第8章_微测辐射热计焦平面阵列解读
采用原位微真空传感器的微测辐射热计红外焦平面列阵
温度的网络化预测方法 ［ ． Ｊ 兵工学报，２０ ，９１： 】 ０８ ２（）
】 一】 ０】 ０６．
瞳墨置圈
度 的仪 器 。 因此 ， 件 的可 靠 性就 不 能 完全 得 到 保 证 。 器 本 发 明 提 供 一 种 具 有 原 位 真 空 敏 感 能 力 的 微 测 辐 射 热计 红 外 焦 平 面列 阵。 电信 号 被 施 加于 其 测 辐测 热 当 计 材料 时 ，该 材料 会 被 加 热 ， 而 产 生与 真 空 度 有关 的 从 可 变 电阻 。 种 给 定材 料 的变 率 取 决 于从 该 材 料 到周 围 一 环 境 的热 传递 效 率 。在 良好 的真 空 中 ，热 传递 较 差 ，因 此 热量 会 保 留在 材 料 中 ， 度 上 升就 较 快 ，而 电 阻 的变 温 率就 会 变 得较 大 ，反 之亦 然 。通 过 读 出这 种 可变 电阻 的 幅值 ，便 可 以 确 定 其 真度 。 本 专 利 说 明 书共 １ ，其 中有 １ ７页 ０张插 图 。
参考 文献
［ 韩玉阁，宣宜 民．坦克 动力舱 内的热特性 ［． １ 】 Ｊ 红外 】
技 术 ， ２０ ， ２３： ３２． ００ ２ （） ２－ ７
【 毕小平，赵 以贤，等．坦克装 甲车辆冷 却性 能的集 ２ ］ 成化预测模型 ［． Ｊ 兵工学报，２０ ，７４： ７－８ ． 】 ０ ６ ２（） ５ ８５０ ［ 毕小平， ３ 】 王普凯， 环境温度和压力对坦克柴油机 等．
采 用 原 位 微 真 空 传 感 器 的微 测 辐 射 热 计 红 外 焦 平 面 列 阵
美 国专 利 ＵＳ３５９ ７８ １９
（２ ０ ０ ８年 ７月 １ ｌ 权 ） ０ Ｅ授
微 测 辐 射 热 计 红 外 探 测器 一 旦 被 确 定 用 于 某 一 项 具 体应 用 ， 们就 要 用 芯 片级 或 晶 片级 技 术 以真 空方 式 它 封 装在 非 常 小 的封 壳 内。但 是 ，目前 在 市场 上 还 买 不到 用 于 监 测 已封 装 好 的微 测 辐 射 热 计 红 外 探 测 器 的 真 空
光学读出热成像焦平面阵列的制作技术
第36卷，增刊红外与激光工程狮年9月1Vr01．36Suppl e m e nt1116盈I_ed and L．a s er E ngi I l oef i ng S印．2(X y7光学读出热成像焦平面阵列的制作技术冯飞，李珂，杨广立，闰许，熊斌，王跃林(中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050)摘要：光学读出热成像是一种新型的红外成像技术，它基于双材料效应和光学原理实现像转换与像增强，具有高性价比的潜在优势。
光学读出热成像焦平面阵列由可动微镜阵列构成，其制作技术是光学读出热成像技术的重要研究内容之一。
目前，国内外的研究者已发展了基于表面微机械、一体微机械以及表面，体微机械工艺的3种制作技术，前两者各有优缺点，而基于表面／体硅微机械工艺的制作技术则兼顾了前两者的优点。
关键词：光学读出热成像；焦平面阵列；微机械工艺中圈分类号：TN215文献标识码：A文章编号：1007．2276(2007)增(探测与制导)．0483—04Fabr i cat i on t e chnol ogy of opt i caU y r e adabl e t her m al i m agi ngf ocal pl a ne ar r ayFE N G Fei，U K e，Y A N G G u粗g—l i，Y A N X u，ⅪoN G B i I l，W蝌G Y ue—l i n(Sh鲫ghai I I l s t it I I t e o f M i cm syst cm柚dInfom l at i叽慨hnol ogy．(耻∞∞A cadcm y0f Sci∞ccs，Sh锄gh ai200050，C h i l l a)A bs t r act：O pt i cal l y r e am bl e m e m a l i m a gi ng，a noV el i n缸ar ed i m agi II g t e cl l I l ol ogy bas ed o nbi l l l at er i al ef!I’e ct and opt i ca l pri nc i pl e，has pot e nt i a l r ne r i t of l l i gh peI f bnnan ce pri ce r at i o．