跨入二十一世紀以來，紅外熱攝像技術的發展已經曆了三十多個(ge) 年頭。其發展已從(cong) 當初的機械掃描機構發展到了目前的全固體(ti) 小型化全電子自掃描凝視攝像，特別是非致冷技術的發展使紅外熱攝像技術從(cong) 長期的主要軍(jun) 事目的擴展到諸如工業(ye) 監控測溫、執法緝毒、安全防犯、醫療衛生、遙感、設備先期性故障診斷與(yu) 維護、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強觀察儀(yi) 等廣闊的民用領域。
     紅外熱攝像技術的發展速度主要取決(jue) 於(yu) 紅外探測器技術取得的進展。三十年來，紅外探測器技術已從(cong) 第一代的單元和線陣列發展到了第二代的二維時間延遲與(yu) 積分（TDI）8～12μm的掃描和3～5μm的640×480元InSb凝視陣列，目前正在向焦平麵超高密度集成探測器元、高性能、高可靠性、進一步小型化、非致冷和軍(jun) 民兩(liang) 用技術的方向發展，正在由第二代陣列技術向第三代微型化高密度和高性能紅外1 發展現狀

　　1.1 超高集成度的焦平麵探測器像元

　　像可見光CCD之類的攝像陣列一樣，要提高係統成像的分辨率和目標識別能力，大幅度地提高係統焦平麵紅外探測像元的集成度是一種重要的途徑。各公司廠家都在盡力增加焦平麵陣列的像元數，發展各種格式的大型或特大型紅外焦平麵陣列。光行天下科技網

　　在1～3μm的短波紅外（SWIR）焦平麵陣列方麵，由於(yu) 多年來的軍(jun) 用都集中在中波紅外（MWIR）和長波紅外（LWIR）波段，因而SWIR焦平麵陣列技術的發展受到忽略，但由於(yu) 這個(ge) 波段的許多應用是MWIR和LWIR應用達不到的，因而近幾年來加快了對SWIR焦平麵陣列技術的發展步伐，目前的陣列規模已達到2048×2048元（400萬(wan) 元）。

　　·InGaAs紅外焦平麵陣列：雖然實現短波紅外熱攝像的候選材料要求低溫冷卻工作，而且HgCdTe襯底失配率高，暗電流也高，唯有In0.53Ga0.47As的晶格常數與(yu) InP相同，暗電流密度低達3×10-8A/cm2，R0A＞2×106Ω.cm2，D*＞1013cmHz1/2W-1（室溫下），其光響應峰值在0.9μm～1.7μm，可實現非致冷工作的高性能紅外焦平麵陣列，其多年的光纖通信工業(ye) 應用使其具有大批量生產(chan) 的能力，因而幾年來日益受到重視，美國傳(chuan) 感器無限公司在DARPA 和NVESD支持下正在加速發展這種非致冷的紅外焦平麵陣列和攝像機技術，其陣列尺寸已達到320×240元。

　　　·HgCdTe陣列：由於(yu) 軍(jun) 用目的的需求，過去這種材料焦平麵陣列技術的發展主要集中於(yu) 中波和長波紅外波段應用，但洛克威爾國際科學中心卻一直在發展1～3μm波段工作的HgCdTe焦平麵陣列技術，其主要目的是天文和低背景應用，該中心在90年代中期已製出HQWAⅡ-1 1024×1024元陣列，目前已研製成功世界上最大的HQWAⅡ-2型2048×2048元的陣列，該中心正在計劃研製4096×4096元的特大型陣列。

在3～5μm的中波紅外焦平麵陣列方麵：中波紅外焦平麵陣列技術的發展一直是紅外焦平麵中發展最快的，主要有PtSi、InSb和HgCdTe三種陣列，其陣列規模已達到2048×2048元（400萬(wan) 元）。

　　·PtSi陣列已形成大批量生產(chan) 能力，典型陣列有640×480，801×512，1024×1024，1040×1040，柯達公司新近推出的產(chan) 品高達1968×1968元，其陣列規模已接近於(yu) 400萬(wan) 元，HgCdTe中波焦平麵陣列是目前所有焦平麵中波工作陣列中集成度高，最引人注目的，洛克威爾國際科學中心在這方麵的發展處於(yu) 世界領先地位，除了640×480和1024×1024元的天文應用陣列外，近期已準備提供用戶使用的陣列為(wei) 2048×2048元，並正在采用拚接技術研製4096×4096元的陣列，但工作溫度低於(yu) 77K。

