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。
制冷型及非制冷型红外探测器性能对比、应用领域分析
1 用于军事和科研领域的制冷型红外探测器发展情况适用于制冷型红外单色探测器的主流材料是InSb和碲镉汞。
InSb中波红外探测器技术相对成熟，比较容易做成低成本、大面积、均匀性好、高性能的探测器阵列。
但它也存在如工作温度不能提高等一些缺点。
适用于多波长探测的低温红外探测器的材料一般有三种，包括碲镉汞（HgCdTe）、量子阱（QWIPs）和Ⅱ类超晶格。
表6：制冷型红外探测器敏感材料对比敏感材料技术特点锑化铟技术成熟，成本较低，只能用于单色制冷红外探测器，军民大量应用，尤其以红外空空导弹为多。
碲镉汞通过改变镉的组份，可以精确的控制碲镉汞材料的禁带宽度，覆盖短波、中波和长波红外。
但是由于微小的组分偏差就会引起很大的带隙变化，其材料的稳定性、抗辐射特性和均匀性都相对较差，所以成品率较低，成本非常高。
量子阱生长技术成熟，并且生长面型均匀，受控性好；价格低廉、产量大、热稳定性高。
但其结构特殊性使得正入射光无法很好地被探测器吸收，致使量子阱探测器的量子效率并不理想。
Ⅱ类超晶格拥有较高的探测灵敏度，几乎可以与碲镉汞相媲美。
隧穿电流和暗电流均较小，对工作温度的要求相对宽松。
提高性能、缩小体积和降低成本是目前碲镉汞探测器的三大研究方向。
国内研究碲镉汞红外探测器的单位主要包括昆明物理研究所、高德红外。
昆明物理所从2006年就开始着手碲镉汞中波红外探测器的研发工作，并于2010年实现了量产。
2015年，昆明物理研究所量产的640×512中波红外探测器实现了在温度为110K，NETD为19.7mK，有效像元率为99.33%的技术指标，标志着我国中波探测器性能指标基本达到同一时期发达国家的技术水平。
据高德红外子公司高芯科技官网显示，该公司研制了国内最新款制冷型碲镉汞中波红外探测器CB12M MWIR，其面阵规格为1280×1024，像元尺寸为12μm，NETD小于20Mk（F2/F4）。
技术指标达到国内外顶尖水平。
非制冷红外探测器应用概述综述课件
科研领域
物理研究
非制冷红外探测器在物理研究中用于研究物质的热性质、热传导、热辐射等现象，为物理学科的发展提供实验支持。
化学研究
非制冷红外探测器在化学研究中用于研究化学反应过程中的热量变化、化学键的振动等，为化学学科的发展提供实验 支持。
生物研究
非制冷红外探测器在生物研究中用于研究生物体的温度分布、代谢过程等，为生物学的发展提供实验支 持。例如，在生物学研究中，非制冷红外探测器可用于观察生物体的温度分布和代谢过程，了解生物体 的生理状态和生命活动规律。
要点三
多光谱和多模式探测
非制冷红外探测器正朝着多光谱和多 模式探测方向发展。通过同时获取不 同波段的红外辐射信息，实现对目标 的多维度检测和分析，提高探测器的 应用范围和功能。
应用拓展
医疗健康
非制冷红外探测器在医疗领域的 应用不断拓展，如红外热像仪在 无损检测、肿瘤检测、皮肤疾病 诊断等方面的应用。通过实时监 测人体温度分布，为医疗诊断和 治疗提供重要信息。
类型与分类
类型
非制冷红外探测器主要有热电堆、热 电偶、热释电、光子探测器等类型。
分类
根据工作原理和应用领域，非制冷红 外探测器可以分为近红外、中红外和 远红外探测器等类型。
02
非制冷红外探测器的应 用领域
军事领域
目标检测与识别
武器瞄准与制导
非制冷红外探测器在军事上主要用于 远距离探测和识别目标，如敌方车辆 、人员和飞机等。
特性
非制冷红外探测器具有较高的灵敏度 、响应速度和稳定性，能够在室温下 工作，不需要液氮或机械制冷。
工作原理
原理
非制冷红外探测器利用热电效应或光电效应，将 接收到的红外辐射转换为电信号。
热电效应
非制冷红外热像仪完整版
红外成像阵列与系统—非制冷红外热像仪简述2013年11月8日非制冷红外热像仪简述摘要：非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察仪器之一,因其较高的可靠性在军事领域的低端应用、民用等方面有广阔的前景。
它通过被测物体向外界发出的辐射能量来得到物体对应的温度。
本文主要就非制冷红外热像仪的测温原理、开展状况、系统设计与其性能参数做简单的分析与介绍。
比拟了两种不同情况下的测温公式的优劣并且做出了相关推导，简单介绍了基于FPGA的非制冷红外热像仪的电路系统和通用型非制冷红外热像仪的性能参数与其一般测定方法。
对以后的红外热成像系统的学习起到了一定帮助。
关键字：非制冷红外热像仪；测温原理；开展状况；系统设计；性能参数The brief description of uncooled infrared thermal imager Yu Chun-kai, Wang Hui-ting, Qi Xiao-yun, Xu JianAbstract: Currently, uncooled infrared thermal imager is one kind of mainstream devices on night vision. Because of its high reliability, uncooled infrared thermal imager has a broad prospect of application