红外焦平面技术的未来趋势

红外焦平面技术的未来趋势 2008-10-16 14:26:34 咨询电话:010-51650488
摘要:引人注目的红外焦平面阵列技术正在取得飞速进展,日益拓展其新的应用领域。本文着重于从未来应用和市场的角度,结合器件技术讨论二十一世纪头10~20年间的红外焦平面阵列技术的应用前景。

关键词:红外焦平面阵列;非致冷;微测辐射热计;双色;多光谱;分配孔径;热瞄准器;视觉增强器;市场;传感器。沃威龙8国际娱乐手机客户端整理

一、引言

本世纪中超大规模集成电路和微电机械加工(MEMS)技术的发展,使红外探测器技术取得了惊人的进展,红外焦平面阵列技术是这种技术发展的一个里程碑。因红外探测的隐蔽性和有效性,其应用领域主要是军事方面,对该技术的迫切期望使之成为军方的“宠儿”。特别是冷战军备竞赛,军方投入巨资使红外探测技术发展突破了前进道路上一个又一个的障碍,使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种,包括InSb、HgCdTe、PtSi、InGaAs、GaAlAs、非本征硅等量子探测器、 Vox、PZT、多晶硅和非晶硅等热探测器;从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。其阵列集成规模已高达2048×2048元[2],从极低温工作发展到了目前的77K或室温工作阵列,特别是近年的发展已接近于可见光CCD、APS和CMOS图像传感器的水平。同时红外探测技术正在急速地拓展新的应用领域和市场,迅速地渗透到广阔的商用领域,改变其长期以来主要用于军用领域的状况。

二、器件制造技术的发展趋势

1、阵列集成规模将进军4K×4K

超大规模微电子集成电路制造技术是实现红外焦平面阵列工作的关键支撑技术之一。由于过去30年间存储器芯片尺寸和微处理器技术所取得的进步,预期未来10~20年间仍将保持稳步攀升的势头。而可见光Si-CCD 器件焦平面集成尺寸在90年代中期已达到16M(4096×4096像元)。DRAM和Si-CCD的发展为实现2K′2K以上乃至4K×4K(16M)红外焦平面集成开辟了道路。

红外焦平面阵列由焦平面探测器和硅信号处理多路传输器组成,其集成发展要比DRAM和Si-CCD晚1~2代。目前的PtSi和短波HgCdTe阵列已达到了2K×2K的水平,预计到2005年焦平面阵列集成规模可达4096×4096。陆军研究实验室、雷声公司和洛克威尔国际科学中心采用分子束外延(MBE)工艺在Si片上生长制作1K×1K和2K×2K的阵列已经取得很大进展。

2、探测器元尺寸

为实现1M级以上的高密度焦平面阵列集成,缩小探测器元尺寸是必要的。目前的大型阵列如柯达KIR-3900型PtSi 1968×1968元阵列像元尺寸为17×17mm2,洛克威尔PACE-1型2048×2048元HgCdTe 短波焦平面阵列的设计规格为0.8mm,像元尺寸18×18mm2 [2],雷声公司和喷气式推进实验室分别为8~9mm2和14~15mm2,洛克希德马丁公司的640×480元非致冷阵列为28×28mm2,这些像元尺寸都已大大缩小。相应的信号处理读出集成电路多路传输器技术必须能满足发展这种高密度大型阵列的需求,如洛克威尔HAWAⅡ-2 2048×2048位CMOS多路传输器读出集成电路(ROIC),其光刻的每一、四象限曝光区精度达0.05mm,晶体管数达1300万个,目前的这一水平已是非常高的了。预计在这一基础上像元尺寸还会进一步缩小。对于SWIR和MWIR探测器,可由下式来量化推断其像元尺寸:

d=2.44λf[5]

式中:d—衍射限制光斑尺寸;

λ—波长;

f—聚焦透镜的焦距。

对于f/2.0光学透镜,5mm波长的光斑尺寸为25mm2,目前的MWIR 480×640元生产阵列,其像元尺寸为20mm。把用户通常超取样的因素考虑进去,像元尺寸可缩小到12mm数量级,最终可缩小到10mm。原则上说来,长波阵列像元减小尺寸不会明显低于20mm,但预期由于读出设计和超取样,最终的中波和长波阵列像元尺寸也将会一样小。

3、双色和多色阵列

双色和多色工作的红外焦平面阵列传感器将是2020年前发展的重要课题。由于军事和空间应用的推动与牵引,双色传感器已取得了显著的进展,像美国加州理工大学、喷气式推进实验室、洛克希德马丁等军事和航天部门都在加紧发展这种传感器,目前阵列已高达640×480元的焦平面阵列,是一种采用GaAlAs/GaAs量子阱结构的双色传感器[1]。同时有关专家已研制出双色阵列摄像机,2~3年后将投入生产,其性能与单色传感器摄像机一样好,预期其用量将不断增长。在双色红外焦平面阵列技术取得的成果基础上,将继续发展三色或四色红外焦平面阵列技术。

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