非制冷红外探测器

1 非制冷探测器技术发展概况
自上世纪90年代,非制冷凝视型红外热像仪迅速进入应用市场。这种热像仪与制冷型凝视红外热像仪相比,虽然在温度分辨率等灵敏度方面还有很大差距,但具有一些突出的优点:不需制冷,成本低、功耗小、重量轻、小型化、启动快、使用方便、灵活、消费比高。
至今,非制冷红外焦平面阵列(FPA)技术已由小规模发展到中、大规模320×320和640×480阵列,在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列(FPA)。像素尺寸也由50μm减小到25μm,使焦平面灵敏度进一步提高。这种非制冷红外成像系统在军用和民用领域应用越来越广泛,部分型号产品已装备部队,尤其在轻武器(枪械)瞄准具、驾驶员视力增强器、单兵头盔式观瞄、手持式(便携)热像仪等轻武器,以及部分导弹的红外成像末制导等方面,非致冷热像仪在近年内有望部分取代价格高、可靠性差、体积大而又笨重的制冷型热成像系统。
2 现状
1978年美国Texas Instruments在世界上首次研制成功第一个非制冷红外热像仪系统,主要红外材料为α-Si(非晶硅)与BST(钛酸锶钡)。1983年美国Honeywell开始研制室温下的热探测器,使用了硅微型机械加工技术,使热隔离性提高,成本降低。1990-1994年美国很多公司从Honeywell获技术转让,使以VOx(氧化钒)为探测材料的非制冷探测器得到了迅速广泛发展。VOx材料具有较高的热电阻系数,目前世界上性能最好的非制冷探测器就是采用VOx材料制备的,主要采用8~14μm波段320×240和160×120元的非制冷FPA器件,其结构按部件功能模块化(诸如,光学模块、FPA组件模块、信号读出处理电路模块和显示模块)。目前市场上有热像仪整机产品,也有各种功能模块单独出售,供用户选用。
3 国外主要几家公司研制生产状况
目前,国际上美国、法国、英国和日本的非制冷红外探测器研制生产水平居世界领先水平。英国的公司主要是BAE公司,正在研制生产PST-锆钛酸铅和BST-钛酸锶钡混合结构的热释电型陶瓷探测器,单元式结构的正在研制。
名人堂:众名人带你感受他们的驱动人生马云任志强李嘉诚柳传志史玉柱
日本的主要有三菱公司,正在研发的主要有Si P/N结型和YBaCuO电阻型热探测器两种,规格均为320×240,像元素尺寸均为40μm,在f/1条件下,Si P/N结型FPA的NETD(噪声等效温差)优于120mK,YBaCuO电阻型FPA的NETD优于80mK。日本电气公司主要从事VOx电阻型探测器研究,最新报道320×240 FPA像素尺寸为37μm,热响应时间为12ms,填充因子为72%,其热像仪的NETD为100mK(f/1,60Hz)。
美陆军在“未来战斗系统”使用和部署三种第三代热像仪:第一种是采用制冷型探测器,具有较大的焦平面阵列(1024×1024或2048×2048),扩大目标探测器范围和提高灵敏度,并能在中波和长波波段工作,采用多光谱红外探测器,兼备在冷背景中识别目标和穿透烟雾的能力。这种热像仪将装备那些将来优先发展的作战平台,如计划于2008年开始生产,将用于代替现役“艾布拉姆斯”坦克、“布雷德利”步战车的陆军“未来战车系统”。
第二种是非制冷型第二代高性能单色探测器,凝视型FPA(1024×1024),可装备美陆军未来的无人驾驶车辆;第三种是非制冷、体积小、成本低的多光谱、凝视型FPA的探测器,用于微型无人驾驶车辆或未来的侦察监视器材,还将代替现役夜视头盔的微光增强管。美陆军的“未来”宇宙战士传感器将应用这种具有全天候观测功能的轻型热像仪。
表1部份国外典型非制冷红外探测器性能
混合结构型BST铁电型探测器
Raytheon公司W1000系列
用于轻型武器热瞄具(LTWS)、驾驶员视力增强器(DVE)、手持式热像仪和车载式驾驶仪,重1.7kg,探测距离550米,截至2003年9月该公司已交付美陆军10000个,其中用于LTWS装备的Specter IR是320×240 FPA BST, 已装备M16、M4、M203和M136等,其探测和识别(人)距离为200米。
薄膜铁电型探测器(TFFE)
正处于研发阶段:320×240、像素尺寸为48.5μm,NETD为90~170mk, 填充因子55%.
VOx(氧化钒)电阻型探测器
DRS公司U3000/U4000型(美)
这种非制冷微测辐射热计红外探测器,用于武器观瞄,已装备美陆军。320×240元FPA像素尺寸为51μm,波长8~12μm,NETD(U3000)为64~75mk,重量为1.36kg。
DRS公司LTC650TM  1999年制成,640×480 FPA,像素尺寸为28μm,NETD <0.1℃重量为2.4kg。

DRS公司U6000型(美)  2001年制成,640×480 FPA,像素尺寸为25.4μm,2002年5月对其热像仪进行了演示。
Raytheon公司(美)
2000年制成,640×480 FPA,像素尺寸为25μm,热响应时间10ms,NETD为35mK(平均),填充因子>70%。  α-Si(非晶硅)电阻性探测器
Raytheon公司(美)  目前已批量生产,国际市场销售,主要用于商业和民用。  160×120 FPA,像素尺寸为46.8μm, NETD< 100mK。
Sofradir(法) UL01011型(2001
年)和UL01021E型(2002年)
LET1/GEA公司(法)自1992年开始从事α-Si微测辐射热计研究,打破了美国在这方面的垄断。2000年Sofradir的子公司ULIS公司
购买LET1/CEA的技术转让。  320×240 FPA,像素尺寸为45μm,填充因子>80%,NETD分别为90mk和100mk,UL01021E型内装恒温装置。
2003年报道正在研发产品:(1) 320×240 FPA,像素尺寸为35μm,NETD为36mk(50Hz, f/1),热响应时间为12ms,热阻抗为4.2×107k/W;(2) 25μm像素,320×240 FPA面阵NETD值为35μm像素320×240 FPA面阵的2.2倍,个别产品达到与35μm相同的性能。
4 国内主要几家公司研制生产状况
1995年,中科院长春光学精密机械研究所采用微机械加工技术研制成低成本线列32元、128元硅微测热辐射计阵列,NETD为300mK,存储时间为1ms。
2000年12月,中科院上海技术物理研究所采用新工艺制成的钛酸锶钡铁电薄膜材料性能通过鉴定达到国际领先水平,与美国TI公司演示的第一代非制冷探测器所用材料相同。
我国在非制冷红外热像仪方面的研发集中在部分高等院校和研究所。从事经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在一些外围设备和开发软件的业务上,最核心的机芯部分均系国外进口。

4 国内主要几家公司研制生产状况
1995年,中科院长春光学精密机械研究所采用微机械加工技术研制成低成本线列32元、128元硅微测热辐射计阵列,NETD为300mK,存储时间为1ms。
2000年12月,中科院上海技术物理研究所采用新工艺制成的钛酸锶钡铁电薄膜材料性能通过鉴定达到国际领先水平,与美国TI公司演示的第一代非制冷探测器所用材料相同。
我国在非制冷红外热像仪方面的研发集中在部分高等院校和研究所。从事经营非制冷红外热像仪的公司大部分只停留在一些外围设备和开发软件的业务上,最核心的机芯部分均系国外进口。

Bookmark the permalink.

Comments are closed.