跨入二十一世紀(jì)以來，紅外熱攝像技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了三十多個年頭。其發(fā)展已從當(dāng)初的機械掃描機構(gòu)發(fā)展到了目前的全固體小型化全電子自掃描凝視攝像，特別是非致冷技術(shù)的發(fā)展使紅外熱攝像技術(shù)從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、執(zhí)法緝毒、安全防犯、醫(yī)療衛(wèi)生、遙感、設(shè)備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察儀等廣闊的民用領(lǐng)域。
     紅外熱攝像技術(shù)的發(fā)展速度主要取決于紅外探測器技術(shù)取得的進展。三十年來，紅外探測器技術(shù)已從第一代的單元和線陣列發(fā)展到了第二代的二維時間延遲與積分（TDI）8～12μm的掃描和3～5μm的640×480元InSb凝視陣列，目前正在向焦平面超高密度集成探測器元、高性能、高可靠性、進一步小型化、非致冷和軍民兩用技術(shù)的方向發(fā)展，正在由第二代陣列技術(shù)向第三代微型化高密度和高性能紅外焦平面陣列

技術(shù)方向發(fā)展。1 發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1 超高集成度的焦平面探測器像元

　　像可見光CCD之類的攝像陣列一樣，要提高系統(tǒng)成像的分辨率和目標(biāo)識別能力，大幅度地提高系統(tǒng)焦平面紅外探測像元的集成度是一種重要的途徑。各公司廠家都在盡力增加焦平面陣列的像元數(shù)，發(fā)展各種格式的大型或特大型紅外焦平面陣列。光行天下科技網(wǎng)

　　在1～3μm的短波紅外（SWIR）焦平面陣列方面，由于多年來的軍用都集中在中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）波段，因而SWIR焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展受到忽略，但由于這個波段的許多應(yīng)用是MWIR和LWIR應(yīng)用達(dá)不到的，因而近幾年來加快了對SWIR焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展步伐，目前的陣列規(guī)模已達(dá)到2048×2048元（400萬元）。

　　·InGaAs紅外焦平面陣列：雖然實現(xiàn)短波紅外熱攝像的候選材料要求低溫冷卻工作，而且HgCdTe襯底失配率高，暗電流也高，唯有In0.53Ga0.47As的晶格常數(shù)與InP相同，暗電流密度低達(dá)3×10-8A/cm2，R0A＞2×106Ω.cm2，D*＞1013cmHz1/2W-1（室溫下），其光響應(yīng)峰值在0.9μm～1.7μm，可實現(xiàn)非致冷工作的高性能紅外焦平面陣列，其多年的光纖通信工業(yè)應(yīng)用使其具有大批量生產(chǎn)的能力，因而幾年來日益受到重視，美國傳感器無限公司在DARPA 和NVESD支持下正在加速發(fā)展這種非致冷的紅外焦平面陣列和攝像機技術(shù)，其陣列尺寸已達(dá)到320×240元。

　　　·HgCdTe陣列：由于軍用目的的需求，過去這種材料焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展主要集中于中波和長波紅外波段應(yīng)用，但洛克威爾國際科學(xué)中心卻一直在發(fā)展1～3μm波段工作的HgCdTe焦平面陣列技術(shù)，其主要目的是天文和低背景應(yīng)用，該中心在90年代中期已制出HQWAⅡ-1 1024×1024元陣列，目前已研制成功世界上最大的HQWAⅡ-2型2048×2048元的陣列，該中心正在計劃研制4096×4096元的特大型陣列。

在3～5μm的中波紅外焦平面陣列方面：中波紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展一直是紅外焦平面中發(fā)展最快的，主要有PtSi、InSb和HgCdTe三種陣列，其陣列規(guī)模已達(dá)到2048×2048元（400萬元）。

　　·PtSi陣列已形成大批量生產(chǎn)能力，典型陣列有640×480，801×512，1024×1024，1040×1040，柯達(dá)公司新近推出的產(chǎn)品高達(dá)1968×1968元，其陣列規(guī)模已接近于400萬元，HgCdTe中波焦平面陣列是目前所有焦平面中波工作陣列中集成度高，最引人注目的，洛克威爾國際科學(xué)中心在這方面的發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位，除了640×480和1024×1024元的天文應(yīng)用陣列外，近期已準(zhǔn)備提供用戶使用的陣列為2048×2048元，并正在采用拼接技術(shù)研制4096×4096元的陣列，但工作溫度低于77K。