opt i ca l l y r eadab l e t l l e呻al i m a gi ng f oca l pl a l l e anr ay(oR一Ⅱ一H'A)consi st s of m oV abl e rni croⅡl in．or蝴y．’nlef abr i c撕on t echn ol ogy of O R—T I—FP l A is on e of t l le i m pom m t r es ear ch subj ect s．N ow t hI’ee f al试cal i ont ccl l l l ol og i es of O R—TI—FPA，w l l i ch ar e bas ed on sum l c e r nj cr om achi I l i ng，bu l k m i crom achi ni ng卸ds疵饥ul l(IIlicm m acll illing pr oces s，haV e be en deV el oped．T he f om er t w o t echnol ogi es ha V e t11eir m er i t s aI l d di sadV an住唱e s，aI l d tl l e l at t er com bi nes t l le m er i t s of t he f o加er t w o．K ey啪rds：opt i cal l y r eadabl e m e衄al i m ag她；Focal pl aI l e ar r ay；M i cr om acl l i l l ing pr oces sO引言红外成像技术在军事、民用领域均有十分广泛的应用。
红外焦平面阵列
2.4.1 光电转换原理
为了便于理解在后面将要引入的光伏探测器 的等效电路,我们先讨论一下光伏探测器的 光电转换规律是十分必要的. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. PN结光伏探测器的典型结构如图所示. 为了说明光功率转换成光电流的关系, 光子 我们设想光伏探测器两端被短路, 电极 并用一理想电流表记录光照下 SiO 2 耗尽层 流过回路的电流,这个电流常常 n 电极 称为短路光电流 称为短路光电流. 短路光电流. n+
p+
PN结光伏探测器的作用原理如图所示: PN结光伏探测器的作用原理如图所示: 假定光生电子假定光生电子-空穴对在结的结区,即耗尽 区内产生.由于内电场作用,电子从n 区内产生.由于内电场作用,电子从n区向 p区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴 就在外回路中形成电流.
p Ec EF Ev o 光生空穴 p
几 种 国 产 硅 光 电 池 的 特 性
2.4.4 光电二极管
光电二极管和光电池一样,其基本结构也 是一个PN结. 是一个PN结. 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 它和光电池相比,重要的不同点是结面积 ,因此它的频率特性特别好 频率特性特别好. 小,因此它的频率特性特别好. 光生电势与光电池相同,但输出电流普遍 比光电池小,一般为数微安到数十微安. 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 按材料分,光电二极管有硅,砷化稼,锑 化锢,铈化铅光电二极管等许多种. 按结构分,也有同质结 异质结之分.其 同质结与 按结构分,也有同质结与异质结之分.其 中最典型的还是同质结硅光电二极管.
为了减小暗电流,设置一个N Si的环把受光面(N Si)包围起 为了减小暗电流,设置一个N+-Si的环把受光面(N-Si)包围起 来,并从N Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 来,并从N+-Si环上引出一条引线(环极),使它接到比前极电 位更高的电位上,为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达 到电源的通路.
