非制冷红外焦平面探测器的原理
摘要：介绍了非制冷红外焦平面探测器的基本工作原理，并概括了其关键技术参数。梳理了非制冷红外焦平面探测器技术与产品的发展简史，综述了国内外相关研究及产品开发的最新进展。最后还讨论了非制冷红外焦平面探测器技术的发展趋势。
0引言
近二十年间，随着大规模集成电路技术与微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）技术的飞速发展，非制冷红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array，IRFPA) 探测器技术日趋成熟，相关产品也逐步实现系列化。在学术界与产业界的共同推动下，非制冷红外焦平面探测器技术快速发展，焦平面探测器的灵敏度显著提升，像元间距越来越小，阵列规模越来越大。非制冷红外成像技术以其低成本、小尺寸、低功耗以及长寿命等优点迅速在军用国防装备和商用领域得到了大规模的推广应用。非制冷红外焦平面阵列探测器被广泛用于武器制导、武器热瞄具、红外侦查、边境警戒、海防监控、反恐救援等军用领域，以及安防监控、汽车夜间辅助驾驶、工业监控、疾病防控、医疗诊断、节能环保等民用领域( 包括手机配件、可穿戴设备等个人消费电子领域 )。
1非制冷红外焦平面探测器的原理
非制冷红外焦平面探测器是指工作在室温附近的可将目标的入射红外辐射转换为电学视频信号的一种成像传感器。根据工作原理的不同，非制冷红外焦平面探测器可分为热释电、热电堆、热敏二极管以及微测辐射热计等类型。其中，微测辐射热计是一种热敏电阻型传感器。在红外辐射照射到传感器后，传感器温度升高，热敏薄膜的阻值改变。微测辐射热计型探测器是目前技术最成熟、市场占有率最高的主流非制冷红外焦平面探测器。
微测辐射热计是基于MEMS技术制造加工的微型传感器，是非制冷红外探测器的核心传感元件。它由底部反射镜、互联电极、绝热桥腿、热敏电阻和红外吸收桥面组成( 见图1 )。其中，红外吸收桥面能够高效吸收外界红外辐射，引起温度变化，导致集成于桥面之中的热敏材料的电阻发生改变。专用集成电路( Application Specific Integrated Circuit，ASIC)通过互联电极将微测辐射热计阵列的电阻变化经放大处理后转换为视频电学信号并将其输出。底部反射镜与红外吸收桥面构成特定波长的1/4波长共振吸收腔，可增强桥面的红外吸收。绝热桥结构用于降低桥面热敏电阻与读出电路衬底之间的热交换，使热敏电阻对红外辐射敏感。其材料与几何尺寸决定了桥面与ASIC之间的热传导能力，进而直接决定微测辐射热计的响应。热敏感材料包括氧化钒薄膜、非晶硅薄膜、非晶硅锗与单晶硅锗薄膜等。
图1 微测辐射热计的结构示意图
美国Honeywell研究中心的Kruse P W等图1微测辐射热计的结构示意图人对微测辐射热计的理论模型进行了系统阐述。微测辐射热计的响应度可表示为：
式中，α为热敏材料的电阻温度系数( Temperature Coefficientof Resistance，TCR)；β为填充因子；η为微测辐射热计的吸收率；ib为偏置电流；Rb为微测辐射热计的电阻；Ge为微测辐射热计的有效热导；ω为调制频率；τe为有效热时间常数。微测辐射热计的噪声来源主要包括1/f噪声和Johnson噪声。1/f噪声电压的有效值可表示为：
式中，kf为微测辐射热计的1/f噪声系数；Vb为偏置电压；f2和f1分别为微测辐射热计的噪声带宽上下限。微测辐射热计的Johnson噪声电压有效值可表示为：
式中，K为玻尔兹曼常数；Δf为噪声带宽。噪声带宽上下限f2和f1分别由积分时间Tint和凝视时间Tstare决定：
显然，微测辐射热计热敏材料的噪声系数与电阻温度系数、光学吸收效率与填充因子、微测辐射热计结构材料的热导率与MEMS加工工艺能力共同决定着探测器的性能参数。开发高性能敏感薄膜与低热导率结构材料，设计高填充因子、低热导、高吸收效率的传感器结构以及研制低噪声读出电路一直是非制冷红外焦平面探测器研究的重点领域。
