非致冷红外焦平面阵列用铁电薄膜
非制冷红外探测器用热释电材料的研究进展
第35卷，增刊v01．35Su ppl em e n t 红外与激光工程如丘钳ed aI ld Las er Engi nee df 唔2006年l O 月oct ．20()6非制冷红外探测器用热释电材料的研究进展江勤，姜胜林，张海波，杨智兵，钟南海(华中科技大学电子科学与技术系，湖北武汉430074)摘要：分析了热释电非制冷红外探测技术的优势，介绍了当前应用较广泛的各种非制冷红外探测器用热释电材料，即单晶材料、高分子有机聚合物及复合材料和金属氧化物陶瓷及薄膜材料，并预计了热释电材料的发展趋势。
指出了铁电性热释电陶瓷材料的优越性，其应用分为正常热释电体、介电测辐射热型热释电体和弥散相变热释电体，并分别列出了具有代表性材料的研究结果。
最后，指出了研究高性能、大尺寸、易加工的热释电薄膜材料的制备技术，是未来红外探测器用热释电材料的发展的关键；并在此基础上结合半导体集成工艺，制备高性能、大规模的热释电红外焦平面阵列。
关键词：非制冷红外探测器；热释电；铁电；研究进展中图分类号：T M 2文献标识码：A文章编号：1007．2276(2006)增E ．0127．06P 02r es s of pV r oel ect ri c i f10r uncool ed i nf l r ar ed det ec t or r r 02r eSS 0I pV r oel eC t r l C ma t er l al t or U nC 00l en l nI r a r en net eC t or J I A N G Q in ，JI A N G Sheng —l i I l ，Z H A N G H ai _bo ，Y A N G Z l l i -bi ng ，ZH O N G N a n-hai (D cpar h I l ent of El e c 仃o ni c Sci ence 锄d T ec hnol ogy'H u 缸hong U n i ve 璐i t y of Sci en ce 卸d 1khnol ogy'w uh 强430074。
非制冷红外热成像技术的发展与现状
非制冷红外热成像技术的发展与现状邢素霞,张俊举,常本康,钱芸生(南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京 210094)摘 要:非制冷红外焦平面技术在过去的几年内飞速发展,非制冷焦平面由原来的小规模,发展到中、大规模320@240和640@480阵列,在未来的几年内有望获得超大规模的1024@1024非制冷焦平面阵列。
像素尺寸也由50L m 减小到25L m,提高了焦平面的灵敏度,使非制冷红外热成像系统在军事领域得到了成功应用,部分型号已经装备于部队,并受到好评。
今后,随着焦平面阵列规模的不断增大、像素尺寸的进一步减小,非制冷热成像系统在军事领域的应用将越来越广泛,尤其在轻武器瞄具、驾驶员视力增强器、手持式便携热像仪等轻武器方面,非制冷热成像系统在近年内有望逐步取代价格高、可靠性差、体积大等笨重的制冷型热成像系统。
关键词:非制冷焦平面阵列; 红外热成像; 轻武器中图分类号:TN21 文献标识码:A 文章编号:1007-2276(2004)05-0441-04Recent development and status of uncooled IR thermalimaging technologyXING Su -xia,Z HANG Jun -ju,C HANG Ben -kang,QI AN Yun -sheng(Opto -electronics Academy,Nanjing Universi ty of Science &Technology,Nanji ng 210094,China)Abstract:From small scale to medium and large scale 320@240,640@480unc ooled focal plane array (UFPA),uncooled infrared technology has been developed rapidly in recent years,and 1024@1024FPAs are expec ted in the future.The pixel pitch is also developed from 50~25L m,and the sensitivity is improvedlargely,so