一、紅外熱成像技術簡介

自然界所有溫度在絕對零度（-273℃）以上的物體都會發(fā)出紅外輻射，紅外圖像傳感器則將探測到的紅外輻射轉(zhuǎn)變?yōu)槿搜劭梢姷膱D像信息。

紅外成像技術涵蓋了紅外光學、材料科學、電子學、機械工程技術、集成電路技術、圖像處理算法等諸多技術，紅外成像裝置的核心為紅外焦平面探測器。

二、非制冷紅外技術概述

2.1 非制冷紅外技術原理

非制冷紅外探測器利用紅外輻射的熱效應，由紅外吸收材料將紅外輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，引起敏感元件溫度上升。敏感元件的某個物理參數(shù)隨之發(fā)生變化，再通過所設計的某種轉(zhuǎn)換機制轉(zhuǎn)換為電信號或可見光信號，以實現(xiàn)對物體的探測。

非制冷紅外焦平面探測器分類

2.2 非制冷紅外探測器的關鍵技術

熱釋電型

紅外輻射使材料溫度改變，引起材料的自發(fā)極化強度變化，在垂直于自發(fā)極化方向的兩個晶面出現(xiàn)感應電荷。通過測量感應電荷量或電壓的大小來探測輻射的強弱。熱釋電紅外探測器與其他探測器不同，它只有在溫度升降的過程中才有信號輸出，所以利用熱釋電探測器時紅外輻射必須經(jīng)過調(diào)制。

探測材料：硫酸三甘肽、鉭酸鋰、鉭鈮酸鉀、鈦（鐵電）酸鉛、鈦酸鍶鉛、鉭鈧酸鉛、鈦酸鋇

熱電堆

由逸出功不同的兩種導體材料所組成的閉合回路，當兩接觸點處的溫度不同時，由于溫度梯度使得材料內(nèi)部的載流子向溫度低的一端移動，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會產(chǎn)生熱電勢。（塞貝克效應Seebeck）

而這種結(jié)構(gòu)稱之為熱電偶。一系列的熱電偶串聯(lián)稱為熱電堆。因而，可以通過測量熱電堆兩端的電壓變化，探測紅外輻射的強弱。

二極管型

利用半導體PN結(jié)具有良好的溫度特性。與其他類型的非制冷紅外探測器不同，這種紅外探測器的溫度探測單元為單晶或多晶PN結(jié)，與CMOS工藝完全兼容，易于單片集成，非常適合大批量生產(chǎn)。

熱敏電阻型（微測輻射熱計）

利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化來探測輻射的強弱。一般探測器采用懸臂梁結(jié)構(gòu)，光敏元吸收紅外熱輻射，由讀出電路測量熱敏材料電阻變化而引起的電流變化，通過讀出電路對電信號采集分析并讀出。探測器一般采用真空封裝以保證絕熱性好。

探測材料：氧化釩、非晶硅、鈦、釔鋇銅氧等

氧化釩VOx的TCR一般為2%~3%，特殊方法制備的單晶態(tài)VO2和V2O5可達4%。VOx具有電阻溫度系數(shù)大，噪聲小的特點，被廣泛用作非制冷式紅外焦平面傳感器的熱敏材料。全球的非制冷紅外熱像儀市場中，使用VOx非制冷紅外探測器的占80%以上。

氧化釩VOx的制備方法：濺射法、溶膠-凝膠法、脈沖激光沉積法、蒸發(fā)法。

讀出電路IC技術

ROIC對微弱的紅外輻射信號產(chǎn)生的電信號進行提取、積分、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換。甚至完成片上非均勻性矯正、片上數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

ROIC是模混合電路系

統(tǒng)模擬部分：單元偏置電路、積分電路、采樣/保持電路等。

數(shù)字部分：中央時序控制、行選控制、列選控制等。

低成本真空封裝技術

為了保證探測器光敏元在接收微弱的輻射后，其接收到熱能不與其他介質(zhì)發(fā)生熱交換，需要把探測器芯片封裝在真空中，并保證良好的氣密性。

封裝體的具體要求是：優(yōu)異且可靠的密閉性；具有高透過率的紅外窗口；高成品率；低成本。

目前的封裝技術可分為芯片級、晶圓級、像元級等，其中芯片級封裝技術按照封裝外殼的不同又可分為金屬管殼封裝和陶瓷管殼封裝。

金屬管殼封裝是最早開始采用的封裝技術，技術已非常成熟，由于采用了金屬管殼、TEC 和吸氣劑等成本較高的部件，導致金屬管殼封裝的成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應用受到限制。

陶瓷管殼封裝是近年來逐漸普及的紅外探測器封裝技術，可顯著減小封裝后探測器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統(tǒng)的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量電子元器件的生產(chǎn)。

2.3 探測器的技術指標

X響應率RIRv

X噪聲等效功率NEP

X探測率D*

X非均勻性UN

X噪聲等效溫差NETD

X最小可分辨溫差MRTD

三、非制冷紅外探測器應用

X消防應用

X駕駛員視覺輔助系統(tǒng)

X邊海防、城市安防、港口監(jiān)視系統(tǒng)

X車載、艦載、機載光電艙

X武器熱瞄具

X醫(yī)療診斷

X電力檢測

X工業(yè)過程控制

X……

應用案例介紹

穿透煙霧、克服雨霧能力強

當火災發(fā)生后，尤其是森林火災的情況下，火焰產(chǎn)生的煙霧很大，往往遮蓋了真正的著火點，以及火災的蔓延趨勢。紅外熱像儀有很強的穿透煙霧的能力，可有效地發(fā)現(xiàn)真正的著火點，以及火災的蔓延趨勢，因此，可用于指揮救火，盡量減少經(jīng)濟、人員的損失。

森林景區(qū)監(jiān)測

通過紅外熱像儀對景區(qū)文物、建筑及整體環(huán)境的防火監(jiān)測，包括對景區(qū)內(nèi)游客、工作人員抽煙或其他點火行為的監(jiān)控。

現(xiàn)場救援

在濃煙霧的火災現(xiàn)場，利用紅外熱像儀快速搜救被困人員和動物。

四、國內(nèi)外廠商主要產(chǎn)品

五、非制冷探測器技術機遇與挑戰(zhàn)

高性能的非制冷紅外探測器的實現(xiàn)，關鍵在于探測器結(jié)構(gòu)的設計以及讀出電路的設計。低成本的關鍵因素取決于探測器結(jié)構(gòu)的加工方式，以及探測器的封裝方式。

?像元尺寸不斷的減小

?陣列規(guī)模持續(xù)增加

?晶圓級封裝及低成本封裝工程化應用

?包含數(shù)字化、非均勻性矯正的片上處理系統(tǒng)的讀出電路設計