非制冷红外探测器应用概述
非制冷红外探测器应用概述
主要产品 336×256 640×512
160×120 384×288 640×512 320×240 640×480 320×240 640×480 320×240 640×480 160×120 384×288
应用材料 氧化钒 氧化钒
非晶硅
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
主要技术指标
NETD:40mk 响应时间：10~15ms
NETD:50mk 响应时间：12ms
NETD:50~80mk 响应时间：＜10ms
非晶硅 氧化钒
氧化钒
NETD:35mk 响应时间：10ms
NETD:＜50mK
氧化钒
NETD:23mK~100mK
氧化钒
NETD：＜50mK
厂商 高德
大立 广微积电
睿创
主要产品 336×256 640×512
384×288 640×512 384×288 640×512
二、非制冷红外技术概述
➢ 非制冷红外技术原理及分类 ➢ 非制冷红外探测器关键技术 ➢ 探测器的技术指标 ➢ 非制冷红外技术应用
2.1 非制冷红外技术原理
非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由 红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏 感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之 发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为 电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。
探测材料：硫酸三甘肽、钽 酸锂、钽铌酸钾、钛（铁电） 酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、 钛酸钡
热电堆
由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触 点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向 温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中 就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck）
晶圆级封装非制冷大面阵红外探测器应用分析
、结
构散热、成像算法等方面对由
建的红外成像系统进行了
&
关键词：非制冷红外探测器；非均匀性校正；无TEC算法 中图分类号：TN219 文献标志码：A DOI： 10.3969/j.issn.1672-8785.2020.01.004
Application Analysis of Wafe「Level Packaged and Large-
第41卷，第1期
红外
15
文章编号:1672-8785(2020)01-0015-06
晶圆级封装非制冷大面阵红外 探测器应用分析
陶俊伟王宏臣董珊王丽丽
(烟台艾睿光电科技有限公司，山东烟台264006)
摘 要：红外成像系统已
用到军事和民用领域多年，但一
到 ：应
用，主要原因是其 问题需要
、成本高、
稳定和技术
Format Uncooled Infrared Detector
TAO Jun-wei，V2NG Hong-chen，DONG Shan，V2NG Li-li (Yantai IRay Technology Co. g Ltd. g Yantai 264006，China')
Abstract: Infrared imagng systems have been used in the military and civilian fields frr many years，but have not been widely used， mainly due to their low resolution， high cost， unstable process and high technical threshold. Solving these problems requires improvements in sensor technology，detector packaging and infrared imageprocesingchips1Infraredtechnologywildevelopinthefutureinthedirectionoflowcost dedicated procesingchipsandhighresolution1Atpresent domestic manufacturershavesucessivelylaunchednew products such as wafer-level packaging，high- resolution detectors and dedicated image processing chips. How ever ，there is no corresponding research on the infrared imaging system of these new devices. This article is mainly based on the practical application of Yantai IRay Technology Co., Ltd/s new wafer level packaged 1280 X1024 infrared detector and the special image processing chip. The infrared imaging system is verified and an alyzed in terms of system architecture，structural cooling and imaging algorithms.