that the thermal imaging system is applied successfully in military affairs.Part model has been armed in military and measured well.In the future,with the developing larger scale and smaller pixel of UF -P A,the application of unc ooled thermal imaging system will be wider,especially in light thermal weapon,such as light weapon vision,driver vision enhancer and handle ther mal system,uncooled ther mal imaging syste m is expected to replace the high price,low reliability,big bulk cooled thermal imaging system gradually in recent years.Key words:Uncooled focal plane array; Infrared thermal imaging; Light weapon0 引 言红外热成像仪是一种可探测目标的红外辐射,并通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,是集光、机、电等尖端技术于一体的高新技术产品。
红外焦平面阵列
红外焦平面阵列红外测量技术2009-12-08 21:07:23 阅读110 评论0 字号：大中小订阅1、红外焦平面阵列原理焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。
2、红外焦平面阵列分类（1）根据制冷方式划分根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。
制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。
由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。
当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。
不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。
（2）依照光辐射与物质相互作用原理划分依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。
光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。
热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。
这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下[6]。
（3）按照结构形式划分红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。
因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。
非制冷红外焦平面热成像系统硬件电路设计与实现
3、系统集成：非制冷红外焦平面热成像系统的各个组件需要高度集成以保 证系统的性能和稳定性。这需要采用先进的微电子制造技术和先进的封装技术来 实现。同时，需要开发高效的接口协议来实现组件之间的数据传输和控制。
4、能耗与散热：在非制冷红外焦平面热成像系统的设计和实现过程中，需 要考虑能耗和散热问题。高能耗可能会导致系统过热，影响性能和稳定性；而散 热不良可能会导致系统温度过高，引发故障。为了解决这些问题，可以采用低功 耗的组件和设计来降低能耗；同时，需要采用有效的散热设计和布局来确保系统 在正常工作温度范围内运行。
3、算法：为了提高非制冷红外热成像技术的图像质量和稳定性，需要采用 先进的信号处理和图像处理算法，如自适应阈值设定、中值滤波、多尺度变换等。
应用场景展望
随着技术的不断发展，非制冷红外热成像技术的应用领域也将越来越广泛。 以下是几个潜在的应用领域：
