測(cè)。第5頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三非制冷紅外焦平面探測(cè)器分類(lèi)非制冷紅外焦平面探測(cè)器熱敏電阻型:氧化釩非晶硅等熱釋電型:硫酸三甘肽、鉭酸鋰等熱電堆型:N型和P型的多晶硅二極管型:單晶或多晶PN結(jié)熱電容型:雙材料薄膜第6頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三2.2非制冷紅外探測(cè)器的關(guān)鍵技術(shù)紅外光窗非制冷器件讀出電路吸氣劑TEC真空封裝管殼材料制備技術(shù)MEMS加工技術(shù)讀出電路IC技術(shù)低成本真空封裝技術(shù)第7頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三熱釋電型紅外輻射使材料溫度改變,引起材料的自發(fā)極化強(qiáng)度變化,在垂直于自發(fā)極化方向的兩個(gè)晶面出現(xiàn)感應(yīng)電荷。通過(guò)測(cè)量感應(yīng)電荷量或電壓的大小來(lái)探測(cè)輻射的強(qiáng)弱。熱釋電紅外探測(cè)器與其他探測(cè)器不同,它只有在溫度升降的過(guò)程中才有信號(hào)輸出,所以利用熱釋電探測(cè)器時(shí)紅外輻射必須經(jīng)過(guò)調(diào)制。探測(cè)材料:硫酸三甘肽、鉭酸鋰、鉭鈮酸鉀、鈦(鐵電)酸鉛、鈦酸鍶鉛、鉭鈧酸鉛、鈦酸鋇第8頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三熱電堆
由逸出功不同的兩種導(dǎo)體材料所組成的閉合回路,當(dāng)兩接觸點(diǎn)處的溫度不同時(shí),由于溫度梯度使得材料內(nèi)部的載流子向溫度低的一端移動(dòng),在溫度低的一端形成電荷積累,回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。(塞貝克效應(yīng)Seebeck)
而這種結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為熱電偶。一系列的熱電偶串聯(lián)稱(chēng)為熱電堆。因而,可以通過(guò)測(cè)量熱電堆兩端的電壓變化,探測(cè)紅外輻射的強(qiáng)弱。第9頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三二極管型利用半導(dǎo)體PN結(jié)具有良好的溫度特性。與其他類(lèi)型的非制冷紅外探測(cè)器不同,這種紅外探測(cè)器的溫度探測(cè)單元為單晶或多晶PN結(jié),與CMOS工藝完全兼容,易于單片集成,非常適合大批量生產(chǎn)。第10頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三熱敏電阻型(微測(cè)輻射熱計(jì))利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化來(lái)探測(cè)輻射的強(qiáng)弱。一般探測(cè)器采用懸臂梁結(jié)構(gòu),光敏元吸收紅外熱輻射,由讀出電路測(cè)量熱敏材料電阻變化而引起的電流變化,通過(guò)讀出電路對(duì)電信號(hào)采集分析并讀出。探測(cè)器一般采用真空封裝以保證絕熱性好。探測(cè)材料:氧化釩、非晶硅、鈦、釔鋇銅氧等第11頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三
第12頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三氧化釩VOx的TCR一般為2%~3%,特殊方法制備的單晶態(tài)VO2和V2O5可達(dá)4%。VOx具有電阻溫度系數(shù)大,噪聲小的特點(diǎn),被廣泛用作非制冷式紅外焦平面?zhèn)鞲衅鞯臒崦舨牧?。全球的非制冷紅外熱像儀市場(chǎng)中,使用VOx非制冷紅外探測(cè)器的占80%以上。氧化釩VOx的制備方法:濺射法、溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)法。第13頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三讀出電路IC技術(shù)ROIC對(duì)微弱的紅外輻射信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行提取、積分、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。甚至完成片上非均勻性矯正、片上數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。ROIC是模混合電路系統(tǒng)模擬部分:?jiǎn)卧秒娐?、積分電路、采樣/保持電路等。數(shù)字部分:中央時(shí)序控制、行選控制、列選控制等。