非制冷红外焦平面探测器的关键技术参数包括阵列规模、像元中心距、噪声等效温差( Noise Equivalent Temperature Difference，NETD)、工作帧频、热响应时间和空间噪声等。其中，阵列规模可表征图像分辨率。常规阵列规模包括160 ×120、320 ×240、384 ×288、640×512、1024 ×768 和1920 ×1080。焦平面探测器的阵列规模越大，图像分辨率越高，图像越清晰。
像元中心距与光学系统共同决定了成像系统的空间分辨率。原则上来说，当像元尺寸大于红外辐射波长时，像元中心距越小，图像的空间分辨率越高。目前非制冷红外焦平面探测器的像元中心距已低至10 μm，与长波红外光的中心波长相当。对于长波红外探测而言，当像元中心距进一步减小到5 μm ( 长波红外光中心波长的一半)时，图像的空间分辨率主要受限于镜头的光学极限。
NETD也被称为探测器灵敏度，是非制冷红外焦平面探测器最重要的性能指标。它与传感器设计及薄膜材料等因素有关。NETD越小，探测器灵敏度越高。典型军用探测器的NETD需小于50 mK。
工作帧频与热响应时间决定了运动目标图像的延迟。对于导引头等快速目标成像应用来说，工作帧频通常需要不低于50 Hz，探测器像元的热响应时间应小于10 ms。
空间噪声与NETD共同决定了图像质量。当空间噪声显著高于时域噪声时，图像会明显劣化，导致系统最小可分辨温差( Minimum Resolvable Temperature Difference，MRTD)显著降低。
2非制冷红外焦平面探测器的历史与研究进展
早期用于研发非制冷红外焦平面的材料技术路线包括氧化钒( Vox )、钛酸锶钡( BST )和非晶硅( α-Si )。发展至今，非制冷红外焦平面探测器产品主要包括氧化钒和非晶硅微测辐射热计两大技术阵营。其中，氧化钒技术占有70%以上的市场份额，是国际主流的非制冷红外成像技术。它源自美国Honeywell研究中心，而非晶硅技术则源自美国TI公司和法国CEA--Leti实验室。国内的研究机构及厂家也分为氧化钒和非晶硅微测辐射热计两大技术阵营。通过投入大量的研究精力来紧追国际同行，并于2019年步入了12 μm像元产品时代。同时，烟台艾睿光电科技有限公司( 以下简称“艾睿光电”) 已突破10 μm像元技术，缩小了与国际同行的差距。
2.1非制冷红外焦平面探测器的发展简史
( 1 ) 1978年，Raytheon公司和TI公司分别申请了BST技术专利。
( 2 ) 20世纪80年代，在美国政府HIDAD项目的支持下，Raytheon公司与Honeywell公司着手研制非制冷红外焦平面探测器。其中，Raytheon公司致力于将BST技术商用化，而Honeywell公司则选择研究VOx技术。
( 3 ) 1990 ～ 1994 年，Honeywell公司将其成功研发的VOx技术先后转让给多家公司，形成了国际上非制冷红外焦平面探测器的主要供应商——FLIR、Raytheon Vision System、BAE System、DRS、SCD、NEC 等。
( 4 ) 20世纪90年代中期，TI公司将其BST热成像技术推广至商用领域，但由于该技术在性能方面落后于VOx技术，市场前景并不乐观。在同一时期，TI公司开始研制非晶硅技术。随后他们将这两项技术打包卖给Raytheon Commercial Infrared公司，后者在2004年又将其一起转卖给L--3公司。
( 5 ) 20世纪90年代末，法国CEA--Leti实验室成功研制出了非晶硅非制冷红外焦平面探测器技术，后来将其授权给ULIS公司进行量产。
( 6 ) 1995年，LORAL公司( 后被BAESystem收购 )和ROCKWELL公司( 后被DRS 收购 )分别推出了各自的首款红外焦平面阵列产品。两者的阵列规模均为320 ×240，像元中心距分别为46 μm和51 μm。
( 7 ) 1998年，Indigo Systems公司在其成立两年后推出了首款红外焦平面读出电路( 阵列规模为160 × 120 )。随后他们又推出了像元中心距为38 μm的焦平面探测器产品。