　　·InSb陣列是這個波段應(yīng)用中深受重視的器件，主要是低背景天文應(yīng)用陣列規(guī)格達(dá)1024×1024元，典型陣列還有640×480和640×512元。

　　在長波紅外焦平面陣列方面，主要集中于HgCdTe，GaAlAs/GaAs多量子阱陣列，SiGe異質(zhì)結(jié)構(gòu)陣列和非致冷紅外焦平面陣列四種。HgCdTe陣列的發(fā)展一直較為緩慢，近幾年主要集中于GaAlAs/GaAs量子阱列和非致冷工作的紅外焦平面陣列技術(shù)，發(fā)展極快，陣列規(guī)模已達(dá)到了640×480元。字串5

　　·HgCdTe焦平面陣列技術(shù)，由于這種材料的電學(xué)特性，進展一直較為緩慢，長波HgCdTe焦平面陣列規(guī)模僅為256×256元。

　　·GaAlAs/GaAs陣列是最近幾年來發(fā)展最快的，研究的國家公司機構(gòu)很多，如美國的洛克希德-馬丁、洛克威爾國際科學(xué)中心，雷聲、噴氣式推進實驗室和空軍研究實驗室等，日本的三菱電機和NTT，法國的湯姆遜和瑞典、加拿大、以色列的不少公司竟相研制發(fā)展，其中以噴氣式推進實驗室、雷聲和洛克希德-馬丁公司的進展最快，目前的陣列尺寸已達(dá)到640×484元，已評估了1024×1024元的雙色陣列，正在水平集成四色陣列。 

　　·GeSi/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)紅外焦平面陣列6，其工作機理類同于PtSi陣列。MBE技術(shù)的發(fā)展，為GeSi/Si、InSb和InGaAs、GaAlAs、HgCdTe等高性能大型陣列發(fā)展提供了先進的制作技術(shù)。麻省理工學(xué)院和林肯實驗室已制作了320×240元和400×400元的陣列，日本三菱電機公司的陣列規(guī)模已達(dá)到了512×512元，只是目前GeSi/Si陣列工作溫度明顯低于77K。

　　·非致冷紅外焦平面陣列，由于近幾年來取得的突破性進展，器件和整機系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展均很迅速，主要用于8～14μm的長波紅外波段探測，像美國霍尼韋爾、得克薩斯儀器、洛克希德馬丁、雷聲、因迪哥系統(tǒng)、薩爾諾夫和波特蘭前視紅外系統(tǒng)公司等，日本三菱電機公司、英國GEC-馬可尼和瑞典、加拿大等國的公司都競相發(fā)展這種技術(shù)，競爭幾乎遍及全球，發(fā)展甚為迅猛，目前常用商用陣列為320×240元，640×480元陣列即將問世。

1.2 高性能

　　由于用采用諸如MBE、MOCVD這樣的高精度控制制作工藝，微機械加工技術(shù)和CMOS這樣的大型或特大型集成多路傳輸器，不但實現(xiàn)了如1024×1024，2048×2048元這樣的大型二維凝視紅外焦平面陣列的高速大容量的信號處理，而且獲得了高度均勻性的陣列焦平面響應(yīng)特性，進一步提高了陣列的性能。

　　短波紅外焦平面陣列，迅速實現(xiàn)了商用化。美國新澤西州傳感器無限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平面陣列D*值＞1013cmHz1/2W-1（室溫下），如冷卻到250K工作時，D*＞1014cmHz1/2W-1，1.3～1.6μm的量子效率接近90％，洛克威爾國際科學(xué)中心的PACE－1型1024×1024元陣列和HAWAⅡ－2型2048×2048元陣列，平均量子效率65.4％，光響應(yīng)不均勻性為4.3％。[page_break]#p#分頁標(biāo)題#e#

　　中波紅外焦平面陣列器件中，PtSi陣列經(jīng)過二十來年的發(fā)展改進，性能大幅度提高，噪聲等效溫差（NETD）已優(yōu)于0.1℃，三菱512×512元IRCSD已達(dá)到0.07～0.033K，801×512元陣列填充因子61％，NETD為0.076℃，最小可分辨溫差0.17℃（尼奎斯特），薩爾諾夫的640×480元陣列NETD＜0.18K，最小可分辨溫差MRT＜0.04K（300K，積分時間33毫秒），三菱1040×1040元PtSi陣列不均勻性±2％；圣巴巴拉研究中心InSb 640×512元陣列的NEΔT優(yōu)于20mK，1024×1024元天文應(yīng)用的InSb陣列量子效率85％（0.9μm～5μm）；洛克威爾國際科學(xué)中心PGM600-003 640×480元HgCdTe陣列77K量子效率68%，NEΔT平均值為0.013K，該中心的1024×1024和2048×2048元陣列也都具有良好的性能。字串7