in military and civil field. It gains temperature of the detected object by the infrared radiation the object emits. This paper simply analyses and introduces temperature measuring principle, development status, system design and performance parameter on uncooled infrared thermal imager. We pared two different temperature measuring formulae in their respective situations and did the relevant derivation. We also introduced the circuit system which based on FPGA in uncooled infrared thermal imager and the performance parameter of general uncooled infrared thermal imager. This paper provides us much promotion about the future study of infrared thermal imaging system.Key words: uncooled infrared thermal imager; temperature measuring principle;development status; system design; performance parameter0 前言红外热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理的温度分布图像转换为视频图像的设备[1]。
非制冷热像仪测甲烷气体泄漏的原理
非制冷热像仪测甲烷气体泄漏的原理
非制冷热像仪测甲烷气体泄漏的原理是利用红外辐射技术。
甲烷属于温室气体，其分子在一定温度下会发射特定波长的红外辐射。
非制冷热像仪通过红外探测器接收目标物体发出的红外辐射，并将其转化为电信号。
然后，通过信号处理和图像显示，将红外辐射转化为热图像显示出来。
当甲烷气体泄漏时，其分子会产生红外辐射，与周围环境的温度差异导致图像上出现亮点或热斑。
非制冷热像仪可以通过检测和分析这些热斑，准确地定位和识别甲烷气体泄漏的位置。
非制冷热像仪通过红外辐射技术提供了实时、无接触、非破坏性的甲烷气体泄漏检测方法。
它可以在恶劣的工作环境中使用，并具有高灵敏度和准确性。
这种技术可以在工业生产、石油化工、环境监测等领域中广泛应用。
非制冷红外探测器检验项目
非制冷红外探测器检验项目非制冷红外焦平面探测器的诞生及发展是红外技术领域一次革命性的突破，它具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高的特点，其衍生的非制冷红外热像技术具有广泛的应用前景，因此非制冷红外焦平面探测器及其应用技术正成为各国研究的热点。
对非制冷红外焦平面探测器的测试验证技术进行了深入的研究，完成了微测辐射热计和非制冷红外焦平面探测器的测试验证技术的系统化设计，突破了测试验证技术中的各种关键技术，研制了的高速、高精度的红外焦平面探测器测试系统，同时基于项目组自主研发的320×240非制冷红外焦平面探测器，设计和开发了多功能、高性能的红外热成像仪并实现了验证成像。
体验项目综述如下：（1）在微测辐射热计测试技术方面，深入研究了微测辐射热计的传感机理，建立了微测辐射热计的光学、热学和电学的数学模型。
基于数学模型提炼了微测辐射热计的关键指标，提出了通过锁相放大技术（LOCK-INAMP）测试微测辐射热计响应电压和噪声电压的方法，克服了微测辐射热计微弱信号提取的技术难题。
在热学性能参数的测试方面采用了I-V 测试热导的方法，发现了通过减小偏置电流的手段，可忽略有效热导和总热导误差的技术问题，同时提出了变频锁相放大技术测试响应时间的方法。
对比测试结果与仿真结果数据，确认了该测试方法的准确性和有效性。
（2）非制冷红外焦平面探测器测试技术方面，研制了非制冷红外焦平面探测器测试系统，细阐述了该测试系统的组成结构、板级系统工作原理，各模块参数指标以及关键技术的解决方案，并利用标准探测器进行验证测试，主要指标测试精度可≤1%。
在测试系统中，低噪声偏置电压源模块采用了网络反馈控制结构和数字电位器技术，解决了电压源的低噪声、高精度调节以及宽温度适应性的技术难题。
同时，测试系统的数据采集部分还采用了PCIE总线技术和DMA的工作模式，解决了多规格、大规模、高帧频的红外图像实时采集的技术难题，克服了采集过程中由于CPU响应速度原因带来的数据丢失问题。
非制冷式红外探测器原理研究
非制冷式红外探测器原理研究摘要：随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。
其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。