( 8 ) 1999年，Raytheon公司推出了当时灵敏度最高的SB--151型VOx IRFPA产品。该探测器的阵列规模为320 × 240，像元中心距为50 μm，像元响应率大于2. 5×107 V/W。
( 9 ) 2000年，ULIS公司发布了自己的45 μm产品( 阵列规模为320 ×240，NETD为85mK )。
( 10 ) 2001年，DRS公司推出了首款25 μm IRFPA产品( 阵列规模为320 × 240 )。同年，Raytheon公司也推出了25 μm IRFPA产品( 阵列规模包括160 × 120、320 × 240 和640 ×240 )。随后，BAE System公司推出了像元中心距为28 μm、阵列规模为320 ×240的类似产品。自此，IRFPA进入“20”时代。
( 11 ) 2005年，DRS公司发布了首款17 μm IRFPA产品( 阵列规模为640 × 480 )。随后，Raytheon、BAE System、ULIS、FLIR、SCD等公司也陆续推出了自己的17μm IRFPA 产品。至今，17 μm IRFPA 仍是国际非制冷红外成像市场的主流产品之一。
( 12 ) 2009年，最后一家采用BST技术的厂商——L--3公司停止生产BST产品。
( 13 ) 2014 ～ 2016年，NEC、BAESystem、FLIR、Raytheon等公司先后发布了12 μm IRFPA的研究成果及产品。12 μm IRFPA自此开始逐步替代17 μm IRFPA而成为市场主流产品。
( 14 ) 2014年，FLIR Systems公司推出了全球首款消费类红外相机——FLIR ONE。经过一年的改进，他们于2015年推出的FLIRONE 2相机上集成了非制冷红外领域的诸多先进技术，比如12 μm像元、晶圆级封装(Wafer-Level Packaging，WLP )、晶圆级光学( Wafer-Level Optics，WLO )以及专用图像信号处理( Image Signal Processing，ISP )芯片等。
( 15 ) 2015年，艾睿光电发布了像元中心距为14 μm、工作帧频为30 Hz、NETD小于40 mK的1024 ×768非制冷IRFPA探测器。
( 16 ) 2015年，DRS公司在其官方网站上发布了像元中心距为10 μm的1280 × 1024 IRFPA探测器。2016年，他们公开报道了这种探测器的性能指标和成像图片。该探测器的工作帧频为30 Hz，NETD 小于50 mK，是目前世界上像元中心距最小的非制冷红外焦平面探测器。
2.2国外研究进展
国外非制冷红外焦平面探测器源自Honeywell公司的氧化钒技术以及TI公司和CEA--Leti实验室的非晶硅技术。其中，氧化钒技术的代表包括美国DRS公司、Raytheon公司、BAE系统公司、FLIR公司，以色列SCD公司以及日本NEC公司；非晶硅技术的代表包括法国ULIS公司和美国L--3公司。这些公司又沿着超大面阵规模以及尺寸、重量、功耗、成本( Size Weight and Power--Cost，SWaP—C )两个方向进行着产品开发。
在大面阵与超大面阵成像方面，Raytheon公司报道了基于视场拼接技术的17 μm 2048 ×1536非制冷红外焦平面探测器，并开发了12 μm 1920 × 1200非制冷红外焦平面探测器。DRS公司研制了10 μm 1280 ×1024非制冷红外焦平面探测器和17 μm 1024 × 768非制冷红外焦平面探测器。BAE公司开发了12 μm 1920 ×1200非制冷红外焦平面探测器，并开始研制10 μm 1280 × 1024非制冷红外焦平面探测器。SCD公司开发了17 μm 1024 × 768非制冷红外焦平面探测器。基于非晶硅技术，L--3公司研制了12μm 1280 ×1024非制冷红外焦平面探测器，ULIS公司开发了17 μm 1024 × 768非制冷红外焦平面探测器。韩国i3公司还利用氧化钛技术研制了12μm 1024 × 768 非制冷红外焦平面探测器。