　　長波（8～14μm）紅外焦平面陣列，HgCdTe陣列發(fā)展時間最長，但陣列尺寸不大，目前的性能是非常好的，列工作溫度77～88K，量子效率70％～75％，，NETD為13mk，，雙波段工作陣列量子效率為60%；GaAlAs/GaAs量子阱紅外焦平面陣列發(fā)展到了今天的640×480元特大陣列，工作溫度已接近或達(dá)到77K，截止波長長達(dá)14μm～16μm，如噴氣式推進實驗室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs陣列，工作溫度70K，NEΔT為43mk，NEΔT不均勻性為1.4％，已報導(dǎo)了8～9μm和14～15μm雙色640×486元陣列攝像機，這種陣列的工作溫度仍需提高到77K以上方可在系統(tǒng)應(yīng)用方面獲得大量應(yīng)用的能力；非致冷的紅外焦平面陣列技術(shù)是長波紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，近幾年在技術(shù)上取得了突破，投入批量生產(chǎn)，正在加緊推廣應(yīng)用。主要材料有VOx、Ti金屬、硅、多晶硅、非晶硅、熱釋電和熱釋電－鐵電材料幾種，有熱敏電阻微測輻射熱計和薄膜熱釋電與熱電堆幾種陣列，目前已進入系統(tǒng)應(yīng)用的陣列為320×240元陣列，NETD通常優(yōu)于0.1K，最佳性能為0.01K～0.005K（即10 mk～5mk），洛克希德馬丁等公司已研制出640×480元的最大陣列。薩爾洛夫公司采用Si3N4作絕緣層的陣列設(shè)計，NETD可達(dá)0.005K，使用SiC時為0.01k 

　1.3 高密度小像元尺寸

　　大型或特大型高密度集成，特別是如100萬和100萬元以上探測器元集成焦平面陣列要求高精度的超大規(guī)模集成電路加工技術(shù)（如亞微米）和微機械加工技術(shù)，焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展很大程度上取決于超大規(guī)模集成電路的進展。DRAM每個單元僅要求一個晶體管，而紅外焦平面陣列讀出電路則需三個或更多的晶體管，而且其中有一個必須是低噪聲模擬的，目前DRAM生產(chǎn)水平設(shè)計規(guī)格為0.25μm，預(yù)生產(chǎn)設(shè)計規(guī)格已是0.18μm，在這樣先進加工條件下，焦平面陣列多路傳輸器和探測器元尺寸都可進一步縮小，陣列元數(shù)集成度更高，圖1是焦平面陣列技術(shù)發(fā)展與微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展趨勢關(guān)系。目前的紅外焦平面陣列由于采用亞微米加工技術(shù)，像元尺寸大為縮小，實現(xiàn)了小像元高密度的紅外焦平面集成的進一步發(fā)展。由于微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，PtSi陣列的像元尺寸已小達(dá)20×20μm2和17×17μm2，如柯達(dá)KIR－3900 1968×1968元陣列和日本三菱1040×1040元陣列，HgCdTe陣列已小達(dá)18×18μm，如洛克威爾科學(xué)中心的HAWAⅡ-2 2048×2048元陣列，其設(shè)計規(guī)格為0.8μm，洛克希德馬丁紅外攝像公司的640×480元非致冷紅外焦平面陣列的像元尺寸縮小為28×28μm2，雷聲和噴氣式推進實驗室的8～9μm和14～15μm波段工作的雙色GaAlAs/GaAs量子阱陣列像元尺寸小達(dá)25～25μm。字串8