采用CMOS N势阱层的低成本红外微测辐射热计焦平面列阵
列 阵像元 的 蚀刻效 率，研 究人员 决定 将孔 径宽
度 增加 到 １＃ ，这 样可 使像元 尺 寸达 到 ７． ０ｍ ４ｍ ａ
×７＃ 。如 果将布线 用 的面积 包括进 去，列 阵 ４ｍ
的最 后的像 元尺寸 就成 为 ８＃ ×８＃ ，而 占 ０ｍ ０ｍ 空 因子 为 １％ 。通 过使 用 先进的 Ｃ Ｓ工艺 和 ３ ＭＯ
表 面或 块体 微 切削 加工技 术来 完成 的 。
表 面微 切削非 致 冷探 测 器大 多 基 于磺 测辐 射热 计 的方法 即红外辐射 将传感器材 料加热，
从 而 改变 传感 器 材料 的 与 电阻温 度系 数 （Ｃ ） Ｔ Ｒ 有关 的电阻 。 种方法允 许实施小 的像元 尺寸， 这 如 ５ ×５＃ 但 这些 探测 器通 常 需要在 完 ０ｍ ０ｍ 成Ｃ Ｓ ＭＯ 制各之后 淀积 一些具有 高 Ｔ Ｒ的奇特 Ｃ 材料 ，这样就 会 使 后 Ｃ Ｓ加工变得 复 杂化 ， ＭＯ
近 ，但该探 测器 列 阵的性 能则 要 比 Ｃ Ｓ整体 ＭＯ
微 切削加 工 的热 电方法 的高 。
属 的 Ｔ Ｒ一般 是很 低 的 。因此 ，虽然与 光子探 Ｃ
测器 相 比较 ，表 面 微切 削加 工 的微测 辐射 热计
２ ｎ势 阱微测辐射 热计 结构
图 １ 出 了 ｎ势阱微 测 辐射 热计 的 一幅透 示
最 熟悉 的并 已被 广 泛使用 的一种微 测辐 射热计
材料 ，就 具有 约 ２ 一３ ／ 的高 Ｔ Ｒ ； ％ ％Ｋ Ｃ 然而 ， Ｖ 并 不 是 制 备 Ｉ 的标 准材 料 ，它 需要 昂贵 Ｏ ｃ 的 专用 设备 。像 非 晶硅 碳 化物 和多 晶硅 一锗这
来 实施这种 红外 探 测器 的情况 。他们 之所 以选 用 ｎ势 阱层 ，是 因为 ｎ势阱层 的 Ｔ Ｒ 比较高 ， Ｃ 达 ０ ％一０ ５ ／ 。本 文报告 一个 采 用 ｎ势 阱 ． ５ ％Ｋ ６ 微 渊辐射热 计方 法的 １ １ 元 非致 冷微 测辐射 ６ ６ ｘ
非致冷焦平面阵列（UFPA）
非致冷焦平面阵列(UFPA)红外探测器非制冷焦平面阵列省去了昂贵的低温制冷系统和复杂的扫描装置，敏感器件以热探测器为主。
突破了历来热像仪成本高昂的障碍，"使传感器领域发生变革"。
另外，它的可*性也大大提高、维护简单、工作寿命延长，因为低温制冷系统和复杂扫描装置常常是红外系统的故障源。
非致冷探测器的灵敏度(D）比低温碲镉汞要小1个量级以上，但是以大的焦平面阵列来弥补，便可和第一代MCT探测器争雄。
对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。
广阔的准军事和民用市场更是它施展拳脚的领域。
为避免大量投资，把硅集成电路工艺引入低成本、非制冷红外探测器开发生产，制造大型高密度阵列和推进系统集成化的信号处理，即大规模焦平面阵列技术，潜力十分巨大。
正因为如此，单元性能较低的热电探测器又重新引人注目，而且可能成为21世纪最具竞争力的探测器之一。
目前发展最快、前景看好的有两类UFPA：（1）热释电FPA。
热释电探测器的研究早在60年代和70年代就颇为盛行，有过多种材料，较新型的有钛酸锶钡(BST)陶瓷和钛酸钪铅(PST)等。
美国TI公司推出的328×240钛酸锶钡(BST)FPA已形成产品，NETD优于0.1K，有多种应用。
计划中还有640×480的FPA，发展趋势是将铁电材料薄膜淀积于硅片上，制成单片式热释电焦平面，有很高的潜在性能，可望实现1000×1000阵列的优质成像。
(2)微测辐射热计(Microbolometer)。
它是在IC－CMOS硅片上以淀积技术，用Si3N4支撑有高电阻温度系数和高电阻率的热敏电阻材料VOx或α－Si，做成微桥结构器件(单片式FPA)。
接收热辐射引起温度变化而改变阻值，直流耦合无须斩波器，仅需一半导体制冷器保持其稳定的工作温度。
90年代初，由Honeywell公司首先开发，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成实用的热像系统，NETD已达到0.1K以下，可望在近期达到0.02K。
