红外探测器领域初探

王剑+张欣+杨娇瑜+娄莺

【摘要】 红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光电传感器，是目前传感器领域发展的重点之一。本文介绍了红外探测器技术，梳理了红外探测器的起源与技术发展趋势，尤其关注非制冷红外探测器的技术发展。

【关键词】 红外探测器 非制冷 制冷

一、引言

红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件，利用它制成的探测器是军事、气象、农业、工业、医学等方面需要的设备，它涉及物理、材料等基础科学和光学、机械、微电子和计算机等多学科领域的综合科学技术。红外探测器目前主要应用在军事装备上，进行夜视、遥感、侦查和制导等，它能透过烟、尘、雾、阴影、树丛等，探测重要军事目标，能实现全天候被动远距离探测。尤其在近十年来的现代化战争，拥有红外预警、制导和夜视技术的一方，基本都在战场上占据了主动。因此，世界各国对红外探测器的发展给予了大量的关注。

二、红外探测器技术分类

根据探测机理的不同，可把红外探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器两大类，如表1所示。

表1 红外探测器的分类

类型 典型敏感材料 特点

制冷

探测

器 光导型（光敏电阻） HgCdTe，PbS，PbSe 灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率，一般需在低温下工作，探测波段较窄

光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

光发射-肖特基势垒探测器 PtSi/Si，IrSi/Si

量子阱探测器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

非制

冷探

测器 热电堆/热电偶 Au/Poly Si 响应时间较长、灵敏度较低、响应波段宽，可以在室温下工作、使用简单

热释电 BST薄膜，铁电PZT

光机械 Au/SiNx 双金属片

微测辐射热计 氧化钒、非晶硅

2.1 制冷型红外探测器

制冷型红外探测器一般是指利用半导体材料的光子效应制成的探测器，在探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象；

制冷型红外探测器系统如蹄镉汞（HgCdTe）探测器（工作在8-14μm波段）和锑化锢（Insb）探测器（工作在3-5μm波段）的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高，但都必须用低温制冷器进行制冷，而且红外成像系统几乎都要使用机械扫描装置，因而整个红外成像系统显得结构复杂并且成本很高。而且，部分高性能的光子型红外探测器很难实现硅基单片式结构，需要通过混合集成方式将探测器与读出电路相连。

2.2 非制冷型红外探测器

非制冷型红外探测器，又称为室温红外探测器，是指利用探测器接收红外辐射后自身温度开始升高，从而引起热敏元件的物理性质发生改变而实现对红外光进行检测的探测器。

室温红外探测器及其焦平面阵列一般不需要制冷，可以直接在室温下工作，易于使用和维护，可靠性好。因此，研究开发重量轻、体积小、功耗小和成本低的非制冷焦平面阵列及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非制冷红外焦平面阵列主要是以微机电技术（MEMS）制备的热传感器为基础，大致可分为以下几种类型：热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计。

热电堆室温红外探测器及其阵列是最早研究并实用化的红外成像器件之一，它通过测量多晶硅/金属或双掺杂的多晶硅热堆的热电势来探测红外辐射。其工作原理是利用由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路，当两接触点处温度不同时，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。因而，通过测量热电堆两端的电压的变化，可以探测出红外辐射的强弱。

热释电型非制冷红外焦平面阵列的探测原理是：红外辐射使材料的温度发生变化，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。因而，可以通过测量感应电荷量或电压的大小，探测红外辐射的强弱。热释电材料大多采用铁电材料，如钽酸锂（LiTaO3）、钽铌酸钾（KTN）和钛酸铅（PbTiO3）等。

光机械室温红外探测器是利用双层的悬臂梁结构，当悬臂梁结构收到红外辐射后温度升高并弯曲，其端点的弯曲位移量正比于升温的大小，同时也正比于双金属材料的热膨胀系数之差，并可以采用光调制的方法读出位移量。

微测辐射热计是近年来发展势头最为迅猛的红外焦平面之一，是一种电阻型热传感器，通过探测红外辐射引起热敏电阻的变化而获得目标的红外信息，继而转换成目标图像。热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列使用的热敏电阻探测材料主要有：氧化钒（VOx）、非晶硅（α-Si）、钛（Ti）、钇钡铜氧（YbaCuO）等，其最重要的参数是电阻温度系数（TCR：Temperature Coeffi-cient of Resistance）。它利用热敏电阻的阻值随温度的变化，来探测红外辐射的强弱。