在SWaP--C方面，FLIR 公司研发了基于12 μm160 ×120 /80 ×60 WLP 探测器和WLO 技术的Lepton 成像模组与Boson 机芯。其中，Lepton 模组以小像元技术、WLP 技术、无制冷器( Thermoelectric Cooler--Less，TEC—Less )工作、ISP 和WLO 技术为基础。在美国国防高级研究计划局( Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA) LCTI--M项目的支持下，DRS 公司、Raytheon公司和BAE 公司也开展了SWaP--C 系统研究。其中WLP、WLO、TEC--Less 和ISP 等技术也是各家公司的研究重点。ULIS公司在2016年突破了像元级封装( Pixel-Level Packaging，PLP) 技术，并将其用于Micro80P Gen2 产品的生产。
2.2.1 DRS公司
DRS 公司生产的非制冷红外焦平面探测器源自Honeywell 公司于1994 年授权给Boeing Defense and Space 公司的氧化钒微测辐射热计技术。BoeingDefense and Space 公司在1999 年报道了其U4000型非制冷红外焦平面探测器设计。2000 年，该公司研制出了像元中心距为51 μm、阵列规模为320 × 240、NETD 小于30 mK 的U3000 型非制冷红外焦平面探测器。DRS 公司于2001 年收购了BoeingDefense and Space公司。2002年，他们推出了像元中心距为25 μm、阵列规模为640 × 480、NETD小于50 mK 且集成内部校正功能的U6000 型非制冷红外焦平面探测器。该公司于2007 年报道了17 μm 640 ×480 非制冷红外焦平面探测器，并基于此技术陆续推出了U3600 系列320 ×240、U6160 系列640×480 和U8000 系列1024 ×768 非制冷红外焦平面探测器。这些探测器均具有传统插针陶瓷封装和无引脚芯片载体( Leadless Chip Carrier，LCC )两种封装形态( 见图2 )。DRS 公司生产的微测辐射热计采用了伞状双层微桥结构( 见图3 )，提高了像元的填充因子与响应率。另外，他们还采用了惠斯通电桥电路架构，使探测器具备像元自加热效应的自动消除功能以及TEC--Less 补偿功能。
图2 DRS公司非制冷红外焦平面探测器的封装形式
图3 DRS 公司微测辐射热计的结构图
DRS公司在DARPA LCTI--M项目的支持下开展了低成本红外热像仪研制，并于2015年发布了像元中心距为10 μm的1280 × 1024、640 ×512 和320 ×256 系列探测器( 成像图片见图4 )。此外，该公司还研发了WLP技术，并且正在开发WLO 技术。
2.2.2 Raytheon公司
作为全球第五大国防合约商，Raytheon公司在1999年推出了像元中心距为50 μm、阵列规模为320 × 240、NETD 最低可达8. 6 mK 的SB--151型探测器。2001 年，该公司报道了像元中心距为25 μm的焦平面探测器系列，包括160 ×128、320 × 240 和640 × 512 阵列规模。他们于2007年展示了像元中心距为17 μm的640 × 512 非制冷红外焦平面探测器。2009年，Raytheon 公司与Freescale公司达成合作，将产能提高到每月25000 ～ 75000颗芯片。2011年，他们研制出了基于视场拼接技术的17 μm 2048 ×1536非制冷红外焦平面探测器( 输出图像见图5 )。
图4 DRS公司10 μm 1280 ×1024非制冷红外焦平面探测器的成像图( 1280 ×720 )