　　1.4 多色工作

　　隨著紅外焦平面陣列制作技術(shù)的迅速進展，由于許多實際應(yīng)用的需要，近期在雙色或多色紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展方面取得了顯著的進展，如美國加州理工學(xué)院噴氣式推進實驗室空間微電子中心、雷聲先進紅外中心和空軍研究實驗室最近研制出的8～9μm和14～15μm的雙色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱紅外焦平面陣列及其攝像機，雷聲、美國陸軍研究NASA Gooddard航天飛行中心和洛克威爾科學(xué)中心共同研制的11.2μm和16.2μm截止波長的256×256元GaAs/GaAlAs量子阱紅外焦平面陣列，這些機構(gòu)都是在加緊發(fā)展這種二色和多色焦平面陣列,都是在原來單色焦平面陣列取得極大進展的基礎(chǔ)上迅速地研制出了這種雙色陣列。但這種技術(shù)目前的工作溫度尚不到77K，同時探測器像元要求二種工作電壓，長波敏感區(qū)需極高的偏壓（＞8V）實現(xiàn)長波紅外探測，雖然電壓可調(diào)，但不能同時提供二個波段的數(shù)據(jù)。

2 未來的發(fā)展趨勢

　　上面已敘述了進入二十一世紀(jì)以來紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，2010年時的紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展將是人們十分關(guān)注的課題，那么2010年時紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展將是什么結(jié)果呢？

目前先進的紅外焦平面陣列技術(shù)正處在從第二代向第三代更為先進的陣列技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)變時期。各有關(guān)公司廠家著眼于2010年市場需求，正在加緊確定第三代紅外焦平面陣列技術(shù)的概念，目前各有關(guān)公司和廠家機構(gòu)的注意力已轉(zhuǎn)向第三代紅外焦平面陣列傳感器的發(fā)展。

　　第三代紅外焦平面陣列技術(shù)要滿足以下幾種要求：

　　·焦平面上探測器像元集成度為≥106元，陣列格式≥1K×1K，至少雙色工作，

　　·高的工作溫度，以便實現(xiàn)低功耗和小型輕量化的系統(tǒng)應(yīng)用，

　　·非致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的性能達(dá)到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的水平，

　　·必須是極低成本的微型傳感器，甚至是一次性應(yīng)用的傳感器。

　　第三代紅外焦平面陣列傳感器有下列三種：即：

　?。?）大型多色高溫工作的紅外焦平面陣列，探測器像元集成度≥106元，陣列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18μm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未來的芯片應(yīng)更大，高的量子效率，能存儲和利用探測器轉(zhuǎn)換所有的光電子，自適應(yīng)幀速（480Hz），雙色或多色工作，使用斯特林或熱電溫差電致冷器，工作在120～180K，光響應(yīng)不均勻≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，結(jié)構(gòu)上單片或混合集成，可以是三維的。字串5

　?。?）非致冷紅外焦平面陣列，無須溫度穩(wěn)定或致冷，用于分布孔徑設(shè)計，重量僅1盎司，30mW功率，焦平面探測器元集成度≥106元，陣列格式1000×1000元，像元尺寸為25μm ×25μm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔徑設(shè)計中獲取實用信息。

　?。?）非致冷工作的微型傳感器，焦平面探測器像元集成度僅160×120元～320×240元，像元尺寸50μm ×50μm～25μm ×25μm，NETD＜50mK(f/1.8)，輸入功率10mW以下，重量1盎司，尺寸＜2立方英寸，低成本。
#p#分頁標(biāo)題#e#
　　最終的第三代紅外焦平面陣列將是極低成本的微型傳感器，將占領(lǐng)整個紅外市場，其未來的應(yīng)用將是無人操作的一次性應(yīng)用傳感器，如微型無人駕駛航空飛行器，頭盔安裝式紅外攝像機和微型機器人等。

3 結(jié)論

　　進入二十一世紀(jì)，紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展已取得了舉世矚目的成就，已從第一代線陣列發(fā)展到了今天的二維TDI和大型凝視焦平面陣列，目前正在向焦平面探測器元高集成度（≥106元）的高密度、小像元（25μm ×25μm～18μm ×18μm）、高性能、多色和低成本的方向發(fā)展；非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)近幾年取得的突破為紅外焦平面陣列技術(shù)開拓了更加廣闊應(yīng)用領(lǐng)域，市場急劇擴大，這種焦平面陣列是未來發(fā)展低成本紅外焦平面陣列的重要途徑；目前的紅外焦平面陣列性能和成品率已大幅度提高，已具有一定規(guī)模的生產(chǎn)能力，應(yīng)用領(lǐng)域正期待著這一能力的大幅度提高。顯然，目前的紅外焦平面陣列技術(shù)發(fā)展正處在向第三代陣列技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折時期，各有關(guān)公司廠家機構(gòu)正在研究確定2010年前第三代紅外焦平面陣列的概念。預(yù)期這一技術(shù)的發(fā)展將會進入新的發(fā)展時期。