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深度解读红外辐射、红外传感器

来源:www.lustervision.com    日期:2019-01-30    点击次数:

什么是红外辐射?
其拉丁文前缀 "infra"  的意思是 "下方"  或  "下面"。 因此, "红外区域" 是指可见色谱红端以下的区域。 红外区域位于电磁光谱的可见光和中波区域之间。 由于经过加热的物体会辐射红外能量,其通常指光谱中的热量区域。 所有物体均辐射特定的红外能量,甚至包括室温物体和冰冻物体,例如冰块。

一个物体的温度越高,其光谱辐射能量越高;或者,在所有波长中,辐射越大,辐射的主要波长或峰值波长就越短。 室温物体的峰值辐射发生在10 µm。 太阳具有等同于5,900K的温度,且其峰值波长为0.53 µm(绿光)。 其在紫外线到远红外区域外的光谱范围辐射出丰富的能量。

红外辐射光谱的大多数光纤无法被探测系统利用,因为其辐射被大气层中的水或二氧化碳吸收。 然而,有多个波段具有良好的传递性。 长波红外 (LWIR) 波段覆盖8-14µm的范围,并且在9-12µm波段可达到100%传递。 LWIR波段可对绝大多数陆地物体提供出色的可见性。  中等波长红外(MWIR或MIR) 波段(3.3-5.0 µm)也可提供接近100%的传递性,并且可获得更低环境和背景噪音等附加优点。 可见光和 短波 红外(SWIR)或近红外(NIR) 光线(0.35-2.5 µm)是一个具有较高大气传递性和峰值太阳照度的波段,也是这三种波段中可令探测器获得最佳清晰度和分辨率的波段。 然而,没有月光或人工照明,SWIR成像仪只能对300K的物体提供较差的成像,或根本无法成像。

短波紅外( SWIR )技術

SWIR或短波红外探测器可提供独一无二的功能,通常与LWIR和MWIR成像仪形成互补。 SWIR探测器是一种光电探测器, 如同一种制冷型LWIR或MWIR探测器。 与LWIR或MWIR成像不一样,SWIR成像(主要)利用反射光。 这与可见光摄像机或人眼非常相似。 因此, SWIR图像在分辨率和细节上类似于(黑白)可见光图像。 


 

最新 采用的InGaAs材料使得非低温制冷型SWIR成像仪实现了突破。 InGaAs SWIR探测器通常使用珀耳帖效应制冷器,并且 在900到1,700 nm的SWIR波段具有极高灵敏度。 并且,我们还可提供VisNIR(可见光-近红外)摄像机,其在400到1,700nm波长范围具有极高灵敏度。 

SWIR摄像机可用于日间和夜间(星光)成像,相对于其他技术而言,这是一个巨大的优势。 其他重要的优势包括小型化(相比其他制冷型探测器)、可探测隐蔽激光的能力以及可穿透玻璃的能力。

中波红外(MWIR)技术

MWIR制冷型探测器是一种光电探测器,类似于 制冷型LWIR探测器。 和制冷型LWIR探测器一样,MWIR探测器通常使用 HgCdTe半导体材料。 但是,InSb(锑化铟)或T2SL(2型超晶格)材料则用于MWIR波长范围(3到5µm)的探测。 

某些MWIR应用还需要“宽频段”探测器。 这些探测器灵敏范围约为1到5µm(InSb)或2.5到5 µm(HgCdTe)。 普通的MWIR必须冷却到77K,但是,探测器技术的最新发展可允许更高的工作温度(100K – 150K),并且使用更小型化的史特灵制冷器。

长波红外(LWIR)技术

数十年以来,基于LWIR(长波红外)和MWIR(中波红外)传感器的各种红外摄像机被军方广泛用于探测人类活动。 这些红外摄像机可探测人类、车辆、动物的热辐射,因为其具有不同的温度而在背景环境中突显而出。

对于LWIR传感器,我们将其区分为普通非制冷型LWIR微测辐射热计传感器和更独特的制冷型LWIR传感器。

非制冷型LWIR微测辐射热计探测器是一种热传感器,通常 每个像素都有一个电阻器。 这种微型辐射热计结构本身通常使用非晶硅(a-Si)或氧化钒(Vox)制造。 其电阻值会根据入射辐射的数量而变化,因为入射红外辐射会对电阻器结构进行加热。 然后会对每个像素中的阻值变化进行测量和处理,并用于创建一个图像。 微型辐射热计结构通常进行优化,以在8到14 µm波长范围获得最佳灵敏度。

LWIR制冷型探测器是一种光电探测器,通常使用半导体材料,例如HgCdTe(碲化镉)或者QWIP(量子阱红外光电探测器)材料。 光电探测器使用半导体将光子转换为电子(或更准确说法:电子洞对)。 最普遍的光电探测器是用于绝大多数手机摄像头的硅CCD(用于可见光)。 根据其应用,LWIR光电探测器必须 冷却到77K或以下,例如,使用史特灵制冷器。 通常,这些探测器在7到12 µm波长范围内会非常灵敏。

什么是红外探测器?