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。
非制冷红外焦平面探测器的工作原理是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。
非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。
本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。
关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。
与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。
国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。
同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。
红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。
与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。
非制冷红外热像仪 (1)
盲元补偿
很多算法均采用中断方式实现盲元补偿。 盲元的位置已事先做成查找表存储于热成 像系统内部。当红外图像被校正后，首先 被保存下来。在两帧图像的间隙，由中断 触发盲元补偿程序，逐一查表替代盲元。 中断程序结束以后，红外图像才能输出。
这种盲元补偿方式不仅增加了存储空 间的要求，也导致图像输出存在1-2帧的延 迟。
非制冷红外热像仪的 测温原理、系统分析 和性能参数简述
什么是非制冷红外热成像仪？
非制冷红外热像仪是目前主流的夜视观察 仪器之一， 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理的 温度分布图像转换为视频图像的设备。
非制冷红外热像仪
这里主要就基于焦平面阵列技术的第二 代热像仪做简述，焦平面阵列技术集成数 万个甚至数十万个信号放大器，将芯片置 于光学系统的焦平面上，取得目标的全景 图像，无需光机扫描系统，大大提高了灵 敏度和热分辨率，可以进一步提高目标的 探测距离和识别能力。
❖在整个过程中，热像仪阵列的每个传感器 接受对应于目标上的一个像元，每个像元 对应的输入辐射在焦平面上成像，随后通 过置于焦平面的光电或是热电系统将每个 像元含有的辐射能转换为电信号，再经过 后置电路的放大及去噪显示在显示器上。
红外热像仪的理论基础
❖红外热成像的理论基础是斯忒藩——玻尔 兹曼定律。该定律指出黑体表面单位面积 所发射的各种波长的总辐射功率与其热力 学温度的四次方成正比。即
红外热像仪的理论基础
❖ 但是实际上还要考虑大气透过率的问题，于是就 有如下的热辐射示意图
红外热像仪的理论基础
❖ 所以，在考虑到测量物体温度，从被测物体表面 的辐射照度入手
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非制冷红外热成像系统研究
非制冷红外热成像系统研究非制冷红外热成像系统研究摘要：非制冷红外热成像系统是一种普遍应用于军事、医疗、工业和家庭等领域的热像仪。
本文通过对非制冷红外热成像系统的原理、组成和应用进行了深入的研究。
首先介绍了非制冷红外热成像系统的工作原理和基本结构，包括红外探测器、光学系统、信号处理电路和显示系统等。
然后针对不同领域的应用，分别阐述了非制冷红外热成像系统在军事、医疗、工业和家庭等领域的应用情况。
最后，对非制冷红外热成像系统的发展趋势进行了展望。
关键词：非制冷红外热成像系统；工作原理；基本结构；应用；发展趋势一、引言红外热成像技术是一种通过检测物体排放的红外辐射来获取物体表面温度分布信息的技术。
相比于传统的温度测量方法，红外热成像技术具有非接触、高精度、实时性强等优点，因此被广泛应用于各个领域。
其中，非制冷红外热成像系统是一种不需要制冷的热像仪，具有体积小、重量轻、功耗低、成本较低等特点，在军事、医疗、工业和家庭等领域得到了广泛的应用。
二、非制冷红外热成像系统的工作原理非制冷红外热成像系统是基于红外成像技术的，它主要由红外探测器、光学系统、信号处理电路和显示系统等组成。
其中，红外探测器是系统的核心部件，它通过感知红外辐射来获取图像信息。
光学系统主要负责将红外辐射聚焦到红外探测器上，确保系统的成像质量。
信号处理电路则负责对红外信号进行放大、滤波、增强和数字化处理。
最后，显示系统将经过处理的红外图像以可视化的方式呈现出来。
三、非制冷红外热成像系统的基本结构非制冷红外热成像系统的基本结构主要由红外探测器、光学系统、信号处理电路和显示系统等组成。
其中，红外探测器按照探测原理的不同可以分为热电探测器、焦平面阵列探测器和微波辐射探测器等。
光学系统主要包括物镜、透镜和滤光片等光学元件，用于将红外辐射聚焦到红外探测器上。
信号处理电路主要包括放大电路、滤波电路和数字化处理电路等，用于对红外信号进行放大、滤波和数字化处理。
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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