紅外探測器技術的發展

　　1992年誕生了第一臺國產化通用組件高性能熱像儀，SPRITE探測器研制成功是關鍵。到90年代初，第一代碲鎘汞光導探測器紛紛完成技術鑒定，性能達到世界先進水平。

　　兵器工業211所的SPRITE、32和60元探測器已實用化并投入批量生產，規模和市場不斷擴大。國外在80年代就已大批量生產。由于電極、杜瓦瓶設計和制冷機方面的重重困難，第一代碲鎘汞探測器元數一般無法超過200。大的碲鎘汞光敏陣列和Si讀出集成電路分別制備并最佳化，然后兩者進行電學耦合和機械聯結形成混合式焦平面陣列，就是第二代碲鎘汞探測器。

　　目前國際上已研制出256×256甚至640×480規模的長波IRFPA。中波紅外已有用于天文的1024×1024的規模，現階段典型產品是法國的4N系列288×4掃描式FPA。國內仍處于研制開發階段。晶體碲鎘汞材料也有鮮明的弱勢：

　　1）相圖液線和固線分離大，分凝引起徑向、縱向組分不均勻；

　　2）高Hg壓使大直徑晶體生長困難，晶格結構完整性差；

　　3）重復生產成品率低。薄膜材料的困難在于難以獲得理想的CdZnTe襯底材料。

　　人們致力于研究替代襯底，如PACE（Producible Alternative to CdTe for Epitaxy ）－ I （ HgCdTe / CdTe/ 寶石），PACE－II（HgCdTe/C dTe/GaAs）和PACE－III（HgCdTe/CdTe/Si）。日本和法國還報道Ge襯底，目標是與MCT的晶格 匹配并有利于與Si讀出線路的耦合。 優質碲鎘汞材料制備困難、均勻性差、器件工藝特殊，成品率低，因而成本高一直是困擾碲鎘汞IRFPA的主要障礙。人們始終沒有放棄尋找材料的努力，但迄今還沒有一種新材料能超過碲鎘汞的基本優點。為滿足軍事應用更高的性能要求，碲鎘汞FPA仍然是首選探測器。

　　5、非致冷焦平面陣列 （UFPA）紅外探測器

　　非制冷焦平面陣列省去了昂貴的低溫制冷系統和復雜的掃描裝置，敏感器件以熱探測器為主。突破了歷來熱像儀成本高昂的障礙，“使傳感器領域發生變革”。另外，它的可靠性也大大提高、維護簡單、工作壽命延長，因為低溫制冷系統和復雜掃描裝置常常是紅外系統的故障源。非致冷探測器的靈敏度（D）比低溫碲鎘汞要小1個量級以上，但是以大的焦平面陣列來彌補，便可和第一代MCT探測器爭雄。對許多應用，特別是監視與夜視而言已經足夠。廣闊的準軍事和民用市場更是它施展拳腳的領域。為避免大量投資，把硅集成電路工藝引入低成本、非制冷紅外探測器開發生產，制造大型高密度陣列和推進系統集成化的信號處理，即大規模焦平面陣列技術，潛力十分巨大。正因為如此，單元性能較低的熱電探測器又重新引人注目，而且可能成為21世紀最具競爭力的探測器之一。目前發展最快、前景看好的有兩類UFPA：

（1）熱釋電FPA。熱釋電探測器的研究早在60年代和70年代就頗為盛行，有過多種材料，較新型的有鈦酸鍶鋇（BST）陶瓷和鈦酸鈧鉛（PST）等。美國TI公司推出的328×240鈦酸鍶鋇（BST）FPA已形成產品，NETD優于0.1K，有多種應用。計劃中還有640×480的FPA，發展趨勢是將鐵電材料薄膜淀積于硅片上，制成單片式熱釋電焦平面，有很高的潛在性能，可望實現1000×1000陣列的優質成像。

　?。?）微測輻射熱計（Microbolometer）。它是在IC－CMOS硅片上以淀積技術，用Si3N4支撐有高電阻溫度系數和高電阻率的熱敏電阻材料Vox或α－Si，做成微橋結構器件（單片式FPA）。接收熱輻射引起溫度變化而改變阻值，直流耦合無須斬波器，僅需一半導體制冷器保持其穩定的工作溫度。90年代初，由Honeywell公司首先開發，研制成工作在8μm～14μm的320×240 UFPA，并以此制成實用的熱像系統，NETD已達到0.1K以下，可望在近期達到0.02K。此類FPA90年代發展神速，成為熱點。與熱釋電UFPA比較，微測輻射熱計采用硅集成工藝，制造成本低廉；有好的線性響應和高的動態范圍；像元間好的絕緣而有低的串音和圖像模糊；低的1/f噪聲；以及高的幀速和潛在高靈敏度（理論NETD可達0.01K）。其偏置功率受耗散功率限制和大的噪聲帶寬不足以與熱釋電相比。

　　6、紅外探測器技術的發展

　　歷史上，紅外探測器的發展得益于戰爭尤其是二次大戰的刺激。隨后的冷戰時期，到現今的局部戰爭，人們不斷加深對紅外探測器重要性的認識。至今，軍事應用仍占整個紅外敏感器市場的75%。更高的性能指標和降低成本對紅外技術提出了愈來愈高的要求。由于民用需求的急劇增長，軍事應用的比例正在穩步減小。據美國市場調查，到2002年軍事應用將下降到50%以下。今后焦平面紅外圖像系統及傳感器的需求量會繼續增長，年增長率將達29%。軍事應用中的商用成品有望每年增加15%。估計增長最快的將是非制冷焦平面系統，年增長率將超過60%。2002年美國紅外技術市場將達到12億美元。據中國光學學會預測，今后 5年，我國熱像設備總數在4萬臺左右，而年自產不足500臺。所有這些，勢必使21世紀的紅外科學技術加速開拓前進，首先是紅外探測器技術的突飛猛進。