　　·InSb陣列是這個(ge) 波段應用中深受重視的器件，主要是低背景天文應用陣列規格達1024×1024元，典型陣列還有640×480和640×512元。

　　在長波紅外焦平麵陣列方麵，主要集中於(yu) HgCdTe，GaAlAs/GaAs多量子阱陣列，SiGe異質結構陣列和非致冷紅外焦平麵陣列四種。HgCdTe陣列的發展一直較為(wei) 緩慢，近幾年主要集中於(yu) GaAlAs/GaAs量子阱列和非致冷工作的紅外焦平麵陣列技術，發展極快，陣列規模已達到了640×480元。字串5

　　·HgCdTe焦平麵陣列技術，由於(yu) 這種材料的電學特性，進展一直較為(wei) 緩慢，長波HgCdTe焦平麵陣列規模僅(jin) 為(wei) 256×256元。

　　·GaAlAs/GaAs陣列是最近幾年來發展最快的，研究的國家公司機構很多，如美國的洛克希德-馬丁、洛克威爾國際科學中心，雷聲、噴氣式推進實驗室和空軍(jun) 研究實驗室等，日本的三菱電機和NTT，法國的湯姆遜和瑞典、加拿大、以色列的不少公司竟相研製發展，其中以噴氣式推進實驗室、雷聲和洛克希德-馬丁公司的進展最快，目前的陣列尺寸已達到640×484元，已評估了1024×1024元的雙色陣列，正在水平集成四色陣列。 

　　·GeSi/Si異質結構紅外焦平麵陣列6，其工作機理類同於(yu) PtSi陣列。MBE技術的發展，為(wei) GeSi/Si、InSb和InGaAs、GaAlAs、HgCdTe等高性能大型陣列發展提供了先進的製作技術。麻省理工學院和林肯實驗室已製作了320×240元和400×400元的陣列，日本三菱電機公司的陣列規模已達到了512×512元，隻是目前GeSi/Si陣列工作溫度明顯低於(yu) 77K。

　　·非致冷紅外焦平麵陣列，由於(yu) 近幾年來取得的突破性進展，器件和整機係統應用技術的發展均很迅速，主要用於(yu) 8～14μm的長波紅外波段探測，像美國霍尼韋爾、得克薩斯儀(yi) 器、洛克希德馬丁、雷聲、因迪哥係統、薩爾諾夫和波特蘭(lan) 前視紅外係統公司等，日本三菱電機公司、英國GEC-馬可尼和瑞典、加拿大等國的公司都競相發展這種技術，競爭(zheng) 幾乎遍及全球，發展甚為(wei) 迅猛，目前常用商用陣列為(wei) 320×240元，640×480元陣列即將問世。

1.2 高性能

　　由於(yu) 用采用諸如MBE、MOCVD這樣的高精度控製製作工藝，微機械加工技術和CMOS這樣的大型或特大型集成多路傳(chuan) 輸器，不但實現了如1024×1024，2048×2048元這樣的大型二維凝視紅外焦平麵陣列的高速大容量的信號處理，而且獲得了高度均勻性的陣列焦平麵響應特性，進一步提高了陣列的性能。

　　短波紅外焦平麵陣列，迅速實現了商用化。美國新澤西州傳(chuan) 感器無限公司的128×128和320×240元InGaAs焦平麵陣列D*值＞1013cmHz1/2W-1（室溫下），如冷卻到250K工作時，D*＞1014cmHz1/2W-1，1.3～1.6μm的量子效率接近90％，洛克威爾國際科學中心的PACE－1型1024×1024元陣列和HAWAⅡ－2型2048×2048元陣列，平均量子效率65.4％，光響應不均勻性為(wei) 4.3％。[page_break]#p#分頁標題#e#

　　中波紅外焦平麵陣列器件中，PtSi陣列經過二十來年的發展改進，性能大幅度提高，噪聲等效溫差（NETD）已優(you) 於(yu) 0.1℃，三菱512×512元IRCSD已達到0.07～0.033K，801×512元陣列填充因子61％，NETD為(wei) 0.076℃，最小可分辨溫差0.17℃（尼奎斯特），薩爾諾夫的640×480元陣列NETD＜0.18K，最小可分辨溫差MRT＜0.04K（300K，積分時間33毫秒），三菱1040×1040元PtSi陣列不均勻性±2％；聖巴巴拉研究中心InSb 640×512元陣列的NEΔT優(you) 於(yu) 20mK，1024×1024元天文應用的InSb陣列量子效率85％（0.9μm～5μm）；洛克威爾國際科學中心PGM600-003 640×480元HgCdTe陣列77K量子效率68%，NEΔT平均值為(wei) 0.013K，該中心的1024×1024和2048×2048元陣列也都具有良好的性能。字串7