红外焦平面阵列参数
红外焦平面阵列参数红外焦平面阵列是一种用于红外成像的关键技术，它由多个红外探测器组成，并具有一系列参数来描述其性能。
本文将从几个重要的参数入手，介绍红外焦平面阵列的特点和应用。
1. 像素数量：红外焦平面阵列的像素数量决定了其分辨率和图像质量。
像素数量越高，图像细节信息越丰富，分辨率越高。
但同时，像素数量的增加也会导致成本上升和数据处理需求增加。
因此，在选择红外焦平面阵列时需要权衡成本和性能需求。
2. 像素尺寸：像素尺寸是指红外焦平面阵列中每个像素的物理尺寸。
像素尺寸的选择与应用场景有关。
通常情况下，小尺寸的像素可以提供更高的分辨率，但同时也会导致信噪比下降。
对于某些应用而言，如红外夜视仪，信噪比可能更为重要，因此需要选择较大尺寸的像素。
3. 像素响应频率：像素响应频率是指红外焦平面阵列中每个像素的响应速度。
像素响应频率越高，红外焦平面阵列对快速动态场景的适应性越强。
例如在红外导弹追踪系统中，像素响应频率需要达到几千赫兹，以捕捉高速移动目标的瞬时图像。
4. 灵敏度：红外焦平面阵列的灵敏度是指其对红外辐射的响应能力。
灵敏度越高，红外焦平面阵列对红外辐射的探测能力越强。
灵敏度通常用NEP（Noise Equivalent Power）来表示，即单位面积上的最小可探测信号功率。
提高红外焦平面阵列的灵敏度可以增强其在低辐射场景下的成像能力。
5. 动态范围：动态范围是指红外焦平面阵列能够处理的最大和最小信号强度之间的比值。
动态范围越大，红外焦平面阵列能够在高对比度场景下保持细节丰富的图像。
动态范围的提高通常需要采用一些特殊的设计和制造技术，如多采样和非线性校正。
6. 工作波长范围：红外焦平面阵列的工作波长范围决定了其对红外辐射波长的响应能力。
不同的红外焦平面阵列可以工作在不同的波长范围内，如近红外、中红外和远红外。
在选择红外焦平面阵列时，需要根据实际应用需求来确定所需的工作波长范围。
7. 制冷方式：由于红外焦平面阵列需要工作在极低的温度下，通常需要采用制冷技术来降低阵列的工作温度。
测辐射热计红外焦平面列阵
测辐射热计红外焦平面列阵
杨亚生
【期刊名称】《半导体技术》
【年(卷),期】1999(24)2
【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。
【总页数】4页(P5-8)
【关键词】测辐射热计;桥式结构;热阻;红外焦平面列阵
【作者】杨亚生
【作者单位】重庆光电技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN215.03
【相关文献】
1.采用CMOS N 势阱层的低成本红外微测辐射热计焦平面列阵 [J], 高国龙
2.非制冷测辐射热计焦平面列阵现状 [J], 邵式平
3.微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器技术新进展 [J], 邓荣春;卢杰;徐立中;胡荣群
4.采用原位微真空传感器的微测辐射热计红外焦平面列阵 [J], 高
5.非晶硅测辐射热计的性能将可超越红外焦平面技术 [J], 岳桢干
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基于红外热成像技术的动力电池组热失控监测系统
基于红外热成像技术的动力电池组热失控监测系统张斌; 吴楠; 赵希强; 丁照东; 朱江【期刊名称】《《电池工业》》【年(卷),期】2019(023)004【总页数】6页(P171-175,185)【关键词】红外热成像; 锂电池测温; 热电偶【作者】张斌; 吴楠; 赵希强; 丁照东; 朱江【作者单位】力神(青岛)新能源有限公司山东青岛 266555【正文语种】中文【中图分类】V448.25+11 引言研究和开发环保型汽车是汽车工业可持续发展面临的重大课题,鉴于目前的技术现状,清洁燃料汽车、混合电动汽车、电动汽车将成为世界汽车行业今后十几年内的重要发展方向[1]。
