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从专利技术看MEMS红外探测器研究重点

导读: 红外探测是以红外成像为核心的一项探测技术,它通过把红外辐射转换成其它可测量物理信号(如:电压),并对该物理信号做相应的模拟或数字信号处理,从而得到可供人类视觉分辨的图像。

1 MEMS红外探测器概述

红外探测是以红外成像为核心的一项探测技术,它通过把红外辐射转换成其它可测量物理信号(如:电压),并对该物理信号做相应的模拟或数字信号处理,从而得到可供人类视觉分辨的图像。发展至今,红外探测技术已经广泛应用于军事、医疗、农业、安防等多个领域。

MEMS(micro electromechanical system)又称为微机电系统,它现已被广泛应用于电脑、汽车、医疗仪器和航空航天等的微芯片制造中,因为它不仅具有体积小、重量轻、可靠性高的优点、还能持续提升芯片性能并降低成本,利于大批量生产,因此受到高技术产业市场的欢迎。

2 国内外研究现状

2.1 红外探测器的分类

红外探测器主要包括四大部分。(1)红外成像镜头,主要作用是把探测目标成像到探测器组件上;(2)红外焦平面阵列FPA(focus plane array),这部分的作用是把红外辐射转化为其它便于测量的物理信号,如:电信号;(3)信号处理部分,对红外焦平面阵列输出的物理信号做放大、滤波等处理,然后转换为视频信号;(4)显示器,接收视频信号,显示出图像。

红外探测器中的核心组件是红外焦平面阵列部分,该组件是国内外研究的热点。根据探测机理可将红外焦平面阵列的探测单元分成两大类:光子型探测器(制冷型探测器)和热型探测器(非制冷型探测器)。具体分类如下:

光子型红外探测器,其工作基础是半导体材料的内光电效应—光电导效应或光生伏特效应,具体可以分为以下几种:光电导型探测器、光电子发射型探测器、光伏型探测器。光子型红外成像系统的最大优点是探测灵敏度高,其缺点是工作时需要用液氮进行冷却,以消除探测器的热噪声,整个成像系统就需要增加制冷器和杜瓦瓶等额外设备,使得系统制造成本偏高,功耗、体积和重量都较大。这些缺点导致光子型红外成像系统基本只应用于天文、军事和学术研究等领域。

热型红外探测器,其主要是基于红外辐射的热效应—像素(内含敏感元)吸收红外辐射导致其温度上升,从而引起敏感元的某些可测量的物理特性的变化,通过测量这种变化完成红外探测。这些可测量的变化包括:电阻变化、电容变化、热释电效应、赛贝克(Seebeck)效应、气体压力变化、液晶色变和热弹性效应等等。传统的热型探测器可以分为以下几种:热敏电阻探测器、热释电型探测器、热电偶型探测器。热型红外成像系统不需要液氮制冷,整个成像系统的功耗、体积和重量较小,容易维护,价格相对低廉。热型红外成像系统的探测灵敏度低于制冷型成像系统,其噪声等效温差在0.1K左右。热型红外成像系统已广泛用于人类日常生活中,如:夜视仪、安全监控和热像仪。

热型红外探测器的发展一直落后于光子型红外探测器,随着材料科学的发展和加工手段的改进,尤其是薄膜工艺和MEMS 技术等关键支撑技术的逐渐成熟,热型红外焦平面阵列技术不断取得突破,热型红外探测器已逐渐成为红外研究领域的热点。热型红外探测器的最大优点是能在热下工作,为实现低成本、小型化、便携式红外探测系统开辟了道路,目前热型红外探测系统的生产成本与市场价格已大为降低,为量子型红外探测器的几分之一。虽然与量子型红外探测器相比较,热型红外探测器响应速度较慢,但随着技术的发展,热型红外探测器已完全能满足凝视成像的要求。

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