图5 Raytheon公司17 μm 2048 ×1536 非制冷红外焦平面探测器的输出图像
图6 Raytheon公司12 μm像元的SEM图片
图7 Raytheon公司的晶圆级封装探测器
Raytheon公司在DARPA LCTI--M项目的支持下开展了低成本红外热像仪研制，并于2015 年报道了像元中心距为12 μm，阵列规模涵盖1920 ×1200、640 × 480 和206 × 156 的产品系列。图6 为该探测器像元的扫描电子显微镜( Scanning ElectronMicroscope，SEM) 图片。另外，这些器件均采用了WLP技术( 见图7 ) 。Raytheon 公司的12 μm206 ×156 产品已经用Seek Thermal 品牌进军消费电子领域，且售价仅为199 美元。
2.2.3 BAE系统公司
BAE系统公司是世界第三大军火供应商，也是世界知名的氧化钒非制冷红外焦平面探测器生产厂商( 北美子公司BAE Systems Inc．)。2005年，该公司推出了三种型号的热像仪机芯：SIM500L( 像元中心距为46μm、阵列规模为160×120 )、SIM500H( 像元中心距为28 μm、阵列规模为320 × 240) 和SIM500X ( 像元中心距为28μm、阵列规模为640 ×480 )。图8为BAE系统公司46μm像元的SEM图片。
图8 BAE公司46 μm像元的SEM图片
图9 BAE公司的Smart--Chip热像仪
BAE 系统公司于2007 年报道了像元中心距为17 μm的640 × 480 非制冷红外焦平面探测器。2009 年，他们研制出了像元中心距为17 μm、NETD 小于等于35 mK 的1024 ×768非制冷红外焦平面探测器。
BAE系统公司在DARPA LCTI--M 项目的支持下开展了低成本红外热像仪研制，并于2014年报道了12 μm 640 × 480 非制冷红外成像机芯。2015 年，该公司继续深入报道了其在LCTI--M项目支持下开展Smart--Chip 热像仪( 见图9) 研制工作的进展( 其探测器采用晶圆级封装技术)。2019 年，他们在日本红外阵列传感器论坛上介绍了第二代全高清非制冷红外机芯——Athena 1920 ( 1920 ×1200@12 μm) 。作为第一代产品TWV1912 的升级版，Athena 1920 机芯的工作帧频为60 Hz，NETD 为50 mK。
2.2.4 FLIR系统公司
FLIR 系统公司是全球红外热成像仪设计、制造及销售领域的领导者。作为创新成像系统制造领域的领军企业，FLIR 系统公司的产品范围涉及红外热像仪、航空摄像机和机械检测系统等。该公司不单独销售焦平面探测器，都是以机芯或整机系统形式销售。他们在2004 年收购Indigo Systems公司后便具备了TEC--Less非制冷红外焦平面探测器技术，其探测器集成了片上非均匀性校正和vwin 数字转换器( Analog-to-Digital Converter，ADC ) 模块。目前，FLIR 系统公司生产的非制冷焦平面探测器的像元中心距以17 μm和12 μm为主; 阵列规模包括336× 256 和640 × 512；封装形式上既有陶瓷管壳封装，也有晶圆级封装；NETD 指标约为40 mK左右；热响应时间约为10 ～ 15ms。
图10 FLIR公司的Lepton系列产品
FLIR系统公司基于WLP、WLO和ASIC芯片技术研发了采用17 μm 80 × 60非制冷红外焦平面探测器的FLIR One型低成本小型化成像模组，随后又发布了基于Lepton 3的12μm 160 × 120非制冷红外热像仪模组( 售价仅为199 美元)。通过采用双光融合的技术方案实现了较好的成像效果与应用尝试。图10为Lepton系列产品的实物图。
2.2.5 SCD公司
2010年，SCD公司报道了基于氧化钒材料的17 μm 640 × 480非制冷红外焦平面探测器。该公司的17 μm系列产品的面阵规模包括384 × 288、640 × 480和1024 × 768；热响应时间约为10 ms；NETD指标约为50 mK。他们的探测器产品主要针对特殊应用市场，并长久以性能与功耗著称。
