红外探测器

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。

紅外探測器格式

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。

紅外探測器類型

光子探测器 能量探测器 
本征,PV(光电)

MCT

Si、Ge

InGaAs

InSb、InAsSb

辐射热计

氧化钒(V2o5)

多晶硅锗

多晶硅

非晶硅

本征,PC(光电导)

MCT

PbS, PbSe

热电堆Bi/Sb
非本征SiX热电钽酸锂(LiTa)
光电发射PtSi铁电体氧化钡锶铌
QWIPGaAs / AlGaAs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)。

SWIR砷化銦鎵探測器

什么是短波红外 InGaAs探测器?

Xenics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。

使用晶格匹配和晶格失配技术,我们已经制造出各种先进的InGaAs线性阵列以及焦平面阵列(FPA)探测器。

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非製冷測輻射熱計探測器

什么是非制冷型辐射热计?

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。

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