1、智能家居：非制冷红外热成像技术可用于智能家居中的安全监控、人体 检测、温度控制等领域，提高居住的舒适度和安全性。
引言
非制冷红外热成像技术是一种利用红外传感器捕捉热辐射并转换为可见图像 的技术。自20世纪初以来，随着科技的不断进步，非制冷红外热成像技术已经成 为军事、安全、医疗、科研等领域的重要工具。本次演示将详细介绍非制冷红外 热成像技术的发展历程、现状分析、关键技术探究及其应用场景展望。
发展历程
自20世纪50年代起，非制冷红外热成像技术开始进入实用阶段。早期的非制 冷红外热成像系统采用多元线阵列传感器，但由于其制造成本高、噪声大、灵敏 度低，限制了其应用范围。随着技术的发展，20世纪90年代中期，非制冷红外热 成像技术取得了突破性进展。新一代的传感器采用非晶硅等先进材料，提高了灵 敏度和稳定性，降低了成本，使得非制冷红外热成像技术得以广泛应用。
非致冷红外焦平面阵列用铁电薄膜
非致冷红外焦平面阵列用铁电薄膜Ξ谢波玮,李 ,古宏伟3(北京有色金属研究总院超导材料研究中心,北京100088)摘要:在简要阐述红外成像发展现状基础上,系统介绍了铁电薄膜的性质、制备及在非致冷红外热成像系统应用中的一些热点问题。
重点介绍当前有重大技术突破的介质测辐射热式焦平面探测器,比较了热释电模式、介电模式的优缺点及发展前景。
由于介质测辐射热式信号获得方式较热释电式有较高的比探测率、响应率、成象精度和质量及较轻的体积和重量,可以预测在不断提高探测用铁电薄膜介电温度系数、损耗及大面积均匀性,不断改进其读出电路的基础上,将成为今后铁电非致冷红外热成像发展的主流。
关键词:非致冷红外热成像;铁电薄膜;介电2温度响应;热释电性中图分类号:T M26 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2005)01-0098-08 虽然致冷型红外成像系统有很高的探测效率和灵敏度,但由于极昂贵的探测材料导致的高成本、复杂的设备和相对较大的体积,使其不能在民用中有大范围应用。
因此,开发经济、便携、操作简单的非致冷红外热成像系统一直是人们研究的重点。
制备大面积,性能均匀、优异的温度敏感薄膜材料是红外热成像系统,尤其焦平面探测技术的关键所在。
铁电薄膜由于其优良的温度敏感特性及响应时间短、敏感波段宽等优点,越来越受到人们的重视。
其制备技术及在非致冷焦平面上的应用研究成为当今一个热点研究方向。
在红外探测中,主要应用铁电材料的介电性能和热释电性能。
ABO3型钙钛矿结构铁电材料一般有很高的介电常数。
这同氧的电子位移极化、自发极化离子的位移极化及电畴的空间电荷极化有关,主要是氧电子位移极化和B位离子位移极化之间的相互作用。
A位离子对极化贡献可以略去,但A位离子对晶格常数的影响很大。
B位离子的势阱形状、势阱中的振动方式及是否能自发极化都同A位离子大小有明显关系[1]。
铁电材料高损耗、低Q值是影响其应用的主要因素。
在ABO3结构中,损耗主要来自:缺陷引起的离子空位电导,B位离子谐振,电畴极化转向谐振,畴壁位移谐振等。
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非致冷红外焦平面阵列用铁电薄膜Ξ谢波玮,李 ,古宏伟3(北京有色金属研究总院超导材料研究中心,北京100088)摘要:在简要阐述红外成像发展现状基础上,系统介绍了铁电薄膜的性质、制备及在非致冷红外热成像系统应用中的一些热点问题。
重点介绍当前有重大技术突破的介质测辐射热式焦平面探测器,比较了热释电模式、介电模式的优缺点及发展前景。
由于介质测辐射热式信号获得方式较热释电式有较高的比探测率、响应率、成象精度和质量及较轻的体积和重量,可以预测在不断提高探测用铁电薄膜介电温度系数、损耗及大面积均匀性,不断改进其读出电路的基础上,将成为今后铁电非致冷红外热成像发展的主流。
关键词:非致冷红外热成像;铁电薄膜;介电2温度响应;热释电性中图分类号:T M26 文献标识码:A 文章编号:0258-7076(2005)01-0098-08 虽然致冷型红外成像系统有很高的探测效率和灵敏度,但由于极昂贵的探测材料导致的高成本、复杂的设备和相对较大的体积,使其不能在民用中有大范围应用。
因此,开发经济、便携、操作简单的非致冷红外热成像系统一直是人们研究的重点。
制备大面积,性能均匀、优异的温度敏感薄膜材料是红外热成像系统,尤其焦平面探测技术的关键所在。
铁电薄膜由于其优良的温度敏感特性及响应时间短、敏感波段宽等优点,越来越受到人们的重视。
其制备技术及在非致冷焦平面上的应用研究成为当今一个热点研究方向。