非制冷红外探测器研究进展(特邀)
第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021非制冷红外探测器研究进展（特邀）余黎静^3,唐利斌杨文运2,郝群”(1.北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京10008卜，2.昆明物理研究所，云南昆明650223;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南昆明650223)摘要：非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低 等特点，在红外领域得到了广泛的应用。
在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制 冷型探测器。
在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应 用领域引起了广泛的兴趣和关注。
文中介绍了 Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测 器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广 泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。
除了已实现商业化 应用的Bolometer、热释电、SO I二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型 器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器 件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。
最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展 趋势作了预测。
关键词：非制冷；红外探测器；热释电；Bolometer;封装中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211013Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)Yu Lijing1'2'3,Tang Libin1'2'3*,Yang Wenyun2,Hao Qun1*(1. The Laboratory of Photonics Information Technology, Ministry of Industry and Information Technology,School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. Yunnan Key Laboratory of Advanced Photoelectric Materials & Devices, Kunming 650223, China)Abstract:Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost,small size,and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature.In military application field,the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector,and has been widely used in some low-cost weapon systems,even replaced the original uncooled detectors in some application fields.In the civil field,it has shown its advantages in price and ease of use,and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision,security monitoring and other application field.The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric,thermopile,etc.were introduced,and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated,the development of pixel pitch,array specifications,performance and收稿日期:2020-1卜24;修订日期:2020-12-08基金项目:国家重点研发计划（2019YFB2203404);云南省创新团队（2018HC020)packaging of mainstream bolometer devices was focused,which were currently the most widely used.In addition to the bolometer,pyroelectric,SOI diode and other products that had been commercialized,some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail:such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands,the research progress of new materials bolometer,new bi-material uncooled devices,graphene,quantum dots,nanowires and other photoelectric detection technologies.Finally,the future development trend of u ncooled infrared detectors were predicted in the end of t he review. Key words:uncooled;infrared detector;pyroelectric;bolometer;package〇引言在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标 的关键，其主要作用是将人射的红外信号转化为可以 检测的电信号后进行输出。
