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。所以，

极其具有隐蔽性，由于它工作在红外波段，所以不受到电磁波的干扰，可以在强

的电磁辐射环境下生存，可以做到全天候全天时工作，正符合了现代战争的需求。最近30年来，红外技术已经成为一门迅速发展的技术。除了军事应用以外，它

广泛地应用于工业、农业、医疗和科学研究等各个民用领域。比如，红外技术是

发展遥感技术和空间科学的重要手段；红外成像系统可以进行无损检测；工业过

程监控、检查维护和热流研发；医疗领域的疾病诊断和传染病预防等。随着微机

械系统（MEMS）加工技术、大规模集成电路、信号处理技术的飞速发展，红外探

测技术拥有着巨大的发展潜力。

非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面其发展水平直接决定了非制冷

热成像系统的发展从1978 年非制冷式热成像技术首次研究成功到目前非制冷热

成像仪装备到部队已有20 多年的发展历史世界各国都在竞相开展非制冷焦平

面的研究其中美国.英国.法国等国家处于领先地位探测器像素已由原来的单元

结构发展到目前的大规模面阵并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。

综上所述，非制冷红外成像技术正经历从焦平面成像系统向高性价比、多功能、多波段成像系统的转变，且该技术融合了探测器材料、MEMS、微电子、信号

处理、光成像等多种学科。本文对不同类型非制冷探测器的原理进行了阐述与探究，对以后的非制冷探测器的研究具有现实意义和实际应用价值。

1.2 本文的主要工作

鉴于以上的分析，我们知道现如今的非制冷红外探测器主要分为五大类，分

别是由硫酸三甘肽、胆酸锂等材料构成的热释电型非制冷红外探测器；由N型和

P型的多晶硅构成的热电堆型非制冷红外探测器；由单晶或多晶PN结构成的二极

管型非制冷红外探测器；由氧化钒、非晶硅等材料构成的热敏电阻型非制冷红外

探测器；由双材料薄膜构成的热电容型非制冷红外探测器。本文对前四种探测器

的工作原理进行了详细的阐述，并且对每种非制冷红外探测器的读出电路电路部

分进行了细致的研究与探讨，并且一一列举了美中非制冷红外探测器的特点以及

应用。

第二章热释电型非制冷红外探测器

热释电型红外探测器以热释电材料为敏感单元，利用其热释电效应将红外信

号转化成微弱电信号，再经过前置放大电路将微弱电信号放大读出﹑处理，实现

热成像。热释电效应是指：在具有自发极化的热释电材料中，当材料温度发生变

化或吸收热量后，因材料自发极化强度发生变化而在材料表面释放出电荷的现象。通过对热释电电荷的检测，可以获得有关热辐射强度的信息。由于只对变化的温

度响应，所以热释电探测器的响应信号为交流信号，需要专门的辐射调制手段。

但是交流的信号处理电路可采用交流耦合方式，从而大大降低低频噪声影响，并

且消除了信号的直流漂移问题，使得热释电探测器的信号处理电路显得简洁许多。

2.1 工作原理

热释电探测器是在垂直于晶体极轴(自发极化强度Ps方向) 的两个面上涂敷

电极, 构成类似于平板电容器的热传感器, 其工作机理是热释电效应。

由于热释电晶体具有自发极化强度Ps, 晶体的内表面出现面束缚电荷。在稳

定状态下, 这些面束缚电荷被体内的扩散电荷和体外的自由电荷中和,因此显现

不出自发极化现象。晶体内部的扩散电荷起中和作用的平均时间为τ=ε/σ, 其

中ε为晶体的介电常数, σ为晶体的电导率。如图1所示,用调制频率为f的红

外辐射照射热释电晶体, 就会使得晶体的温度、晶体的自发极化强度以及由此引

起的面束缚电荷随频率f发生变化。当f ≥1 /τ时, 变化的面束缚电荷不能立