作为一种应用趋势,锂离子动力电池正越来越多地在一些电动车辆上得到应用[2]。
在动力锂电池的生产过程中，由于电池的充放电功率较大，异常温升会引发危险，因此必须对电池极柱的温度进行监测。
传统的温度监测有很多影响测试效率的因素，本文提出了基于红外测温技术的检测系统，可以有效提高测试效率。
2 动力电池组的温度监测需求动力电池是新能源汽车整车性能最关键的部件，新能源汽车对动力电池的有很高的性能要求和安全性要求。
对动力电池组的温度监控需求，主要是实时监测电池组的表面温度分布，并对锂电池热失控现象进行监测预警。
2.1 实时监测电池组的温度分布电池组的温度，是影响动力电池性能的一个关键因素。
汽车的动力电池，是由多只单体电池通过串联和并联的方式组合而成的一个大的电池组。
在充放电发热的情况下，电池组内部众多单体电池温度分布不均匀程度，影响电池组的电性能和可靠性[3]。
因此，在动力电池生产的电池组的组装工序，必须对电池组的温度分布进行实时监测,如图1所示。
图1 电池极柱表面温度检测系统网络架构图Fig.1 Network architecture of the surface temperature measurement system for battery pole2.2 监测预警锂电池的热失控动力电池的安全性问题，主要是动力锂电池组发生热失控现象，导致锂电池发生起火、爆炸。
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幅角 tan T arctan T
是温升与辐照通量之间的相角，说明器件温 升滞后调制辐射功率的程度。
③考虑温升的幅值
T
C
0 T 1 2 T 2 1/2
A、温升 T 与吸收系数 成正比，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。
B、温升 T与工作频率 有关， 增高，温
升 T下降。 低频时 T 1
3、光热探测器对光辐射的响应过程 ①吸收光辐射能量使器件自身温度发生变化。 ②依赖某种温度敏感特性把辐射能引起的温度变 化转换为相应的电信号，达到探测的目的。
4、光热探测器的特点 利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工 作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种 波长的辐射对于光热探测器的响应都有贡献。在很 宽的波长范围内，响应灵敏度与波长无关，但受热 时间常数的制约，响应速度较慢。
8.1 引言
1881年Langley在别人建立的辐射计原理基础上 构造出第一个辐射计。以后的工作就在于对辐射计 的改进上。
1978年Johnson提出了适用的硅微型隔热结构作为 室内温度热红外传感器。
1979年Johnson和Higashi构造了原型传感器。
原型传感器: 小由﹑机厚械为桥1µ型m的，S带i3有N4金构属成薄，膜外温部度为敏10感0电µm阻大器。 构造这些装置时，使用各向异性蚀刻法制成 的射很硅敏片感来。制作隔热的Si3N4微型桥路，对IR辐
1982，Kruse通过计算表明硅微型机械加工 的微型辐射计可以达到接近室温下IR探测器的 性能，并提出了他们作为一个两维的凝视型焦 平面阵列的构造。
1982，Arch和Heiser对微机械加工的 Si3N4微型辐射计做了大量的测量。测得的D* 为109cmHz1/2/W ， D*足够在凝视焦平面中 产生一个很好的噪声等效温差 。
第八章 微测辐射热计红外成像 器件
8.1 引言 8.2 微测辐射热计的工作原理 8.3 微测辐射热计的噪声 8.4 微测辐射热计的信噪比 8.5 微测辐射热计的读出电路 8.6 微测辐射热计的结构设计、制备以及 封装
1、什么是红外热辐射计
一种探测入射红外光引起自身温度升高的传感 器。使用一种电导率随着温度变化的材料来测 量温度的改变量。这样通过温度的改变量来测 定入射红外光的大小。
Gt t
T t T
0e C H jC
0ejt H jC
Ht
当t
T时，解的第一项
0e C H jC