红外焦平面阵列（IRFPA：Infrared Focal Plane Array）是具有对红外辐射敏感，并兼有信号处理功能的新一代红外探测器件。自从70年代后期提出红外焦平面阵列这个概念以来，它的发展十分活跃，已经研制出单片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列红外焦平面阵列。二十世纪九十年代，随着非制冷红外焦平面阵列技术的突破，非制冷红外热像仪的灵敏度大幅提高，同时由于其具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和高可靠性等优势，使其在民用领域逐步得到广泛应用，包括：电力设备故障检测、消防救助、火灾监控、工艺监控、医疗测温、车船夜行、公安侦察、环境保护等方面，几乎涉及到社会生活的各个领域，并有部分取代制冷型红外热像仪的趋势。

目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力，其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握，日本和以色列则由美国取得技术专利许可，在其国内生产和有限制地使用。

而国内在非制冷红外成像方面的公司主要有浙江大立、广州飒特和武汉高德等，另外，一些大专院校或研究所，如电子科技大学、华中科技大学、中科院上海技术物理研究所、兵器211所等，也都在进行相关基础研究。

三、发展趋势

虽然非制冷红外探测器的探测率目前还不及光子型（即制冷型）IRFPA的高，已装备的非制冷红外热成像仪的NETD通常为20～100mK，但是凭借其低成本和高性价比，在中、低端的军用和民用市场均有着广泛的应用前景，在科研创新方面得到极大的关注，是红外探测器技术发展的重要方向。

参 考 文 献

[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

[2] 张敬贤，李玉丹，金伟其。微光与红外成像[M]。北京：北京理工大学出版社，1995，226。

[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12（2）：241-245.

【摘要】 红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光电传感器，是目前传感器领域发展的重点之一。本文介绍了红外探测器技术，梳理了红外探测器的起源与技术发展趋势，尤其关注非制冷红外探测器的技术发展。

【关键词】 红外探测器 非制冷 制冷

一、引言

红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件，利用它制成的探测器是军事、气象、农业、工业、医学等方面需要的设备，它涉及物理、材料等基础科学和光学、机械、微电子和计算机等多学科领域的综合科学技术。红外探测器目前主要应用在军事装备上，进行夜视、遥感、侦查和制导等，它能透过烟、尘、雾、阴影、树丛等，探测重要军事目标，能实现全天候被动远距离探测。尤其在近十年来的现代化战争，拥有红外预警、制导和夜视技术的一方，基本都在战场上占据了主动。因此，世界各国对红外探测器的发展给予了大量的关注。

二、红外探测器技术分类

根据探测机理的不同，可把红外探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器两大类，如表1所示。

表1 红外探测器的分类

类型 典型敏感材料 特点

制冷

探测

器 光导型（光敏电阻） HgCdTe，PbS，PbSe 灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率，一般需在低温下工作，探测波段较窄

光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

光发射-肖特基势垒探测器 PtSi/Si，IrSi/Si

量子阱探测器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

非制

冷探

测器 热电堆/热电偶 Au/Poly Si 响应时间较长、灵敏度较低、响应波段宽，可以在室温下工作、使用简单

热释电 BST薄膜，铁电PZT

光机械 Au/SiNx 双金属片

微测辐射热计 氧化钒、非晶硅

2.1 制冷型红外探测器

制冷型红外探测器一般是指利用半导体材料的光子效应制成的探测器，在探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象；

制冷型红外探测器系统如蹄镉汞（HgCdTe）探测器（工作在8-14μm波段）和锑化锢（Insb）探测器（工作在3-5μm波段）的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高，但都必须用低温制冷器进行制冷，而且红外成像系统几乎都要使用机械扫描装置，因而整个红外成像系统显得结构复杂并且成本很高。而且，部分高性能的光子型红外探测器很难实现硅基单片式结构，需要通过混合集成方式将探测器与读出电路相连。

2.2 非制冷型红外探测器

非制冷型红外探测器，又称为室温红外探测器，是指利用探测器接收红外辐射后自身温度开始升高，从而引起热敏元件的物理性质发生改变而实现对红外光进行检测的探测器。

室温红外探测器及其焦平面阵列一般不需要制冷，可以直接在室温下工作，易于使用和维护，可靠性好。因此，研究开发重量轻、体积小、功耗小和成本低的非制冷焦平面阵列及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非制冷红外焦平面阵列主要是以微机电技术（MEMS）制备的热传感器为基础，大致可分为以下几种类型：热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计。

热电堆室温红外探测器及其阵列是最早研究并实用化的红外成像器件之一，它通过测量多晶硅/金属或双掺杂的多晶硅热堆的热电势来探测红外辐射。其工作原理是利用由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路，当两接触点处温度不同时，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。因而，通过测量热电堆两端的电压的变化，可以探测出红外辐射的强弱。

热释电型非制冷红外焦平面阵列的探测原理是：红外辐射使材料的温度发生变化，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。因而，可以通过测量感应电荷量或电压的大小，探测红外辐射的强弱。热释电材料大多采用铁电材料，如钽酸锂（LiTaO3）、钽铌酸钾（KTN）和钛酸铅（PbTiO3）等。

