第七章 热电型非制冷红外焦平面阵列

Π
12I
汤姆逊效应
存在温度梯度，有电流，则除了产生和电阻有关的焦 耳热，导体各部分会变冷变热，原来的温度分布就会改变。 为维持原有的温度分布，导体各部分必须吸收或放出热量。
dQ dx
I
dT dx
T
I
T+dT
dx
3. 塞贝克效应
（1821）
温差电流 温差电动势 温差电偶
Vs T
• 如果存在一个温差，热区有声子浓 度增加，声子就会从热接扩散到冷接。 由于电子和声子之间的碰撞，电子会受 到声子的扩散电流带来的动量的影响， 这种效应称为声子牵引效应，它将加速 塞贝克效应。


测辐射热电堆可分为两类: 块状材料制成的器件 薄膜器件
4.不同的热电堆红外探测器
（1）.密歇更大学, 1991 32像素的线性热电堆红外探测器 列。
（2）.
Sarro等人 1988年 10像素线性的热电堆红外 探测器阵列
（3）. 德国物理技术大学
1991, Volkein 等人； P型（Bi1-xSbx）2Te3和N型Bi1xSbx薄膜构成一个简单的热电堆. 72个结点， 500V/W响应率
第七章 热电型非致冷红外焦平面阵列
7.1 热电堆红外探测器
7.2 128×128像素的热电堆红外焦平面阵列
7.3 总结
微辐射计可以分成两个大的设计类别 ：


“一层”微辐射计包括一个与硅衬 底等高的微电桥，通过一个硅底上的蚀 刻槽进行隔热。
“两层”微辐射计包括一个 高于原始硅表面的微电桥，这样 位于下方的硅是无损的。
热电堆 读出晶体管
便置电压
积累电容
信号读出电路。CCD，电荷耦合器件

将来自于热电堆的电势差施加到读出 的金属氧化物半导体晶体管（MOS）的 栅极上，从而控制漏电流。源极接地， 而漏极电流与存储电容器相连，即CCD 本身。CCD容量是2×10 7 个电子。热电 堆的另一端和偏置电压相连。
4.电荷耦合器件扫描器
多晶硅的塞贝克系数
其他金属的塞贝克系数：
在00C的塞贝克系数： 铂为4.4 V/0C， 铁为15.0 V/0C ，
铋为110 V/0C ，
锑为47 V/0C 。
多晶硅热电堆红外探测器
单片集成结构提高填充因子，67%
32对
气隙腐蚀1um牺牲层
80×84um× 450nm
硅底层
制备在硅表面
热电堆IR FPA像素结构
2． 即使在热电偶的个数减少的情况下也应该 降低光阑的热传导率。据估计，如果热电偶 的对数从32降到1，热传导率就会降至原来的 1/100，而灵敏度会扩大3倍，PS的热传导率 也会降低，而塞贝克系数却提高了。
3． 为了提高分辨率，CCD的传输效率应 该提高。与5—15m的可见光CCD图像 传感器相比，100 m的像素间距是很大 的。如果每次传输的电荷传输长度很大， 那么有助于电荷传输的干涉区域就会变 小。因此，可以通过优化CCD通道的掺 杂剖面结构来提高干涉区域。
热电堆
物理效应 塞贝克效应
测辐射热计
热释电
载流子浓度迁移率 介电极化强度
探测对象
信 号 温度控制 斩 波 器
温度梯度
电压V 不需要 不需要
温度
电阻R 需要 不需要
温度变化
极化强度Q 不需要/需要 需要
珀耳帖效应（1834）
2种不同金属或半导体，通电 接头处有吸放热现象
T 1 I
பைடு நூலகம்
2
T
dQ dt
例子：N型半导体的塞贝克效应（2个机理）
费米能级
P型半导体，多数载流子是空穴，因此热电 场的极性相反，换句话说，N型半导体的塞贝克 系数的符号为正，而P型为负。对于一个本征半 导体，电子浓度和空穴浓度都会增加，这样热接 和冷接之间的电子和空穴浓度都会不同，而只有 电子和空穴之间由浓度差异引起的移动才能产生 塞贝克效应，而这个迁移率变化的差异比冻结范 围小得多，因此这种情况较非本征情况发生塞贝 克效应的几率小得多。
总结
优点 ： 1）PS用作热电材料 ，整个制备过程就 可在硅的集成电路制备厂中生产，从而该技 术可以实现低价和大规模生产
2）使用冷接作为温度基准，因此不需要 温度控制
器件的规格说明和性能参数
成 像 区 象 素 数 象素尺寸 填充因子 传感器方案 传感器材料 扫 描 器 噪声等效温差 128×128mm（V） 128（H）×128（V） 100um（H）×100um（V） 67% 热电堆 多晶硅 电荷耦合器件 0.5K(f=1)
CCD扫描器制备在一个（100）P型 Si衬底上，垂直CCD和水平CCD都设计 成埋沟型。它们具有重叠双层PS电极。 用于图像和存储区的垂直CCD由四相时 钟脉冲驱动，水平CCD由二相时钟脉冲 驱动。
5.封装
热电堆红外焦平面阵列的封装