在红外探测中,主要应用铁电材料的介电性能和热释电性能。
ABO3型钙钛矿结构铁电材料一般有很高的介电常数。
这同氧的电子位移极化、自发极化离子的位移极化及电畴的空间电荷极化有关,主要是氧电子位移极化和B位离子位移极化之间的相互作用。
A位离子对极化贡献可以略去,但A位离子对晶格常数的影响很大。
B位离子的势阱形状、势阱中的振动方式及是否能自发极化都同A位离子大小有明显关系[1]。
铁电材料高损耗、低Q值是影响其应用的主要因素。
在ABO3结构中,损耗主要来自:缺陷引起的离子空位电导,B位离子谐振,电畴极化转向谐振,畴壁位移谐振等。
减少材料中缺陷,通过掺杂钉钆畴壁运动及避免在谐振频率下使用是减少损耗的有效途径。
铁电材料在相变温度上下,有正负不同的居里常量。
根据公式[2]:ε=CT-T0(其中,C,T,T0分别为居里常量、温度、居里温度),当温度在居里温度处,介电常数产生峰值。
随着温度变化,介电常数发生显著变化,引起表面吸附的自由电荷在无法跟上介电常数变化的情况下,向外释放,产生热释电效应。
铁电薄膜对红外辐射的探测,正是利用铁电薄膜介电温度变化效应或由此产生的热释电效应以及场增强热释电效应,本质上是铁电材料对温度的响应。
1 铁电薄膜研究最新动态1.1 热释电模式热释电红外探测是研究最多的一种红外成像工作模式。
薄膜表面自由电荷密度因电容变化而变化,从而产生红外辐射响应。
利用热释电性能的铁电材料可分为:普通热释电材料,如PbTiO32 (PT),Pb(Zr,Ti)O32(PZT),工作在铁电相,不需外加电场,不需探测温度恒定;介电式,如(Ba,第29卷 第1期Vol.29№.1 稀 有 金 属CHINESE JOURNAL OF RARE MET ALS 2005年2月Feb.2005Ξ收稿日期:2004-10-12;修订日期:2004-11-10基金项目:北京有色金属研究总院创新基金(C20323282906)资助项目作者简介:谢波玮(1980-),男,山西阳泉人,硕士;研究方向:微波及红外铁电材料3通讯联系人(E2mail:sinbovin@)Sr)TiO32(BST),Pb(Sc,Ta)O32(PST),Pb(Mn,Nb) O32(PMN),工作在铁电2顺电临界温度或稍高于临界温度,因此需要外加电场使热释电性重新恢复。
临界温度处热释电系数(γ)达到最大值,但随温度变化大,因此一般需要热电恒温器使探测器温度恒定[3]。
美国Texas Instrument公司、英国G MMT公司及GEC2马可尼公司、荷兰Signal Usfa公司等,分别用BST,PZT及PST做红外敏感材料,早在1996年就研制出热释电非致冷探测器,并投入批量生产,用于军事及民用领域[4]。
但不断提高的性能要求仍使人们致力于热释电薄膜的研究。
溶胶2凝胶法(sol2gel)是制备热释电薄膜的优良途径。
用溶胶2凝胶法制备的Ba0.85Sr0.25TiO3 (BST0185)薄膜结晶良好,在100kHz以下损耗低于0.02,35℃时γ达到最大120nC・cm-2・K-1[5,6]。
BST0.64显示更高γ值,达到186nC・cm-2・K-1,200Hz下介电常数为592,损耗01028[7]。
溶胶2凝胶法制备的P LZT膜,最高γ值为40nC・cm-2・K-1[8]。
降低前驱体液浓度是提高薄膜性能的一种有效手段,使每层薄膜呈柱状生长。
Cheng Jiangong等[9]就用0105M前驱体液制备BST0.80,γ值为45.8nC・cm-2・K-1。
但更低的浓度可能镀不上膜或产生大面积孔洞。
且镀膜次数多,层界面就多,增加不确定因素,会降低性能。
PST薄膜材料优异的热释电性很使人关注。
各偏置电压下的γ一般为400nC・cm-2・K-1左右,也有报道最高可达600nC・cm-2・K-1,介电常数介于657～4800之间。
PST薄膜的热释电优值比PZT大的多,最大可达3倍以上[10]。
电极是影响铁电薄膜热释电性能、介电性能、抗疲劳、耐压性能的重要因素。
利用复杂氧化物做铁电薄膜与电极之间的隔离层或直接用来做电极也是现在制备性能优异铁电薄膜的一项新技术。
Y Ba2Cu3O7-y(Y BCO)等复杂氧化物一般同铁电材料一样有钙钛矿或类钙钛矿结构。
这不但使薄膜同基体结合良好,利于薄膜呈台阶型外延生长[11],且能有效解决缺陷引起的漏电及品质因数降低问题。
Wu等[12]研究在Y BCO等复杂氧化物上用脉冲激光沉积(P LD)方法制备掺杂Mn及Sn的PZT薄膜,γ达到80nC・cm-2・K-1,探测率达到108cm・Hz1/2・W-1。