光机械室温红外探测器是利用双层的悬臂梁结构，当悬臂梁结构收到红外辐射后温度升高并弯曲，其端点的弯曲位移量正比于升温的大小，同时也正比于双金属材料的热膨胀系数之差，并可以采用光调制的方法读出位移量。

微测辐射热计是近年来发展势头最为迅猛的红外焦平面之一，是一种电阻型热传感器，通过探测红外辐射引起热敏电阻的变化而获得目标的红外信息，继而转换成目标图像。热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列使用的热敏电阻探测材料主要有：氧化钒（VOx）、非晶硅（α-Si）、钛（Ti）、钇钡铜氧（YbaCuO）等，其最重要的参数是电阻温度系数（TCR：Temperature Coeffi-cient of Resistance）。它利用热敏电阻的阻值随温度的变化，来探测红外辐射的强弱。

红外焦平面阵列（IRFPA：Infrared Focal Plane Array）是具有对红外辐射敏感，并兼有信号处理功能的新一代红外探测器件。自从70年代后期提出红外焦平面阵列这个概念以来，它的发展十分活跃，已经研制出单片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列红外焦平面阵列。二十世纪九十年代，随着非制冷红外焦平面阵列技术的突破，非制冷红外热像仪的灵敏度大幅提高，同时由于其具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和高可靠性等优势，使其在民用领域逐步得到广泛应用，包括：电力设备故障检测、消防救助、火灾监控、工艺监控、医疗测温、车船夜行、公安侦察、环境保护等方面，几乎涉及到社会生活的各个领域，并有部分取代制冷型红外热像仪的趋势。

目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力，其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握，日本和以色列则由美国取得技术专利许可，在其国内生产和有限制地使用。

而国内在非制冷红外成像方面的公司主要有浙江大立、广州飒特和武汉高德等，另外，一些大专院校或研究所，如电子科技大学、华中科技大学、中科院上海技术物理研究所、兵器211所等，也都在进行相关基础研究。

三、发展趋势

虽然非制冷红外探测器的探测率目前还不及光子型（即制冷型）IRFPA的高，已装备的非制冷红外热成像仪的NETD通常为20～100mK，但是凭借其低成本和高性价比，在中、低端的军用和民用市场均有着广泛的应用前景，在科研创新方面得到极大的关注，是红外探测器技术发展的重要方向。

参 考 文 献

[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

[2] 张敬贤，李玉丹，金伟其。微光与红外成像[M]。北京：北京理工大学出版社，1995，226。

[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12（2）：241-245.

【摘要】 红外探测器是能对外界红外光辐射产生响应的光电传感器，是目前传感器领域发展的重点之一。本文介绍了红外探测器技术，梳理了红外探测器的起源与技术发展趋势，尤其关注非制冷红外探测器的技术发展。

【关键词】 红外探测器 非制冷 制冷

一、引言

红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件，利用它制成的探测器是军事、气象、农业、工业、医学等方面需要的设备，它涉及物理、材料等基础科学和光学、机械、微电子和计算机等多学科领域的综合科学技术。红外探测器目前主要应用在军事装备上，进行夜视、遥感、侦查和制导等，它能透过烟、尘、雾、阴影、树丛等，探测重要军事目标，能实现全天候被动远距离探测。尤其在近十年来的现代化战争，拥有红外预警、制导和夜视技术的一方，基本都在战场上占据了主动。因此，世界各国对红外探测器的发展给予了大量的关注。

二、红外探测器技术分类

根据探测机理的不同，可把红外探测器分为制冷型探测器和非制冷型探测器两大类，如表1所示。

表1 红外探测器的分类

类型 典型敏感材料 特点

制冷

探测

器 光导型（光敏电阻） HgCdTe，PbS，PbSe 灵敏度高、响应速度快、具有较高的响应频率，一般需在低温下工作，探测波段较窄

光伏型 HgCdTe，InSb，PbSnTe

光发射-肖特基势垒探测器 PtSi/Si，IrSi/Si

量子阱探测器 GaAs/GaAlAs，GeSi/Si

非制

冷探

测器 热电堆/热电偶 Au/Poly Si 响应时间较长、灵敏度较低、响应波段宽，可以在室温下工作、使用简单

热释电 BST薄膜，铁电PZT

光机械 Au/SiNx 双金属片

微测辐射热计 氧化钒、非晶硅

2.1 制冷型红外探测器

制冷型红外探测器一般是指利用半导体材料的光子效应制成的探测器，在探测器吸收光子后，本身发生电子状态的改变，从而引起光伏或光电导等现象；

制冷型红外探测器系统如蹄镉汞（HgCdTe）探测器（工作在8-14μm波段）和锑化锢（Insb）探测器（工作在3-5μm波段）的灵敏度、响应速度、探测距离等性能都比较高，但都必须用低温制冷器进行制冷，而且红外成像系统几乎都要使用机械扫描装置，因而整个红外成像系统显得结构复杂并且成本很高。而且，部分高性能的光子型红外探测器很难实现硅基单片式结构，需要通过混合集成方式将探测器与读出电路相连。

