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红外探测器——热探测器详解

2022-11-08 11:18:57

红外探测器是红外热成像仪的核心器件,是探测、识别和分析物体的关键。红外探测器的分类有多种形式,按工作原理划分为红外探测器可分为热探测器和光子探测器。

晶圆级批产图.jpg

热探测器是红外探测器在接受红外辐射信号后,温度升高引起探测器材料温度变化产生电信号。热探测器的探测率一般比光子探测器低,红外器件反应时间较长,通常为毫秒级;加热过程让热探测器对红外辐射的各波长基本上为相同的响应率,它的光谱曲线是平坦的,有时也被称为“无选择性红外探测器”。

热探测器可以分为微测辐射热计、热电偶热电堆和热释电:

微测辐射热计的材料目前主要是氧化钒(VOx)和非晶硅(a-Si)。

VOx和a-Si的相同点:

  • 生产工艺相同:微测辐射热计技术与CMOS工艺兼容,能够与CMOS读出电路单片集成,可基于半导体制造工艺大规模生产。

  • 薄膜种类相同,氧化钒薄膜与非晶硅薄膜都是半导体热敏薄膜(红外热敏薄膜),薄膜TCR(电阻温度系数)与电阻率都成正比关系(薄膜TCR和电阻率都与薄膜生长条件紧密相连,生长条件直接决定了薄膜的缺陷密度、晶粒大小、表面粗糙度等属性)。

VOx和a-Si的不同点:

  • 技术积累时间:1978年VOx材料制作微测辐射热计取得了突破性进展,a-Si晚了10年,VOx红外探测器的性能,技术更加成熟。

  • 薄膜性能指标:VOx材料TCR优于a-Si,同样TCR条件下,非晶硅的1/f(噪声系数)显著高于VOx材料,可以理解为VOx红外探测器的成像质量更好。

  • 器件技术指标:VOx材料对于红外光线的光电转换效率更高,测量温度稳定性好,探测器的热灵敏度能达到30mK,a-Si红外探测器的灵敏度通常在50mK左右。

建筑暖通.jpg

氧化钒的电阻温度系数较高,随着温度变化电阻变化大,是目前的主流材料,但是氧化钒材料不能与标准硅圆集成电路工艺相兼容。非晶硅材料也由于是无定形结构,所以呈现的电流噪声比氧化钒大,所以NETD相对较差,表现为图像有蒙砂感。

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