Mn和Sb掺杂的Pb(Zr,Ti)O3(PM2 SZT)/Y Ba2Cu3O7-y(Y BCO)异质结构膜,25℃时γ为45nC・cm-2・K-1,90℃达到148nC・cm-2・K-1,探测率最高达到6.0×108cm・Hz1/2・W-1, Mn和Sb掺杂效果非常显著[13]。
陈岩松等[14]在LaAlO3基体上沉积Y BCO及Mn,Sb掺杂的PZT薄膜,显示优良的外延生长特性,且有(001)方向的自然极化。
因此使用前不必外加电压促使极化,给使用带来方便。
朱小红等也在LaAlO3上制备了应用于可调微波器件及存储器的BST/Y BCO异质膜[15]。
Ruffner等在Pt电极上沉积La0.5Sr0.5C oO3 (LSCO)后,又沉积P LZT薄膜,其γ为71nC・cm-2・K-1,NET D达到了0.07℃[16]。
中国科学院上海技术物理研究所采用半导体微电子机械技术(MEMS)已制备了具有热隔离微桥的8×8元非致冷BST0.8薄膜红外探测器列阵器件。
热释电性能优良的BST0.8薄膜用浓度为0.05 M的前躯体溶液,采用溶胶2凝胶法制备。
在5～30℃温度范围内,BST0.8薄膜γ值大于20nC・cm-2・K-1,在16.8℃处达到最大41.3nC・cm-2・K-1。
在19℃环境温度下,使用500K黑体作为红外辐射源,测得10Hz调制频率下,探测单元比探测率D3为5.9×107cm・Hz1/2・W-1[17]。
最近出现一种新型热释电成像模式:场致热释电电子发射,是热释电原理和热阴极发射原理相结合的产物。
在真空中用电场诱出热释电材料表面的非平衡自由电荷,而后在电场中加速飞向荧光屏(Fluorescent Substrate),通过CCD成像,热释电电子发射效率达到35%。
目前这种模式还在进一步研究[18]。
热释电成像缺点明显:响应时间较慢;最主要是需要调制盘,才能对恒定的红外辐射产生响应,机械调制降低成像精度和质量,且增加成像仪的体积和重量。
1.2 介电2温度模式虽然热释电模式非致冷探测已经有巨大成功,但调制盘的存在总是制约其性能的主要因素。
人们总希望利用介电温度敏感的第一性,即介电温度变化效应制备红外探测器,而不是用其第二性的热释电性。
但介电常数变化的信号读出,即读出电路的设计却是这种成像方式发展的瓶颈所在。
991期 谢波玮等 非致冷红外焦平面阵列用铁电薄膜 90年代末,在此有重大突破,设计出了桥式结构电容读出电路。
这种电路设计正是应用铁电材料介电常数随温度变化的特性,将探测电容和标准电容用不同的电脉冲耦合。
当没有红外辐射时,电容对的对外输出为零。
有红外辐射时,探测材料温度变化,介电常数随之改变,导致电容变化。
探测电容上的电脉冲和标准电容上的电脉冲不能抵消而对外输出电荷,产生红外辐射响应。
探测单元原理示于图1。
图1 介电2温度式成像探测单元[24]Fig.1 Imaging unit for dielectric bolometer对这种成像模式的研究集中在以下几个方面:(1)介电薄膜本身的制备及介电性能提高的研究,其中最重要的是介电温度常数(temperature 2coefficient of dielectric constant ,TCD )。
一般达到1%/K ,输出电压变化就有25mV ,完全满足普通放大器输入信号需要,可用于红外探测。
达到10%/K 时,相当于180nC ・cm -2・K -1的热释电系数。
同相应块材20%/K ～50%/K 的TCD 值相比,其提高余地很大。
理论计算的R v 和D 3分别为50kV ・W -1和6.5×109cm ・Hz 1/2・W -1[19]。
薄膜介电常数要尽可能大,约为500,以保证与前置放大器电容匹配。
太小的话,也会使电路噪声异常大,影响成像质量。
根据电压响应度公式[20]:R v =ηαQΔT 0RK (1+ω2i t 2)其中η为红外吸收率,α为介电温度系数,Q 为品质因数,R 为损耗电阻,K 为热导,t 为时间,同材料有关的参数主要是α和Q 。
因此降低损耗也是提高性能的关键。
但铁电薄膜的高损耗一直是制约其应用,包括红外介电式成像应用的主要因素。
对于一级相变铁电体,偏置电场会对居里温度产生影响:9T c 9E =4α0-γ3β1/2式中的α0,β,γ为自由能展开式中的系数。
对于BaTiO 3,测得9T c /9E =1.4×10-5K ・m ・V -1。
对于薄膜材料,施加1～2V 的偏置电场,就可使居里温度移动近10K ,介电常数温度敏感区相应移动,可扩展其使用温度范围。