测辐射热计红外焦平面列阵

《测辐射热计红外焦平面列阵》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、半导体技术990202半导体技术Semiconductor　Technology1999年第2期No.21999测辐射热计红外焦平面列阵杨亚生　　摘要　非制冷测辐射热计红外焦平面列阵设计为桥式结构，器件制作采用微机械加工技术。工作波段为8～12μm，热阻达107K／W量级，噪声等效温差为0.1K。　　关键词　测辐射热计　桥式结构　热阻　噪声等效温差BolometerInfraredFocalPlaneArraysYangYasheng(ChongqingOptoelectronicsResearchInstitute,Chongqing400060)AbstractUncoole

2、dbolometerinfraredfocalplanearrayswithhigh-performanceandlow-costisdesignedwithbridgestructure.Thedeviceisfabricatedbymeansofmicromachinedprocesstechnology.Theoperationwavelengthregionof8～12μmisachieved,withthethermalresistanceof107K/Worderandthenoiseequivalenttemperaturedifferenceof0.1K.Keyw

3、ordsBolometerBridgestructureThermalresistanceNoiseequivalenttemperature1　引　言　　数十年以前就已经制成了制冷红外探测器列阵。同电荷耦合器件(CCD)一样，制冷红外列阵通常用于航空和航天敏感领域。但在从视频摄象机到医疗和工业机器视觉系统的每一样消费类产品，制冷红外列阵并不像CCD那样应用广泛。在这些非军用市场，制冷红外列阵仅限于小范围应用。红外探测器系统的成本和复杂性是造成其应用范围狭窄的主要原因。目前采用低温制冷器、复杂红外光学系统和昂贵的红外探测器材料的摄象机，其典型价格为10万美元。　　出路何在?答案是

4、采用非制冷红外探测器列阵。预计由于采用无需制冷的硅红外焦平面列阵技术，系统成本将降低两个数量级，达到1000美元以下。这种新型红外列阵即测辐射热计列阵，采用类似于硅工艺的硅微机械加工技术进行制作，在性能和应用上与传统的红外探测器列阵有很大不同。这种列阵组装的摄象机在尺寸、重量和价格方面可与摄录机相媲美，在不远的将来可望获得广泛的应用。　　测辐射热计红外焦平面列阵的研究成果已引起世人瞩目。由美国Potonics评选的万方数据file:///E

5、/qk/bdtjs/bdtj99/bdtj9902/990202.htm（第1／5页）2010-3-2215:16:10半导体技术99020

6、21997年光电子领域优秀奖授予一年中25项最具革新性新产品，其中有关红外的产品有两项，一项是Boeing(Rockwell)的U3000型320×240元非制冷测辐射热计列阵；另一项是Amber的320×240元非制冷测辐射热计列阵热象仪Sentinel。在美国国防部计划中，已拨巨资支持室温焦平面的发展［1］。2　传统的制冷红外探测器列阵　　红外热成象的工作波段在3～5μm或8～12μm，以避免大气吸收。对于夜视应用，以8～12μm波段为佳，因为25℃的物体在8～12μm波段发射的热辐射比在3～5μm波段高出约50倍。　　由于上述两个波段的所有传统红外摄象列阵均是基于光子探测，

7、而光子探测依赖于直接由红外光子产生的电荷载流子(电子和空穴)。当红外光子在适当的波段被吸收，光子探测器就会产生与入射红外辐射密度成比例的光生电荷信号。几种典型的光子探测器是这样完成此过程的：(1)通过光致激发越过小带隙半导体材料如HgCdTe的带隙；(2)通过光致激发越过肖特基二极管如PtSi的金属-半导体接触势垒；(3)通过在非本征半导体材料如As∶Si的杂质缺陷与多数载流子间的光致激发。　　HgCdTe或InSb探测器列阵被直接做在这种材料的圆片上。单个的探测器列阵芯片被从圆片上划下，焊到CMOS芯片上。CMOS芯片起读出集成电路(ROIC)的作用，它顺序地读出来自每个象元的

8、电压或电荷。　　这些器件一般不能做成单片式结构，即探测器列阵和CMOS芯片必须分别制作，然后通过铟柱或其它方法焊接在一起。在探测器列阵和硅ROIC之间存在着显著的热膨胀系数差异，从而产生力学应力，在多次循环冷却后限制了焦平面的可靠性。要减小这种热力学差异效应，必须在焦平面中引入差异补偿结构［2］。这种结构的器件制作起来比CCD更复杂、更昂贵。CCD是全硅材料，并且可采用标准集成电路工艺技术进行单片式大规模生产。　　包括单片式PtSi在内的所有光子探测器，工作时需要有效的低温制冷。