　　長波（8～14μm）紅外焦平麵陣列，HgCdTe陣列發展時間最長，但陣列尺寸不大，目前的性能是非常好的，列工作溫度77～88K，量子效率70％～75％，，NETD為(wei) 13mk，，雙波段工作陣列量子效率為(wei) 60%；GaAlAs/GaAs量子阱紅外焦平麵陣列發展到了今天的640×480元特大陣列，工作溫度已接近或達到77K，截止波長長達14μm～16μm，如噴氣式推進實驗室的640×480元GaAs/AlxGa1-xAs陣列，工作溫度70K，NEΔT為(wei) 43mk，NEΔT不均勻性為(wei) 1.4％，已報導了8～9μm和14～15μm雙色640×486元陣列攝像機，這種陣列的工作溫度仍需提高到77K以上方可在係統應用方麵獲得大量應用的能力；非致冷的紅外焦平麵陣列技術是長波紅外焦平麵陣列技術發展的重要方向之一，近幾年在技術上取得了突破，投入批量生產(chan) ，正在加緊推廣應用。主要材料有VOx、Ti金屬、矽、多晶矽、非晶矽、熱釋電和熱釋電－鐵電材料幾種，有熱敏電阻微測輻射熱計和薄膜熱釋電與(yu) 熱電堆幾種陣列，目前已進入係統應用的陣列為(wei) 320×240元陣列，NETD通常優(you) 於(yu) 0.1K，最佳性能為(wei) 0.01K～0.005K（即10 mk～5mk），洛克希德馬丁等公司已研製出640×480元的最大陣列。薩爾洛夫公司采用Si3N4作絕緣層的陣列設計，NETD可達0.005K，使用SiC時為(wei) 0.01k 

　1.3 高密度小像元尺寸

　　大型或特大型高密度集成，特別是如100萬(wan) 和100萬(wan) 元以上探測器元集成焦平麵陣列要求高精度的超大規模集成電路加工技術（如亞(ya) 微米）和微機械加工技術，焦平麵陣列技術的發展很大程度上取決(jue) 於(yu) 超大規模集成電路的進展。DRAM每個(ge) 單元僅(jin) 要求一個(ge) 晶體(ti) 管，而紅外焦平麵陣列讀出電路則需三個(ge) 或更多的晶體(ti) 管，而且其中有一個(ge) 必須是低噪聲模擬的，目前DRAM生產(chan) 水平設計規格為(wei) 0.25μm，預生產(chan) 設計規格已是0.18μm，在這樣先進加工條件下，焦平麵陣列多路傳(chuan) 輸器和探測器元尺寸都可進一步縮小，陣列元數集成度更高，圖1是焦平麵陣列技術發展與(yu) 微細加工技術的發展趨勢關(guan) 係。目前的紅外焦平麵陣列由於(yu) 采用亞(ya) 微米加工技術，像元尺寸大為(wei) 縮小，實現了小像元高密度的紅外焦平麵集成的進一步發展。由於(yu) 微細加工技術的發展，PtSi陣列的像元尺寸已小達20×20μm2和17×17μm2，如柯達KIR－3900 1968×1968元陣列和日本三菱1040×1040元陣列，HgCdTe陣列已小達18×18μm，如洛克威爾科學中心的HAWAⅡ-2 2048×2048元陣列，其設計規格為(wei) 0.8μm，洛克希德馬丁紅外攝像公司的640×480元非致冷紅外焦平麵陣列的像元尺寸縮小為(wei) 28×28μm2，雷聲和噴氣式推進實驗室的8～9μm和14～15μm波段工作的雙色GaAlAs/GaAs量子阱陣列像元尺寸小達25～25μm。字串8

　　1.4 多色工作

　　隨著紅外焦平麵陣列製作技術的迅速進展，由於(yu) 許多實際應用的需要，近期在雙色或多色紅外焦平麵陣列技術發展方麵取得了顯著的進展，如美國加州理工學院噴氣式推進實驗室空間微電子中心、雷聲先進紅外中心和空軍(jun) 研究實驗室最近研製出的8～9μm和14～15μm的雙色640×486元GaAs/AlGaAs量子阱紅外焦平麵陣列及其攝像機，雷聲、美國陸軍(jun) 研究NASA Gooddard航天飛行中心和洛克威爾科學中心共同研製的11.2μm和16.2μm截止波長的256×256元GaAs/GaAlAs量子阱紅外焦平麵陣列，這些機構都是在加緊發展這種二色和多色焦平麵陣列,都是在原來單色焦平麵陣列取得極大進展的基礎上迅速地研製出了這種雙色陣列。但這種技術目前的工作溫度尚不到77K，同時探測器像元要求二種工作電壓，長波敏感區需極高的偏壓（＞8V）實現長波紅外探測，雖然電壓可調，但不能同時提供二個(ge) 波段的數據。