0
所以
T t
0ejt H jC
0 T ejt
C 1 jT
幅值
C
0 T ejt 1 2 T 2 1/2
T t
C
0 T 1 2 T 2 1/2
1983年，带有微机械加工的测辐射热计的红 外成像仪演示于众(Wood 1983)。
1992年，240×336元阵列的NETD值为 39mk(Fno=1, 30Hz帧速)，被用于一个便携 式的非致冷摄像机上 。
§8.2 基本原理
成像元件是受单元探测器吸收的辐射光所 影响。
入射光能量下温度增加的热流量公式，温 度的增加依赖于探测机构。
称为热阻
所以，在热平衡状态下有：
dT
e C dt H T 2、热平衡方程的解
设入射辐射为：e 0 1+ejt
包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以
e
C
dT
H T dt
的解也包含两部分
T0 ：与时间无关的平均温升； T ：与时间有关的温度变化；
e
C
dT
dt
H T
可以分解为两个方程
最重要的探测器件是电阻型测辐射热计。
1. 热红外传感器的基本结构
支撑腿
传
信
感
号
面积A
器
辐
射
支撑衬底
红外辐射引起的温度变 化可由以下方式测得:
电阻变化（辐射计） 热电结（TE传感器） 热释电效应 气体压力变化 … 等
2. 热传递的三个方式
热 传 导：
1）热量敏感区沿支撑物向衬底; 2）相邻像素之间横向热流通； 3）如果阵列没有固定在一个抽空的封装 盒里，热量会流向周围的大气。
①
C
d T0
dt
H T0
0
T0
0 H
d
② C
T dt
H T 0ejt
Gt t
T
0e C H t jC
0ejt H jC
3、对热平衡方程的解的讨论
①设 T
C H
，R称 C为 热敏器件的热时间常数
一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状
和颜色等有关。
②如果只考虑与时间有关的项，即有：
T
C
0 T 1 2 T 2
1/ 2
0
H即 T 与 ຫໍສະໝຸດ 成反比，几乎与 无关减小 H 可提高温升，但 H减小使 T变大， 器件的热惯性变大，时间响应变坏，
限制，这种限制对于工作性能影响是非常大。
一、光热效应 1、光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时， 黑体将吸收所有波长的全部光能量，并转换为热 能，称为光热效应。 2、光热探测器原理： 热能增多导致吸收体的物理、机械性能变化，如： 温度、体积、电阻、热电动势等，通过测量这些 变化可确定光能量或光功率大小。由光热效应制 成的光探测器统称为光热探测器。
二、温度变化方程——光辐射引起温升的过程
1、热平衡方程 e ：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。 ：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。
e：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分
①转化为内能，表现为温度升高
dT
C dt
C 称为热容
②与外界热交换：传导、辐射、对流
H T
H 热传导系数
1 H R
2、红外热辐射计与其他传感器的区 别
a) 原理上：辐射计：利用入射的红外光使辐射计 探测材料温度发生变化来探测的。 传感器：利用其他敏感量来测量。
a) 探测对象：一个是红外光（热辐射），另一个 是其他的敏感量（如声音、压等）。
b) 材料上：辐射计：利用电导率随着温度变化的 材料。传感器：如压力传感器可利用压电陶瓷 等。
热 对 流：
热对流是第二种热传递方式。。 在阵列中热对流不是一种很重要的热传递方式。
如果热成像阵列包装并未抽空，则从热敏感元件 流经大气的热损失往往是热传导而不是热对流。
热 辐 射：
热辐射是第三种热传递方式。 敏感元件向周围辐射热量，周围环境也向其辐
射热量。对热成像阵列这是理想状况。 如果主要热损失是辐射性的，则阵列是受背景