非制冷红外焦平面探测器及其典型应用
LWIR
• 长波红外在地面大 气环境的传输最好 • 长波红外与室温目 标的红外辐射光谱 的匹配最好 • 战场环境烟雾环境 Байду номын сангаас应性好 • 非制冷长波红外成 像成本较低
4
红外成像技术优势
隐蔽性好 全天时
被动式目标成像与识别，隐 蔽性好 能真正做到24小时全天时监控， 不受白天黑夜影响 不受电磁影响，能远距离精 确跟踪热目标 可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
国内红外成像市场发展
与全球红外成像市场相比，国内红外成像市场整体还不太成熟； 国内装备市场底子偏薄、成长空间可观； 测温工具、单目手持夜视个人装备等领域还有很大的增长空间； 随着红外成像在安防、汽车夜间辅助驾驶、无人机、手机等领域的应用，我国 民用红外成像有望呈现爆发式增长。
9
红外成像探测器技术
制冷光子型
原理：光子型探测 优势：成像距离远，成像清晰，响应时间快，可高帧频工作（400Hz)； 劣势：系统功耗大，体积大，成本高，运行时间受制冷机寿命限制； 应用：红外雷达，光电吊舱，导引头等远距离观测与跟踪高端军用
非制冷热式
原理：热式探测原理 优势：SWaP-C 劣势：成像距离较近，不适合点目标，成像图形噪声高 应用：单兵武器、低成本导引头等军用及电力测温、安防，汽车，工业检 测等民用市场
非制冷红外成像技术流派
20世纪90 年代末，非制冷红外焦平面探测器的技术流派基本定型，下图是现今市场上仍保 持占有率的两类micro-bolometer技术（VOx和a-Si ）及其承袭关系。
VOx
Honeywell 1990~1994 LORAL 1996 LOCKHEED MARTIN 2000 SCD NEC BAe System ROCKWELL 1996 BOEING 2001 DRS RAYTHEON Vision System 1992 1997 INDIGO 2004 2004 FLIR L-3 Communications ULIS AMBER HUGHES 1997
非制冷红外焦平面探测器及其典型应用
SWIR
• 可使用常规可见光 镜头，可透过玻璃 成像
• 可探测1.06μm及 1.55μm激光
• 可复现可见光图像 细节Fra bibliotekMWIR
• 在高温、潮湿的海 洋大气条件下，中 波红外的传输优于 长波红外
• 如舰船发动机等高 温目标中波红外特 征明显
• 中波制冷红外的技 术成熟度
LWIR
• 长波红外在地面大 气环境的传输最好
11
红外成像技术—发展史
1800年， 赫胥尔发现了红外线 （水银温度计）
光机扫描、红外 摄像管技术
1800 1901年，Langley 利用探测到 1/4英里外的一头牛（电阻
1930
式测辐射热计）
1940
光机扫描红外成像技术 非制冷型红外成像技术
1956
AIM-9响尾蛇导弹
民用红外成像有望呈现爆发式增长。
9
红外成像探测器技术
制冷光子型
原理：光子型探测 优势：成像距离远，成像清晰，响应时间快，可高帧频工作（400Hz)； 劣势：系统功耗大，体积大，成本高，运行时间受制冷机寿命限制； 应用：红外雷达，光电吊舱，导引头等远距离观测与跟踪高端军用
• 长波红外与室温目 标的红外辐射光谱 的匹配最好
• 战场环境烟雾环境 适应性好
• 非制冷长波红外成 像成本较低
IRay Confidential
4
红外成像技术优势
隐蔽性好 全天时
被动式目标成像与识别，隐 蔽性好
能真正做到24小时全天时监控， 不受白天黑夜影响
抗电磁干扰
不受电磁影响，能远距离精 确跟踪热目标
准全天候
作用距离远
可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
感知“利”器｜非制冷热电堆红外探测器
感知“利”器｜非制冷热电堆红外探测器工欲善其事，必先利其器。
在全球化的今天，专利已不仅仅是创新的一种保护手段，它已成为商业战场中的利器。
麦姆斯咨询倾情打造MEMS、传感器以及物联网领域的专利运营平台，整合全产业链知识产权资源，积极推动知识产权保护与有效利用。
据麦姆斯咨询报告介绍，随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，红外探测器的应用范围也在不断增加。
按工作机理分，红外探测器可分为热型探测器与光子型探测器两大类。
其中热探测器主要分为热电偶/热电堆（Thermocouple/Thermopile）、热敏电阻（Bolometers）以及热释电探测器（Pyroelectric）三种；光子探测器主要分为本征型（Intrinsic）、非本征型（Extrinsic）、自由载流子型（Freecarriers）以及量子阱型（Quantum wells）等几种。
红外成像仪分类（红色框图中为非制冷型）受益于新应用拓展和价格下降，非制冷红外热像仪市场不断扩大2021年非制冷红外成像仪细分应用市场预测目前，红外业务主要由商业市场驱动，并将继续扩大市场规模。
市场研究机构Yole在其《非制冷红外成像技术与市场趋势-2016版》/mems/mems_sensor_201608/3411.html报告中预测，未来五年，商业市场非制冷红外成像器件出货量的复合年增长率为16.8%，到2021年将占整个红外市场规模的92%份额。
商业市场主要有三大应用领域：热像仪（预计2021年出货量将达52.1万台）、汽车（预计2021年出货量将达28.4万台）、监控（预计2021年出货量将达24.8万台）。