简单来说,红外探测器只是一个辐射能源的变换器,用于将红外波长中的辐射能量转换为可测量的形式。 红外探测器可用于各种 应用,s 例如,军事、科技、工业、医学、安保和汽车等领域。 由于红外辐射不依赖可见光线,其可通过探测各种物体所发射的红外能量,穿透黑暗或各种隐蔽条件而获得清晰的视觉。 所探测到的能量转换为图像,可显示各种物体之间的能量差异,从而可以看清隐蔽的场景。

在红外光线下,这个世界会呈现出正常可见光条件下所无法发现的各种特征。 在一片漆黑中可轻易看清人和动物,结构中的薄弱位置得以清楚呈现,接近故障状态的组件会形成更亮的图像,而在不利条件下(例如烟雾或浓雾)的可见性也得以提高。

热电偶和辐射热计的开发 始于 19世纪。 这些早期的设备包括单个依赖探测器本身温度变化进行测量的探测器元件。 现在,技术发展日新月异,但是辐射热计和热电偶的原理至今依然被广泛应用。

第一代探测器阵列

为了提高灵敏度和响应时间,人们开发出光子探测器。 自20世纪40年代'以来,这些探测器得以大量开发。 硫化铅(Pbs)探测器是第一款实用红外探测器。 其敏感红外波长可达~3 µm。

在20世纪'40年代晚期和20世纪'50年代早期,大量新型红外传感材料得以开发。 硒化铅(PbSe)、碲化铅(PbTe)和锑化铟(InSb)将光谱范围扩展到硫化铅(Pbs)的范围之外,从而实现了在3-5 µm中波(MWIR)大气窗口的灵敏度。

在20世纪'50年代末,在化学表III-V、IV-VI和II-VI组材料系统的半导体合金得以首次引进。 这些合金可允许根据特定的应用量身定制半导体的频带间隙,以及其光谱响应。 II-VI组材料MCT(HgCdTe)已成为当今最广泛使用的频带间隙调整材料。

光刻法于20世纪'60年代面世,随即被应用于红外传感器阵列的制造。 最先面世的线性阵列技术为硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)和锑化铟(InSb)探测器。 光电(PV)探测器的开发始于单晶锑化铟(InSb)材料的应用。

在20世纪'60年代晚期和20世纪'70年代早期,"第一代"本征MCT光电导探测器线性阵列成功开发。 这些技术使得LWIR前视成像辐射计(FLIR)系统在使用单级制冷条件下可在80K温度运行,从而使其更加小型化、轻量化,并且显著降低其耗电量。

20世纪'70年代,各种红外应用如雨后春笋般出现,并且,采用线性阵列的第一代传感器系统开始了大批量生产。

同时,其他重要的探测器技术开发也在进行。 硅技术的发展催生了硅化铂(PtSi)探测器设备,其现今已经成为了各种MWIR高分辨率应用的标准商业产品。

第二代探测器阵列

电荷耦合装置(CCD)发明于20世纪'60年代晚期,从而可预见通过焦平面电子模拟信号读出装置耦合的"第二代"探测器阵列,这种阵列使用了大量的探测器阵列,从而使信号量以成倍数增加。 这种概念的早期评估表明,光电探测器(例如InSb、PtSi和MCT探测器)或高阻抗光电导探测器(例如PbSe、PbS和本征硅探测器)都曾是颇有希望的竞争选手,因为它们具有适用于读出多路复用器PET输入连接的阻抗。 由于其低阻抗,PC MCT方案被否定。 因此,从20世纪'70年代晚期到20世纪'80年代,MCT技术的开发努力几乎全部集中在PV装置开发,因为需要获得低功率且高阻抗以连接到大型阵列中的读出输入电路。 这一努力最终收到回报,并于20世纪'90年代研制出第二代红外探测器,可用于制造大型线性和2D阵列。 这些探测器使用TDI作为扫描系统;在一些著名的系统中,其一般为方形或矩形形式。

单片非本征硅探测器于20世纪'70年代中期面世。 单片非本征硅方案随后即被搁置,因为集成电路制造的工艺降低了探测器的质量。 然而,单片PtSi探测器方案现在得到广泛普及,在该方案中,可在读出装置加工之后再成形加工探测器。

红外探测器格式

可提供各种红外探测器,采用圆形、矩形、十字形或其他几何形状单个探测器的形式提供,以用于光栅系统;也可采用线性阵列和2D焦平面阵列的形式提供。

单个红外探测器 通常都是前照式,并且属于丝焊连结设备。 线性和2D阵列可采用一系列探测器和信号输出架构制造而成。

第一代线性阵列 通常为前照式,其探测器信号输出采用丝焊方式连结阵列中的每个元件。 来自每个元件的信号则从真空封装内引出,并连接到独立的室温前置放大器,然后通过接口驶入成像系统显示器。 增益调整通常在前置放大器电路中进行。 这个方案使得第一代线性阵列被限制在200个元件以内。

