非制冷红外探测器领域专利申请脉络分析

张欣+王剑+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，是红外系统的核心，在军事和民用领域都有广泛的应用前景，也是目前传感器领域发展的重点之一。本文关注非制冷红外探测器的技术发展，并重点评述了以非晶硅和氧化钒为热敏材料的非制冷红外探测器在专利申请方面的进展与发展趋势。

【关键词】 红外 探测器 非制冷 焦平面阵列

一、引言

红外光在电磁波段占据0.8-1000μm的范围，而且根据普朗克黑体辐射公式，任何温度高于绝对零度的物体都会发出与其特性相关的红外辐射，而且根据红外波长范围包含的丰富信息，由此来检测分析目的物，具有非常重要的价值。

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。其中，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。

二、非制冷红外探测器技术发展及专利申请脉络分析

非制冷红外探测器是红外热成像技术的一个重要组成部分和重点发展方向，通过对该领域申请的发明专利进行统计来看，其发展可以分为以下三个阶段。

2.1材料和工艺技术研发

上世纪90年代中期以前，主要是对体硅刻蚀和牺牲层工艺制备氮化硅微桥两种技术以及热敏材料进行了探索。技术上，早期的氮化硅微桥制备工艺一般是先在硅衬底上沉积氮化硅薄膜，利用光刻技术制备器件图形，然后采用KOH等各向异性腐蚀液腐蚀体硅而成。由于湿法腐蚀工艺精度低，而且像元间距大，这就制约了像元尺寸缩小空间而无法提高像元数量，从而抑制了器件分辨率的提高。更为重要的是，随着上世纪80年代末至今硅集成电路的迅猛发展，使得采用单片式结构、以硅ROIC作为器件的图像处理电路成为热成像技术的主要特点，这样湿法腐蚀体硅工艺就无法满足工艺要求。由于PI、多晶硅薄膜淀积工艺与CMOS工艺兼容，在其上沉积氮化硅薄膜后可以采用湿法或干法刻蚀且不会对硅ROIC造成损害，是理想的牺牲层材料，同时在降低像元尺寸、提高像素上具有绝对优势。

在热敏材料选择上，Honeywell公司于1992年6月11日提交了题为“具有增强灵敏度的微测辐射热计传感器”的专利申请，公开号为WO9325877A1，该申请在美国、日本、加拿大、欧洲均被授予专利权，作为非制冷红外探测器（微测辐射热计）领域的一项基础专利，其对微测辐射热计型非制冷红外探测器技术的发展具有重大的影响，且使得微测辐射热计型非制冷红外探测器由美国军方的最高机密变成为公众所知，通过专利许可和转让，使得相关公司在此基础上又进行了不断的改进，并应用到军事、民用的各个领域中去。

另外，德克萨斯仪器公司（TI）在1992年提交了题为“应用于热探测器中的钛酸锶钡热释电探测材料”，公开号为US5314651A，在美国获得授予专利权，开创了钛酸锶钡作为热释电型红外探测器的先河。

2.1器件阵列化

上世纪90年代中后期，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，其中单片式、45x45μm2像素单元的320x240氧化钒微测辐射热计阵列成为主流产品。

与此同时，非制冷热成像技术成为世界各国许多商业机构和研究单位竞相开发的目标，美国的波音北美、洛克希德-马丁、DRS、Raytheon、AMBER公司；日本的NEC、三菱公司；英国的BAE System公司；法国的UUS公司等都先后获得了Honeywell公司的专利技术转让，并且相继推出了成熟的热像仪产品，主要有DRS的U系列、Raytheon的SBRC系列、BAE的MicroIR系列等非制冷热像仪。

此外，德克萨斯仪器公司（TI）在1994-1996年间提交了多份关于钛酸锶钡热释电型非制冷红外焦平面阵列探测器的开拓性专利申请，申请号分别为US19940235835A、US19940225601A 、US19950476409A、US19950368066A、US19950368067A，且在美国、日本、欧洲、台湾获得专利权，从而一举奠定了其在混合式热释电型红外焦平面阵列探测器领域的领军地位。此后，英国的GEC-马可尼材料技术公司对热释电型红外焦平面阵列探测器进行了改良，使得热释电红外焦平面阵列探测器的性能进一步得到提高。

2.3 新技术发展

从本世纪初至今，主要致力于研制基于亚微米工艺、信号处理功能强大的硅ROIC，并以此降低微测辐射热计的功耗，延长热像仪的工作时间以满足单兵野外作战的要求；同时进一步减小像素尺寸、增大面阵像素值、降低NETD、提高分辨率。目前，非制冷红外焦平面阵列（UIRFPA）已成为国际上研究的热点之一，除美国有DRS、Raytheon等多家公司外，日本、俄罗斯、英国、以色列、法国和加拿大等国家也加大了这一方面的研究投入，并先后向热成像市场推出25x25μm2像素单元的480x640焦平面阵列，17x17μm2像素单元已在研发中。

此外，新材料、新结构的非制冷焦平面阵列研发也取得较大进展，而其中基于非晶硅（a-Si）的UIRFPA逐年呈上升趋势，主要代表是法国的Sofradir公司的子公司ULIS，包括名为“基于非晶硅的红外焦平面阵列探测器”，公开号为US7138630B2的发明专利。ULIS公司先后推出320x240、640x480的UL系列a-Si微测辐射热计焦平面探测器，像元尺寸由早期的45x45μm2、35x35μm2逐渐减小到25x25μm2，热响应时间仅为7ms，帧数可达60Hz，而NETD也降到30mK，接近氧化钒非制冷焦平面阵列的性能。

与氧化钒材料相比，a-Si具有更高的热导率低和机械强度，其基于此材料的微测辐射热计更适应自悬浮支撑的结构，同时该材料制备工艺与传统半导体工艺兼容，更适应大规模生产。

三、发展趋势

a-Si非制冷红外探测器的发展趋势主要包括：进一步减少像元尺寸，提高工艺兼容性，实现大规模生产，以达到缩小尺寸、降低成本的目的；提高探测器灵敏度，以低成本生产像元间距更小的高性能器件；优化热敏感膜材料性能和微桥结构，提高探测器的吸收率和填充因子；扩展非制冷红外探测器工作温度范围，实现对不同目标能自动调节窗口的智能化；提高非制冷红外探测器的可调谐性，使其能以大动态范围来适应工业应用，而以小的噪声等效温差（NETD）来适应医学应用；发展中波非制冷红外探测器，最终实现中长波双色、多光谱的非制冷红外探测器，逐步代替昂贵的制冷型红外探测器。

参 考 文 献

[1] Horn S. Uncooled sensor tech technology. Proceeding of SPIE， 1993，2020：304-323.

[2] Shie J S， Chen Y M， Yang M O， et al. Characterization and modeling of metal-film microbolometer. J. Microelectromech. Syst.， 1996，5（4）：298-316.