【推荐发明专利】《一种非致冷热电堆红外探测器及制作方法》【技术背景】目前，非致冷热电堆红外探测器的主流技术方案是采用微细加工技术在硅衬底上制作热电堆结构；再利用圆片级真空键合对热电堆红外探测器进行封装，以减小器件的热对流提高探测器的响应；然后通过划片将探测器分离；最后通过红外测试平台对单个探测器分别进行红外性能测试。
第三章非制冷红外焦平面阵列原理
热敏材料
采用高灵敏度、低噪声的 热敏材料，如氧化钒、非 晶硅等。
微桥结构
设计优化的微桥结构，降 低热导，提高热响应时间 。
读出电路
低噪声、高灵敏度的读出 电路，实现微弱信号的提 取和放大。
热电堆技术
1 2
热电偶
利用热电偶的塞贝克效应，将温差转换为电信号 。
热电堆结构
多个热电偶串联或并联构成热电堆，提高输出电 压和灵敏度。
3
温度控制
精确控制热电堆的工作温度，实现最佳性能。
其他非制冷技术
热释电技术
利用热释电材料的自发极化现象，将温度变化转换为 电信号。
光学读出技术
通过光学方法读取红外辐射引起的温度变化，无需电 学读出电路。
新型二维材料技术
利用二维材料的优异热学和电学性能，开发高性能的 非制冷红外探测器。
市场规模持续增长
随着非制冷红外焦平面阵列技术的不断成熟和成本的降低，其市场 规模将持续增长。
多元化应用领域拓展
除了传统的军事和民用领域外，非制冷红外焦平面阵列还有望在智 能交通、环境监测等新兴领域得到广泛应用。
技术创新推动市场发展
随着新材料、新工艺等技术的不断创新和应用，非制冷红外焦平面 阵列的性能将不断提升，推动市场向更高层次发展。
第三章非制冷红外焦 平面阵列原理
汇报人：XX
目录
• 红外辐射与红外探测器概述 • 非制冷红外焦平面阵列核心技术 • 非制冷红外焦平面阵列性能参数及影响因
素 • 非制冷红外焦平面阵列制造工艺与封装技
术 • 非制冷红外焦平面阵列应用领域与市场前
景 • 总结与展望
01
红外辐射与红外探测器 概述
非制冷红外成像技术及其应用
非制冷红外成像技术及其应用蔡毅昆明物理研究所，云南，昆明，650223摘要：红外成像技术与微光图像增强技术是夜视技术的主要组成部分。
非制冷红外成像技术包括量子型和热探测型成像技术两种，都是红外热成像技术的最新成就之一。
在本文中，比较了这两种技术的特点，讨论了非制冷红外成像技术的优点、发展趋势和应用。
关键词：非制冷，红外成像，应用Uncooled Infrared Imaging Technology and It’s ApplicationCAI YiKunming Insitute of Physics, Kunming, Yunnan, P.R.China, 650223Abstract: Night vision technology includes low-light-level image intensifier technology and infrared image technology. Uncooled infrared imaging technology is one of the newest achievements of infrared thermal imaging technology. Characterizations of the low-light-level image intensifier and Uncooled infrared imaging technologies are compared, then advantage, development and application of Uncooled infrared imaging technology is discussed in the paper.Keywords: Infrared Imaging，Uncooled Infrared Imaging，Application1．红外成像技术与微光图像增强技术的比较用于夜间观察的微光和热成像装置一般由信号接收、转换、处理和显示等四大部分组成。
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应用案例介绍
1. 穿透烟雾、克服雨雾能力强
当火灾发生后，尤其是森林火灾的情况下，火焰产生的烟
雾很大，往往遮盖了真正的着火点，以及火灾的蔓延趋势。 红外热像仪有很强的穿透烟雾的能力，可有效地发现真正
的着火点，以及火灾的蔓延趋势，因此，可用于指挥救火，
尽量减少经济、人员的损失。
2. 森林景区监测
通过红外热像仪对景区文物、建筑及整体环境的防火监
热电堆
由逸出功不同的两种导体材料所组成的闭合回路，当两接触
点处的温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向
温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中 就会产生热电势。（塞贝克效应Seebeck） 而这种结构称之为热电偶。 一系列的热电偶串联称为热
电堆。因而，可以通过测量
热电堆两端的电压变化，探 测红外辐射的强弱。
主要技术指标 NETD:50mk 响应时间：10ms NETD:60mk 响应时间：5ms NETD:60mk 响应时间：15ms NETD:50mk 响应时间：12ms
大立 广微积电
睿创
氧化钒
五、非制冷探测器技术机遇与挑战
高性能的非制冷红外探测器的实现，关键在于探测器结构的
设计以及读出电路的设计。低成本的关键因素取决于探测器 结构的加工方式，以及探测器的封装方式。
非制冷红外技术及应用
1. 红外热成像技术简介 2. 非制冷红外技术概述 3. 非制冷红外探测器应用 4. 国内外厂商主要产品 5. 非制冷红外技术机遇与挑战
一、红外热成像技术简介
自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射， 红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。 红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集 成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦 平面探测器。