2.2.6 NEC公司
NEC 公司是一家采用氧化钒技术的非制冷红外焦平面探测器生产厂商，拥有像元中心距为23.5 μm、面阵规模为320 × 240和640 ×480的探测器产品。这些产品是基于屋檐状双层微测辐射热计技术制成的。2013年，NEC公司成功研制出了像元中心距为12 μm、NETD为60mK的640 × 480探测器。该探测器采用了基于三层微桥技术的传感器结构( 见图11 )。
图11 NEC公司12 μm微测辐射热计的SEM图片
图12 ULIS公司的Micro80P Gen2产品
2.2.7 ULIS公司
ULIS公司( 2019年与Sofradir公司合并成为Lynred公司 )的非制冷红外焦平面探测器源自CEA--Leti实验室的非晶硅微测辐射热计技术。2000年，CEA--Leti实验室和Sofradir公司联合研制出了像元中心距为45 μm、阵列规模为320 ×240、NETD小于等于70 mK的非制冷红外焦平面探测器产品。2002年，ULIS公司推出了像元中心距为35 μm、阵列规模为160 ×120、NETD为36 mK的非制冷红外焦平面探测器。该公司在2003年报道了晶圆级封装研究，2005年开发了25 μm像元技术，2008年研制了17 μm 1024 × 768非制冷红外焦平面探测器，并于2017年和2019年相继发布了12 μm系列产品——Atto 320和Atto 640( NETD 小于60 mK )。此外，CEA--Leti实验室还对PLP技术进行了开发；ULIS公司也投资了2000万欧元，用于将这种技术推向产业化，从而进军消费电子领域。2016年10月，据InfraredImaging News报道，ULIS公司已突破PLP技术，并将其用于生产Micro80P Gen2产品( 见图12)。
2.2.8 L--3公司
L--3公司采用非晶硅热敏材料技术方案，在非晶硅红外探测器的出货量上仅次于ULIS公司。他们在2009年实现了像元中心距为17 μm的探测器的量产，其产品的阵列规模覆盖了320 × 240、640 × 480 和1024 × 768。据报道，该公司生产的17 μm探测器在10 ms 热响应时间下可达到35 mK 的NETD水平。除了非晶硅之外，他们也将非晶硅锗材料作为热敏材料进行产品开发，以期提升产品性能。L--3 公司在2008年便报道了基于WLP技术开发的非制冷红外焦平面探测器( 见图13 )。2017年5月，据InfraredImaging News报道，该公司发布了首款像元中心距为12 μm的探测器产品( 阵列规模为1280 ×1024 )。
2. 3国内研究进展
国内非制冷红外焦平面探测器研究的发展相对迟缓，早期以高校和科研院所为主力军，且侧重于材料与原型器件研制。2005年之前，国内红外成像厂家主要通过从ULIS公司采购焦平面探测器来研发成像机芯和热像仪。国内红外成像焦平面探测器共经历了材料与器件原理研究( 2000 ～ 2005年 )、产品研制( 2005 ～2010 年 )、军品国产化推进( 2010 ～ 2015年 )三个阶段，“十三五”期间则正在进行产品系列化与产业化的全面推进。
图13 L--3公司的非制冷红外焦平面探测器
图14 华中科技大学非制冷红外焦平面探测器的晶圆以及微测辐射热计SEM图片
2.3.1材料与器件原理研究
2000 ～ 2005年，随着Honeywell公司对非制冷红外成像技术的小幅披露，国内高校和科研院所对非制冷红外焦平面探测器的材料及器件原理进行了研究。研究主力包括华中科技大学、电子科技大学以及中国兵器工业集团昆明物理研究所等。研究方向主要集中在氧化钒与BST 薄膜材料技术、热绝缘微桥技术和读出电路平坦化技术等，像元尺寸为100 ～45 μm，阵列规模包括32 ×32 和160 ×120。具有代表性的研究成果是，2003 年华中科技大学的易新建团队研制出了我国首款非制冷红外焦平面探测器原型( 见图14 )。该探测器的阵列规模为32× 32，像元尺寸为100 μm。