第14頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三低成本真空封裝技術(shù)為了保證探測(cè)器光敏元在接收微弱的輻射后,其接收到熱能不與其他介質(zhì)發(fā)生熱交換,需要把探測(cè)器芯片封裝在真空中,并保證良好的氣密性。封裝體的具體要求是:優(yōu)異且可靠的密閉性;具有高透過(guò)率的紅外窗口;高成品率;低成本。目前的封裝技術(shù)可分為芯片級(jí)、晶圓級(jí)、像元級(jí)等,其中芯片級(jí)封裝技術(shù)按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。第15頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三陶瓷管殼封裝是近年來(lái)逐漸普及的紅外探測(cè)器封裝技術(shù),可顯著減小封裝后探測(cè)器的體積和重量,且從原材料成本和制造成本上都比傳統(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低,適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。金屬管殼封裝是最早開(kāi)始采用的封裝技術(shù),技術(shù)已非常成熟,由于采用了金屬管殼、TEC和吸氣劑等成本較高的部件,導(dǎo)致金屬管殼封裝的成本一直居高不下,使其在低成本器件上的應(yīng)用受到限制。第16頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三制造與微測(cè)輻射熱計(jì)晶圓相對(duì)應(yīng)的另一片硅窗晶圓,硅窗晶圓通常采用單晶硅材料以獲得更好的紅外透射率,并在硅窗口兩面都鍍有防反增透膜。微測(cè)輻射熱計(jì)晶圓與硅窗晶圓通過(guò)精密對(duì)位,紅外探測(cè)器芯片與硅窗一一對(duì)準(zhǔn),在真空腔體內(nèi)通過(guò)焊料環(huán)焊接在一起,最后再裂片成為一個(gè)個(gè)真空密閉的晶圓級(jí)紅外探測(cè)器。第17頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三2.3探測(cè)器的技術(shù)指標(biāo)響應(yīng)率RIRv噪聲等效功率NEP探測(cè)率D*非均勻性UN噪聲等效溫差NETD最小可分辨溫差MRTD第18頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三三、非制冷紅外探測(cè)器應(yīng)用消防應(yīng)用駕駛員視覺(jué)輔助系統(tǒng)邊海防、城市安防、港口監(jiān)視系統(tǒng)車(chē)載、艦載、機(jī)載光電艙武器熱瞄具醫(yī)療診斷電力檢測(cè)工業(yè)過(guò)程控制……第19頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三應(yīng)用案例介紹穿透煙霧、克服雨霧能力強(qiáng)
當(dāng)火災(zāi)發(fā)生后,尤其是森林火災(zāi)的情況下,火焰產(chǎn)生的煙霧很大,往往遮蓋了真正的著火點(diǎn),以及火災(zāi)的蔓延趨勢(shì)。紅外熱像儀有很強(qiáng)的穿透煙霧的能力,可有效地發(fā)現(xiàn)真正的著火點(diǎn),以及火災(zāi)的蔓延趨勢(shì),因此,可用于指揮救火,盡量減少經(jīng)濟(jì)、人員的損失。第20頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三森林景區(qū)監(jiān)測(cè)通過(guò)紅外熱像儀對(duì)景區(qū)文物、建筑及整體環(huán)境的防火監(jiān)測(cè),包括對(duì)景區(qū)內(nèi)游客、工作人員抽煙或其他點(diǎn)火行為的監(jiān)控。第21頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三3.現(xiàn)場(chǎng)救援在濃煙霧的火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng),利用紅外熱像儀快速搜救被困人員和動(dòng)物。第22頁(yè),共23頁(yè),2023年,2月20日,星期三四、國(guó)內(nèi)外廠商主要產(chǎn)品廠商主要產(chǎn)品應(yīng)用材料主要技術(shù)指標(biāo)FLIR(美國(guó))336×256640×512氧化釩NETD:40mk響應(yīng)時(shí)間:10~15msBAE(英國(guó))氧化釩NETD:50mk響應(yīng)時(shí)間:12msULIS(法國(guó))160×120384×288640×512非晶硅NETD:50~80mk響應(yīng)時(shí)間:<10msL-3(美國(guó))320×240640×480非晶硅氧化釩NETD:35mk
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