非致冷红外焦平面阵列用探测材料（精品论文）

第10期电子元件与材料 Vol.21 No.10 2002年10月ELECTRONIC COMPONENTS & MATERIALS Oct. 2002非致冷红外焦平面阵列用探测材料

刘世建

曾祥斌

湖北　武汉 ４３００７４

高性能和低成本而探测材料是非致冷红外焦平面阵列的基础热敏电阻型和热释电型

关键词：非致冷红外焦平面阵列热电堆热释电

中图分类号:TN204文献标识码:A文章编号:1001-202810-0022-03

Materials for Non-cooled Infrared Focal Plane Arrays

LIU Shi-jian, XU Chong-yang, ZENG Xiang-bin

(Department of Electronics Science & Technology, Huazong University of Scinece & Technology, Wuhan Hubei 430074)

Abstract: Non-cooled infrared focal plane arrays are important in research on infrared imaging nowadays due to its high density, high performances and low cost. Its foundation is sensitive material. These sensitive materials have been used in research of three kinds of non-cooled infrared focal plane arrays. They are thermopile mode, thermistor mode and pyroelectric mode.

Key words: non-cooled infrared focal plane arrays; sensitive material; thermopiles; thermistors; pyroelectrics

红外探测器技术的发展一直沿着光量子型

和热型红外探测器这两条途径进行

且已批量生产和应用

但其共同的特点是必须致冷到77 K或更低的温度下工作

所以难于实现系统的进一步小型化和可靠便携式摄像应用

所以导致了系统成本居高不下

在军事领域的应用也受到限制这是红外摄像技术从单元探测器发展到多元阵列和二维凝视红外焦平面阵列所面临的一个突出问题

UncooledIRFPAµ½20世纪90年代已取得突破性进展

非致冷红外焦平面阵列技术的成熟低成本高性能和高可靠的全被动式工作的红外摄像系统成为现实

敏感元材料吸收的红外辐射使敏感元的温度发生变化

物理效应此物理量的变化再由设计的机制转化为电信号

西贝克

效应热释电效应隧道效应戈利元探测材料是非致冷红外焦平面阵列的基础

目前比较成功的三类非致冷红外焦平面阵列是

热敏电阻型和热释电型

Seebeck ËùνÎ÷±´¿ËЧӦÊÇÖ¸µ±Á½ÖÖ½ðÊô»ò°ëµ¼ÌåʵÏÖ¶þµãµçѧÁ¬½ÓʱT

这种现象就叫西贝克效应而热电堆则是由一系列热电偶组成

2002-04-30 修回日期

国防科技电子预研基金资助项目(99J2.2.4JW.0512)

作者简介1974–男博士研究生Tel: (027)87542953万方数据

第10 期 23

刘世建等

P型多晶硅和金热电偶[1]

P

型2Te3和N型Bi1–x Sb x 薄膜热电偶[3]其中N 型和P型多晶硅热电偶也是最有前途的探测材料

PS

读出电路由CMOS 制作霍尼韦尔公司Wood 等人1995年报道了120元的线阵热电堆红外摄像传感器[5]ÈÕ±¾·ÀÎÀ

ÌüºÍÈÕ±¾µçÆø¹«Ë¾Kanno等人1994年报道了128

用N型和P型多晶硅做热电偶它是20世纪90年代热电堆型非致冷红外焦平面阵列的代表

对于这种探测材料TCR 由于金属TCR材料易于获得可控制的读出速率及具有低的1/f噪声

相继采用的有Ni-Fe Pt Nb和Au等

于1995年成功地用于128×128元非致冷微测热辐射计红外焦平面阵列可获得0.7

NETD

许多半导体材料也是非致冷微测热辐射计红外焦平面阵列的TCR材料ＧｅＢｉＮｉ－Ｃｏ－Ｍｎ和GaAs等

PECVD PECVD容许对低应变和高均匀性的薄膜实现良好控制生长其生长的磷硅薄膜的TCR约是溅射薄膜的两倍

溅射薄膜的电阻率可通过在溅射气体中加入少量氢气进行控制

中国科学院长春光机所也于1995年制备出128元Si薄膜非致冷红外焦平面阵列

ＮＥＴＤ为0.3

氧化钒混合物薄膜也是目前最为成熟的用于非致冷微测热辐射计红外焦平面阵列的材料VO x薄膜的淀积技术已较成熟

电阻率和1/f噪声测试表明这种材料的TCR值将优于金属的

1993年美国霍尼威尔公

司

采用VO x薄膜研制的非致冷红外焦平面阵列像元尺寸为50ìm×50ìm现今

NETD为0.3帧速为30 Hz

3热释电型非致冷红外焦平面阵列用探测材料

热释电型非致冷红外焦平面阵列利用的是探测材料中存在的一种热释电效应无论是自身固有的还是电场感应的这种温度特性就是热释电效应

有21种是压电性的有10种是热释电材料

在实践中

因此

热释电型非致冷红外焦平面阵列采用铁电材料的形式有单晶

单晶主要采用的是硫酸三甘肽

LiTaO 320世纪90年代美国

洛拉尔公司就已采用单晶LiTaO3 材料制备出192×128元的热释电型非致冷红外焦平面阵列

KTN

PbTiO

3

鋯钛酸

铅ＰｂＺｒＯ3-Pb(NbFe)O3-PbTiO 3

钽钪酸铅BaTiO

3

BST 其中BST陶瓷是目前研究得最成熟也是最成功的一种陶瓷材料

Texas

¹¤×÷ζÈΪ

22

30 Hz的帧速下NETD为0.047

由于体材料制备非致冷红外焦平面阵列本身存在一些难以克服的问题像元的均匀性难于控制

高密度

基于这些原因

西方国家一直在大力发展单片式热释电型非致冷红外焦平面阵列聚偏二氟乙烯(PVDF)VDF-TrFE ZnO钽铌酸钾-钛酸钡固溶体

万方数据