2.3.2产品研制
2005 ～2010年，国内主要开展了非制冷红外焦平面探测器产品的研制工作。主要代表包括电子科技大学、北方广微科技有限公司( 以下简称“北方广微” )、浙江大立科技股份有限公司( 以下简称“大立科技” )和艾睿光电等，研制产品的像元中心距包括45 μm和35 μm，阵列规模包括384 × 288 和160 × 120。这些研究机构都采用了国外相对成熟的金属封装形式。其中，北方广微和艾睿光电集中进行了氧化钒技术开发，而大立科技则选择了非晶硅技术路线。代表成果是，2009 年北方广微研制出了我国首款非制冷红外焦平面探测器产品。该探测器的阵列规模为160× 120，像元尺寸为45μm。在此期间，大立科技也报道了基于非晶硅的焦平面探测器产品;艾睿光电则围绕氧化钒薄膜和热绝缘微桥结构进行了系列技术开发。
2.3.3军品国产化推进
2011 ～2015年，国内开始推进非制冷红外焦平面探测器的军品国产化，参与的代表企业包括艾睿光电、北方广微、大立科技以及武汉高德红外股份有限公司( 以下简称“高德红外” )等。研制产品的像元中心距包括25 μm、20 μm、17 μm和14 μm，阵列规模覆盖1024 ×768、800 × 600、640 × 512 和384 × 288。代表成果是，2015年艾睿光电发布了我国首款阵列规模为1024 × 768 ( XGA )、像元尺寸为14 μm的氧化钒非制冷红外焦平面探测器。这是我国当时像元中心距最小的非制冷焦平面探测器产品。目前，艾睿光电的非制冷探测器产品已经在多个军品型号项目中顺利通过了严苛的可靠性考核，并实现了批量供货。
表1 艾睿光电非制冷红外探测器产品的技术指标
2.3.4产品系列化与产业化
2016 年至今，国内民营企业全面开展了非制冷红外焦平面探测器产品的系列化与产业化。代表企业包括艾睿光电、北方广微、大立科技和高德红外等。研制产品的像元中心距包括20 μm、17 μm、15 ～ 12μm和10 μm，阵列规模覆盖1920 × 1080、1280 ×1024、1024 ×768、800 × 600、640 × 512、384 × 288、256×192、160 × 120 和80 × 80。其中，量产产品集中于17 μm像元，并逐步减小至12 μm。在这些产品的产业化进程中采用了金属、陶瓷以及晶圆级封装技术，年产能为数千至数十万个不等。
图15 艾睿光电12 μm 640 ×512探测器的典型NETD直方图
2016年5月，艾睿光电发布了17 μm 640×512第二代探测器系列产品( 器件NETD小于30 mK )；2017 年进一步发布了17 μm 384 ×288陶瓷和晶圆级封装数字输出产品( 器件NETD 小于50 mK)；2018年推出了12 μm 1280×1024探测器；2019年发布了10 μm 1280 ×1024 探测器( NETD小于40 mK )。表1列出了艾睿光电主要探测器产品的技术指标。可以看出，在减小像元中心距的同时，保证了同样甚至更好的灵敏度指标。图15为艾睿光电12 μm 640×512非制冷红外焦平面探测器的典型NETD直方图。图16为艾睿光电12 μm 1280 × 1024探测器的成像图片( 分辨率为1920 × 1080 )。在批量生产方面，艾睿光电正在致力于优化产品一致性，即通过优化设计与制造工艺来提升探测器的出货一致性。
2.3.5国内研究进展小结
表2列出了国内研究机构目前最先进的非制冷红外焦平面探测器技术指标。可以看出，国内研究机构在像元中心距和阵列规模方面紧跟国际水平；器件NETD接近甚至超过某些国际研究机构的同等像元尺寸产品。在SWaP--C方面，国内厂商也已突破WLP、ISP、TEC--Less 等关键技术。艾睿光电于2018年发布的Nano 和2019 年发布的Tiny1--A都是可与国际产品相媲美的微型机芯模组产品( 见表3和图17 )。它们适用于无人机和单兵夜视头盔。