第二代阵列, 无论线性还是2D阵列,通常都为背照式,设置在一层透明的基材之后。 下图展示了多个替代的焦平面架构。

 
▲附图(a)展示的是一个探测器阵列,其通过电气连接方式直接连接到一个前置放大器及/或开关阵列(即所谓的读出装置)。 该电气连接通过铟"柱"实现,为每个像素提供一种软金属互连方式。 这种形式通常称为 "直接混合",可便于大量像素互相连接到独立的前置放大器,而各前置放大器则通过各行和各列多路复用器联接。

直接混合 结构(b)可与大型线性阵列配合使用,以使用具有同样膨胀热系数的基材作为探测器连接界面。 这些混合方式还可用于串行混合,以便于在进行读出之前对探测器进行测试,并且/或者设置尺寸大于探测器装置单元的读出装置单元,提高电荷存储容量并进而扩展动态范围。 各读出装置和探测器装置在一个扇形基材上通过特定图案的金属总线进行电气互连。

单片探测器阵列 (c)集成了探测器和读出装置的功能。 总而言之,在这些阵列中,其指令和控制信号处理电子部件都位于探测器阵列旁边,而不是位于探测器之下。 在这种情况下,信号处理电路可通过丝焊与探测器连接。 在单片结构中,无须将信号处理电路设计在与探测器/读出装置同一基材上(如附图所示)或使之与探测器温度一致。 通过采用硅探测器技术,单片PtSi探测器阵列可将信号处理装置设置在探测器/读出芯片的周围。

“Z”技术,如附图(d)所示,可通过将结构在正交方向延伸为读出芯片中的每个像素提供扩展的信号处理空间。 在所展示的方案中,堆栈式的薄化读出芯片胶合在一起,而探测器阵列则使用铟丝连接到这个信号处理堆栈的边缘。

最后,如附图(e)所示,使用薄化的探测器材料得到一个 "漏洞(Loophole)"方案,并将其胶结到硅读出装置上。 探测器元件通过贯穿孔连接到下方的读出装置上,其通过蚀刻作用穿透探测器材料至读出装置的触板,然后进行金属化处理。

红外探测器类型
  

光子探测器

材料

能量探测器

材料

本征,PV(光电)

MCT

SiGe

InGaAs

InSbInAsSb

辐射热计

氧化钒(V2O2

多晶硅锗

多晶硅

非晶硅

本征,PC(光电导)

MCT

PbSPbSe

热电堆

BiSb

非本征

SiX

热电

钽酸锂

光电发射

PtSi

铁电体

氧化钡锶铌

QWIP

GaAsAlGaAs

微悬臂梁

双金属



这些红外探测器材料中大多数都基于III-V组元素(例如,铟、镓、砷、锑)、或II-VI组元素(汞、镉、碲)或IV-VI组元素(铅、硫、硒)等制造的复合半导体材料。 其可结合为二元化合物,例如,砷化镓(GaAs)、锑化铟(InSb)、硫化铅(PbS)和硒化铅(PbSe),或三元化合物,例如铟镓砷(InGaAs)或碲镉汞(HgCdTe)。

比利时Xenics公司开发了各种短波 红外InGaAs探测器,可用于以下光谱范围: 0.4–1.7 µm、 0.9–1.7 µm、1.0–2.2 µm以及1.0 - 2.5 µm。从1.7 µm到2.2 µm和2.5 µm的有益扩展可通过改变三元化合物中的铟部分来实现。将铟引入砷化镓(GaAs)可降低该化合物的频带间隙,并且实现对更长波长的红外辐射探测。下图将展示频带间隙如何随III-V组化合物成分变化而变化。但是,改变化合物材料的成分也会改变该材料的晶格常数。绝大多数红外材料都采用晶格匹配方式制造,即在具有红外材料本身相同晶格常数的基材上制造。
 

对于III-V组化合物,最常用的基材为砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、锑化镓(GaSb)和锑化铟(InSb)。具有1.7 µm截止波长的铟镓砷(InGaAs)合金与磷化铟(InP)晶格匹配。因此,其通常在磷化铟(InP)基材上制造。为了扩展其对更长波长的灵敏度,该合金必须在晶格失配的基材上制造。这可在磷化铟(InP)基材或标准的砷化镓(GaAs)基材上实现。

非制冷型辐射热计包括各种隔热的微桥,其顶部覆盖温度敏感型材料。 该温度敏感型材料可为五氧化二钒(V2O5)、非晶硅(a-Si)或多晶硅锗(poly-SiGe)。微桥以表面微机械方式直接设置在电路上。

 

通过集成电路结合各个热探测器元件会带来探测器元件与集成电路的连接问题。 因为热探测元件必须加热,或进行冷却(由于所要探测的辐射),又会引发另一个更严重的问题。 因此,为了实现最佳性能,探测器必须与其周遭物体进行热隔离。由于这个原因,我们不能简单地将探测器直接覆盖或安装到集成电路上——因为硅是良好的热导体。 否则,探测器会变得太热,进而对其作为热探测器的性能带来不利影响。

因此,微桥以表面微机械方式直接设置在电路上。这种方法可创建接触支持,从而获得折中的解决方案,一方面实现良好的电气接触,满足探测器元件读出所需,另一方面也实现较差的热接触,避免所吸收的辐射发生热泄露。