不与其他介质发生热交换，需要把探测器芯片封装在真空中，
并保证良好的气密性。 封装体的具体要求是：优异且可靠的密闭性；具有高透过率 的红外窗口；高成品率；低成本。 目前的封装技术可分为芯片级、晶圆级、像元级等，其中芯 片级封装技术按照封装外壳的不同又可分为金属管壳封装和 陶瓷管壳封装。
金属管壳封装是最早开始采用的封装技术， 技术已非常成熟，由于采用了金属管壳、 TEC 和吸气剂等成本较高的部件，导致金 属管壳封装的成本一直居高不下，使其在 低成本器件上的应用受到限制。 陶瓷管壳封装是近年来逐渐普及的红外探 测器封装技术，可显著减小封装后探测器 的体积和重量，且从原材料成本和制造成 本上都比传统的金属管壳封装大为降低， 适合大批量电子元器件的生产。
氧化钒VOx的TCR一般为2%~3%，特殊方法制备的单晶 态VO2和V2O5可达4%。 VOx 具有电阻温度系数大，噪 声小的特点，被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的 热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用VOx 非制冷红外探测器的占80%以上。 氧化钒VOx的制备方法：溅射法、溶胶-凝胶法、脉冲激 光沉积法、蒸发法。
制造与微测辐射热计晶圆相对应的另一片硅窗晶圆，硅窗晶 圆通常采用单晶硅材料以获得更好的红外透射率，并在硅窗 口两面都镀有防反增透膜。微测辐射热计晶圆与硅窗晶圆通 过精密对位，红外探测器芯片与硅窗一一对准，在真空腔 体内通过焊料环焊接在一起，最后再裂片成为一个个真空密 闭的晶圆级红外探测器。
2.3 探测器的技术指标
二、非制冷红外技术概述
非ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ冷红外技术原理及分类
非制冷红外探测器关键技术
探测器的技术指标
非制冷红外技术应用
2.1 非制冷红外技术原理 非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应，由
红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏
感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之 发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为 电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。
测，包括对景区内游客、工作人员抽烟或其他点火行为 的监控。
3.现场救援 在浓烟雾的火灾现场，利用红外热像仪快速搜救被困人
员和动物。
四、国内外厂商主要产品
厂商 FLIR（美国） BAE(英国) ULIS（法国） 160×120 384×288 640×512 320×240 640×480 320×240 640×480 320×240 640×480 160×120 384×288 主要产品 336×256 640×512 应用材料 氧化钒 氧化钒 主要技术指标 NETD:40mk 响应时间：10~15ms NETD:50mk 响应时间：12ms NETD:50~80mk 响应时间：＜10ms NETD:35mk 响应时间：10ms NETD:＜50mK NETD:23mK~100mK NETD：＜50mK
读出电路IC技术
ROIC对微弱的红外辐射信号产生的电信号进行提取、积 分、放大、模数转换。甚至完成片上非均匀性矫正、片 上数模转换功能。 ROIC是模混合电路系统 模拟部分：单元偏置电路、积 分电路、采样/保持电路等。 数字部分：中央时序控制、行 选控制、列选控制等。
低成本真空封装技术
为了保证探测器光敏元在接收微弱的辐射后，其接收到热能
响应率RI Rv
噪声等效功率NEP
探测率D*
非均匀性UN
噪声等效温差NETD 最小可分辨温差MRTD
三、非制冷红外探测器应用
消防应用 驾驶员视觉辅助系统 边海防、城市安防、港口监视系统 车载、舰载、机载光电舱 武器热瞄具 医疗诊断 电力检测 工业过程控制 ……
非晶硅 非晶硅 氧化钒 氧化钒 氧化钒 氧化钒
L-3（美国） Raytheon（美国） DRS（美国） SCD（以色列）
厂商 高德
主要产品 336×256 640×512 384×288 640×512 384×288 640×512 384×288 640×512
应用材料 氧化钒 非晶硅 Type2短波 非晶硅 氧化钒
材料制备技术
MEMS加工技术
读出电路IC技术 低成本真空封装技术
热释电型
红外辐射使材料温度改变，引起材料的自发极化强度变化， 在垂直于自发极化方向的两个晶面出现感应电荷。通过测量
感应电荷量或电压的大小来探测辐射的强弱。热释电红外探
测器与其他探测器不同，它只有在温度升降的过程中才有信 号输出，所以利用热释电探测器时红外辐射必须经过调制。 探测材料：硫酸三甘肽、钽 酸锂、钽铌酸钾、钛（铁电） 酸铅、钛酸锶铅、钽钪酸铅、 钛酸钡
非制冷红外焦平面探测器分类
非制冷红外
焦平面探测器
热释电型: 硫酸三甘肽、钽酸锂等 热电堆型: N型和P型的多晶硅
二极管型: 单晶或多晶PN结
热电容型: 双材料薄膜 热敏电阻型: 氧化钒 非晶硅等
2.2 非制冷红外探测器的关键技术
红外光窗
吸气剂
非制冷器件 TEC 读出电路 真空封装管壳
像元尺寸不断的减小
阵列规模持续增加
晶圆级封装及低成本封装工程化应用 包含数字化、非均匀性矫正的片上处理系统的读 出电路设计
小型化 低功耗 低成本
二极管型
利用半导体PN结具有良好的温度特性。与其他类型的非制 冷红外探测器不同，这种红外探测器的温度探测单元为单 晶或多晶PN结，与CMOS工艺完全兼容，易于单片集成，
非常适合大批量生产。
热敏电阻型（微测辐射热计）
利用热敏电阻的阻值随温度变化来探测辐射的强弱。一般
探测器采用悬臂梁结构，光敏元吸收红外热辐射，由读出 电路测量热敏材料电阻变化而引起的电流变化，通过读出 电路对电信号采集分析并读出。探测器一般采用真空封装 以保证绝热性好。 探测材料：氧化 钒、非晶硅、钛、 钇钡铜氧等