图16 艾睿光电12 μm 1280 ×1024探测器的成像图( 分辨率为1920 ×1080 )
表2 国内非制冷红外探测器技术指标对比
表3 全球典型微型机芯模组产品
图17 艾睿光电生产的Tiny1--A机芯
3非制冷红外焦平面探测器的发展趋势
非制冷红外焦平面探测器的发展趋势包括高性能大面阵与SWaP--C两条主线。其中，高性能大面阵探测器瞄准高端军事应用，而SWaP--C型探测器或热像仪系统则聚焦小型化、低功耗、低成本技术。这两条主线的共同特点就是小像元、集成化、智能化和低功耗。
3.1小像元中心距
通过减小像元中心距不仅可以提高芯片集成度和降低芯片成本，而且更重要的是可以减小光学系统的尺寸，促进成像系统的小型化与低成本化。同时，缩小像元中心距也是走向大面阵高清红外成像的必经之路。目前，DRS 公司和艾睿光电已将微测辐射热计的像元尺寸推向10 μm。随着亚波长成像技术的进步，微测辐射热计的像元中心距必将向着更小尺寸的方向发展。这样便可提高红外系统像方视场的空间采样频率，从而满足军用领域日益增长的高清与超高清红外成像需求。
美国军方从系统调制传递函数( Modulation TransferFunction，MTF) 的角度分析了非制冷红外焦平面探测器在小型化方面的挑战。他们认为，通过在系统层面上进行MTF 折衷，可以将非制冷红外焦平面探测器像元压缩到5μm。
3.2集成化
在集成化方面，相关研究从WLP 技术走向了WLO、ISP 甚至三维封装技术。CEA--Leti实验室提出了一种基于双层牺牲层工艺的像元级封装技术。FLIR 公司通过收购掌握了红外WLO 技术，并基于TEC--Less 数字输出芯片开发了ISP 芯片技术，从而实现了高度集成的成像模组。如今的探测器集成化已经不仅仅局限于探测器的集成化，而是追求红外热像仪的集成化与小型化。
3.3智能化
探测器的智能化包括读出电路的智能化和集成系统的智能化。通过设计智能化的读出电路，可以实现标准化的工作接口与视频输出；然后直接将其与DSP、ARM 或ASIC 连接，从而实现系统的小型化和智能化。随着芯片技术或者三维封装技术的发展，可将智能化系统及功能在探测器组件层面上加以实现。FLIR 公司基于WLP、WLO 和ASIC 芯片技术开发的Lepton 模组便是一次成功的智能化尝试。
3.4低功耗、TEC--Less与Shutter--less应用
降低功耗是所有光电产品发展的一个重要方向，更是便携式军用设备领域的迫切需求。非制冷红外焦平面探测器芯片均采用了低功耗设计，芯片功耗一般为100 ～200 mW，而TEC的功耗约为100 ～1000 mW。因此，实现TEC--Less工作是降低功耗的一个主攻方向。同时，TEC--Less 工作也有利于进一步压缩探测器及其系统的体积。另外，Shutter--Less 技术能够在TEC--Less 条件下进一步降低系统功耗和压缩系统体积，所以它也是智能化、集成化发展中的一项关键技术。
综合而言，非制冷红外探测器技术必将朝着更小像元中心距、更多样化的面阵规模、Shutter--Less 应用、智能化与集成化的方向迈进。降低红外成像模组的批产成本，有利于促进单兵装备的大批量列装。这是提升战斗力和提高作战效费比的重要发展方向。制冷红外成像系统的价格高达数十万元，传统非制冷红外成像模组的价格也达到上万元。以小像元、WLP、ISP、WLO 以及晶圆级模组制造技术推动红外成像组件的低成本化，有望实现红外装备的大规模列装。通过大幅压缩非制冷红外成像模组的制造成本，可以实现微型无人机载和单兵便携式红外成像夜视仪、微型制导炸弹与其他微型武器弹药的末端制导，从而大幅提升武器弹药的命中率以及装备效费比。
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原文标题：非制冷红外焦平面探测器研究进展与趋势
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