2 未來的發展趨勢

　　上麵已敘述了進入二十一世紀以來紅外焦平麵技術的發展現狀與(yu) 趨勢，2010年時的紅外焦平麵陣列技術發展將是人們(men) 十分關(guan) 注的課題，那麽(me) 2010年時紅外焦平麵陣列技術的發展將是什麽(me) 結果呢？

目前先進的紅外焦平麵陣列技術正處在從(cong) 第二代向第三代更為(wei) 先進的陣列技術發展的轉變時期。各有關(guan) 公司廠家著眼於(yu) 2010年市場需求，正在加緊確定第三代紅外焦平麵陣列技術的概念，目前各有關(guan) 公司和廠家機構的注意力已轉向第三代紅外焦平麵陣列傳(chuan) 感器的發展。

　　第三代紅外焦平麵陣列技術要滿足以下幾種要求：

　　·焦平麵上探測器像元集成度為(wei) ≥106元，陣列格式≥1K×1K，至少雙色工作，

　　·高的工作溫度，以便實現低功耗和小型輕量化的係統應用，

　　·非致冷工作紅外焦平麵陣列傳(chuan) 感器的性能達到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平麵陣列傳(chuan) 感器的水平，

　　·必須是極低成本的微型傳(chuan) 感器，甚至是一次性應用的傳(chuan) 感器。

　　第三代紅外焦平麵陣列傳(chuan) 感器有下列三種：即：

　　（1）大型多色高溫工作的紅外焦平麵陣列，探測器像元集成度≥106元，陣列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18μm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未來的芯片應更大，高的量子效率，能存儲(chu) 和利用探測器轉換所有的光電子，自適應幀速（480Hz），雙色或多色工作，使用斯特林或熱電溫差電致冷器，工作在120～180K，光響應不均勻≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，結構上單片或混合集成，可以是三維的。字串5

　　（2）非致冷紅外焦平麵陣列，無須溫度穩定或致冷，用於(yu) 分布孔徑設計，重量僅(jin) 1盎司，30mW功率，焦平麵探測器元集成度≥106元，陣列格式1000×1000元，像元尺寸為(wei) 25μm ×25μm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用於(yu) 分布孔徑設計中獲取實用信息。

　　（3）非致冷工作的微型傳(chuan) 感器，焦平麵探測器像元集成度僅(jin) 160×120元～320×240元，像元尺寸50μm ×50μm～25μm ×25μm，NETD＜50mK(f/1.8)，輸入功率10mW以下，重量1盎司，尺寸＜2立方英寸，低成本。
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　　最終的第三代紅外焦平麵陣列將是極低成本的微型傳(chuan) 感器，將占領整個(ge) 紅外市場，其未來的應用將是無人操作的一次性應用傳(chuan) 感器，如微型無人駕駛航空飛行器，頭盔安裝式紅外攝像機和微型機器人等。

3 結論

　　進入二十一世紀，紅外焦平麵陣列技術發展已取得了舉(ju) 世矚目的成就，已從(cong) 第一代線陣列發展到了今天的二維TDI和大型凝視焦平麵陣列，目前正在向焦平麵探測器元高集成度（≥106元）的高密度、小像元（25μm ×25μm～18μm ×18μm）、高性能、多色和低成本的方向發展；非致冷紅外焦平麵陣列技術近幾年取得的突破為(wei) 紅外焦平麵陣列技術開拓了更加廣闊應用領域，市場急劇擴大，這種焦平麵陣列是未來發展低成本紅外焦平麵陣列的重要途徑；目前的紅外焦平麵陣列性能和成品率已大幅度提高，已具有一定規模的生產(chan) 能力，應用領域正期待著這一能力的大幅度提高。顯然，目前的紅外焦平麵陣列技術發展正處在向第三代陣列技術發展的轉折時期，各有關(guan) 公司廠家機構正在研究確定2010年前第三代紅外焦平麵陣列的概念。預期這一技術的發展將會(hui) 進入新的發展時期。