封装直径大小为41mm，高度14mm。 在2～15μ m波长由于作为红外吸收体 的金黑体的吸收率大于90%，因此光谱响应 由光学透镜和封装窗口的透射率决定。封 装窗口由带有透射10μ m波长增透膜的Ge构 成，光学透镜的增透膜层也设计在为10μ m 波长左右。
（4）. TH利用N型和P型PS作热电材 料 （5）. Honeywell 120像素的线性热电 堆红外图像传感器
6. 日本防御代办处和NEC制备 128×128像素的热电堆IR FPA 利用N型和P型PS为热电材料
2. 128×128像素的热电堆红外焦平面 阵列
测得PS的塞贝克系数
掺杂浓度（CM-3 )
热结点位于隔膜中心，冷结点位于 隔膜外延，该处的热传导很厉害，故冷结 点的温度总是与底座相等，因此可认为它 是一个热存储器。热结点和冷结点被Al层 挡住以减小接触电阻。
2.热电堆红外探测器的特性
真空里带有金黑体 的500K黑体
响 应 率 V/W
斩波频率 Hz 斩波频率与响应率的关系
3.信号读出电路
测辐射热计式
单层像素
传感器 电极 硅 像素大小
两层像素
传感器
电极 硅 像素大小
一层和两层的微辐射计结构展示
热释电式
普通电极 信号电极
倒装焊
通过照相平板运算方法移去 有机层的一部分，留下有机 台以连接探测器的像素
混合热隔离结构的进化过程。ROIC,读出集成电路
1
非致冷红外探测器机理
2.非致冷红外探测器设计方案间的比较

在这个器件里，拍摄到的16384个像 素中有162个死点。 可成像运动目标，因此我们可以认 为对于非致冷红外成像，128×128像素 的PS热电堆红外焦平面阵列FPA的热电 堆技术是可行的。

7.改进措施
1．灵敏度一般来说又与电荷存储能力的平方根 成正比。如果用CMOS扫描器，其电荷存储能 力将是CCD的10倍或更多。
热电堆:
响应度和响应时间是测辐射热电偶 的两个重要参数。但两者之间是互相制 约的，不可能同时得到改善。 较好的商品测辐射热电堆的低频探测 率为1×109cmHz1/2 W-1，响应时间从1--10ms。
铜引线
屏 板 冷结
铜引线 热结
通常在设计热电偶时，着眼于响 应度高，响应时间短和器件阻抗要合 适。增加串联热电偶数目，可以提高 响应速度，但降低了响应度，同时热 电堆的噪声等效功率也会相应增加。 不过，在热电堆中，每个热电偶受照 面的热容量可以做得很小，而整体受 照面比较大，这样可以使热电堆的性 能优于热电偶。

6.性能
由128×128像素的热电堆红外焦平面阵列拍摄
热区是白色区域。 输出位移分布为22%，该值通过模拟 和数字位移校正电路校正，但没有进行 增益校正。 阵列的平均噪声等效温差（NETD） 在f/1.0透镜下为0.50C。 分 辨 率 主 要 受 到 垂 直 CCD 和 水 平 CCD上的电荷迁移效率低的限制
成像区
存贮区 水平CCD
扫描部分由扫描成像的垂直CCD以 及扫描存储区的垂直CCD和水平CCD组 成，以及带有一个源跟踪放大器的漂流 扩散输出。这种器件的帧速是120Hz。垂 直 CCD 和 水 平 CCD 的 时 钟 频 率 分 别 为 17KHz和2.6MHz。该芯片垂直方向尺寸 19.5mm，水平方向15.2mm。因为CCD扫 描器和漂流扩散输出几乎没有噪声，因 此主要噪声源是来自读出晶体管的散粒 噪声。