2.2 非制冷型红外探测器

非制冷型红外探测器，又称为室温红外探测器，是指利用探测器接收红外辐射后自身温度开始升高，从而引起热敏元件的物理性质发生改变而实现对红外光进行检测的探测器。

室温红外探测器及其焦平面阵列一般不需要制冷，可以直接在室温下工作，易于使用和维护，可靠性好。因此，研究开发重量轻、体积小、功耗小和成本低的非制冷焦平面阵列及其成像系统成为一种必然的发展趋势。非制冷红外焦平面阵列主要是以微机电技术（MEMS）制备的热传感器为基础，大致可分为以下几种类型：热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计。

热电堆室温红外探测器及其阵列是最早研究并实用化的红外成像器件之一，它通过测量多晶硅/金属或双掺杂的多晶硅热堆的热电势来探测红外辐射。其工作原理是利用由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路，当两接触点处温度不同时，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。因而，通过测量热电堆两端的电压的变化，可以探测出红外辐射的强弱。

热释电型非制冷红外焦平面阵列的探测原理是：红外辐射使材料的温度发生变化，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。因而，可以通过测量感应电荷量或电压的大小，探测红外辐射的强弱。热释电材料大多采用铁电材料，如钽酸锂（LiTaO3）、钽铌酸钾（KTN）和钛酸铅（PbTiO3）等。

光机械室温红外探测器是利用双层的悬臂梁结构，当悬臂梁结构收到红外辐射后温度升高并弯曲，其端点的弯曲位移量正比于升温的大小，同时也正比于双金属材料的热膨胀系数之差，并可以采用光调制的方法读出位移量。

微测辐射热计是近年来发展势头最为迅猛的红外焦平面之一，是一种电阻型热传感器，通过探测红外辐射引起热敏电阻的变化而获得目标的红外信息，继而转换成目标图像。热敏电阻型非制冷红外焦平面阵列使用的热敏电阻探测材料主要有：氧化钒（VOx）、非晶硅（α-Si）、钛（Ti）、钇钡铜氧（YbaCuO）等，其最重要的参数是电阻温度系数（TCR：Temperature Coeffi-cient of Resistance）。它利用热敏电阻的阻值随温度的变化，来探测红外辐射的强弱。

红外焦平面阵列（IRFPA：Infrared Focal Plane Array）是具有对红外辐射敏感，并兼有信号处理功能的新一代红外探测器件。自从70年代后期提出红外焦平面阵列这个概念以来，它的发展十分活跃，已经研制出单片式、混合式、制冷型和非制冷型等一系列红外焦平面阵列。二十世纪九十年代，随着非制冷红外焦平面阵列技术的突破，非制冷红外热像仪的灵敏度大幅提高，同时由于其具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和高可靠性等优势，使其在民用领域逐步得到广泛应用，包括：电力设备故障检测、消防救助、火灾监控、工艺监控、医疗测温、车船夜行、公安侦察、环境保护等方面，几乎涉及到社会生活的各个领域，并有部分取代制冷型红外热像仪的趋势。

目前世界上只有美国、法国、日本、以色列四个国家拥有非制冷焦平面探测器产业化生产的能力，其核心技术仅有美国和法国两个国家掌握，日本和以色列则由美国取得技术专利许可，在其国内生产和有限制地使用。

而国内在非制冷红外成像方面的公司主要有浙江大立、广州飒特和武汉高德等，另外，一些大专院校或研究所，如电子科技大学、华中科技大学、中科院上海技术物理研究所、兵器211所等，也都在进行相关基础研究。

三、发展趋势

虽然非制冷红外探测器的探测率目前还不及光子型（即制冷型）IRFPA的高，已装备的非制冷红外热成像仪的NETD通常为20～100mK，但是凭借其低成本和高性价比，在中、低端的军用和民用市场均有着广泛的应用前景，在科研创新方面得到极大的关注，是红外探测器技术发展的重要方向。

参 考 文 献

[1] Mottin E， Martin J L， Buffet J， et al. Enhanced amorphous silicon technology for 320*240 microbolometer arrays with a pitch of 35um. Proceeding of SPIE， 2001， 4369：250-256.

[2] 张敬贤，李玉丹，金伟其。微光与红外成像[M]。北京：北京理工大学出版社，1995，226。

[3] A. Rogalski. Optical detectors for focal plane arrays[J]. Optoelectronics review， 2004，12（2）：241-245.