1. 引言
现代红外探测器技术始于20世纪40年代的制冷光子型单元红外探测器，后来发展出多元线列和小规模面阵探测器，再到集成化的焦平面阵列型探测器，已发展到第三代。红外焦平面探测器是一种在红外光学系统焦平面上，由多个红外光传感器单元组成二维红外线焦平面阵列(infraredray focal plane array, IRFPA)，可使观测视野中每一个像元与敏感元一一对应的红外探测器件(类似于可见光CCD图像传感器阵列结构)。焦平面探测器作为红外成像系统的核心部件，是探测物体和获取红外信息的关键，在军事和民用领域具有广泛的应用。
红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷型红外焦平面探测器。制冷型探测器是基于红外辐射与敏感元件相互作用产生光电效应，非制冷探测器基于红外辐射与敏感元件产生热效应，实现对物体的探测。随着大规模集成电路、半导体薄膜、微机电系统(micro-electro-mechanical system, MEMS)等科技进步，非制冷红外焦平面探测器技术快速发展，其中微测辐射热计(microbolometer, MB)型非制冷红外焦平面探测器的探测灵敏度、图像分辨率、工作帧频、热响应时间、空间噪声、尺寸和功耗等性能指标得到大幅提升，已成为目前技术最成熟、市场占有率最高的一种红外焦平面探测器型式 [1] [2] [3] [4]。本文后续的内容，将在介绍微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器工作原理基础上，综述国内外相关技术和领域应用，总结指出非制冷红外焦平面探测器技术发展趋势及发展方向。
2. 微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器关键技术及进展
2.1. 红外焦平面探测器分类
红外波段(0.75~1000 μm)处在可见光和微波波段之间(如图1所示)。理论上讲，所有高于绝对零度(−273℃)的物体自身都会发出热辐射或红外辐射，辐射能量与物体表面的温度和材料特性直接相关，温度越高，辐射能量越大。通常，室温物体的热辐射集中在长波红外波段，其次在中波红外波段，当物体温度较高或在夜晚时，其辐射能量大部集中在短波红外波段，不同波段的红外成像在机理上存在差异(波段划分及成像机理见表1)。
图2给出了制冷型和非制冷型红外焦平面探测器的分类。根据工作原理的不同，制冷型探测器可分为光电导、光伏、光发射、光电磁及量子阱等类型，采用的半导体光敏薄膜材料包括，III~V族化合物半导体材料锑化铟(InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、砷化銦鎵(InGaAs)、量子阱(QWIP)、II类超晶格(T2SL)和硫化铅(PbS)等 [5] [6] [7]。非制冷型探测器可分为微测辐射热计MB、热释电、热电偶/热电堆及热敏二极管等类型，采用的热敏薄膜材料包括，氧化钒(VOx)、非晶硅(α-Si)、绝缘衬底上硅(silicon on insulator, SOI)和钛酸锶钡(BST)等 [1] [8] [9]。制冷型探测器在原理上属光量子传感，具有分辨更细微温度差别的高灵敏度、探测距离较远的优势。非制冷探测器在原理上则属热敏传感。光子传感相比热敏传感的探测率通常大1~2个数量级，一般正常工作时需要制冷。工作在室温条件下的非制冷探测器虽然在灵敏度上差于制冷型探测器，但随着非制冷红探测器技术日趋成熟，在军用和民用市场的占有份额正持续增速。
Figure 1. Position of the infrared band in the electromagnetic wave spaces
图1. 红外波段在电磁波谱中的位置
Table 1. Infrared band division and imaging mechanism
表1. 红外波段划分及成像机理
Figure 2. Classification of focal plane array detectors
图2. 红外焦平面探测器分类
2.2. 微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器工作原理
微测辐射热计(MB)属热敏电阻型传感器元件，与半导体工艺兼容，能够与CMOS读出电路(readout integrated circuit, ROIC)单片集成，基于MEMS技术制造加工，由硅衬底、底部反射镜、互联电极、热绝缘桥墩、热敏电阻材料层和红外吸收桥面组成。目前采用的热敏电阻材料层以氧化钒(VOx)和非晶硅(α-Si)半导体热敏薄膜材料为主。
红外吸收桥面由MEMS微桥结构的像元在焦平面上二维重复排列构成，每个像元(微桥)对特定入射角的热辐射进行测量。微桥由多层材料组成，由上到下分别是红外吸收层、热敏层，以及起到支撑与电连接作用的桥臂和桥墩，并通过桥臂和桥墩与制作在硅衬底上的COMS系统相连。当桥面吸收外界红外辐射时，微桥吸收层吸收红外能量并分别产生细微的温度变化，从而引起各微桥的热敏层电阻值发生相应的变化。ROIC通过互联电极将微桥电阻变化经放大处理后，转换形成电学视频信号输出 [10] [11]。
2.3. 关键技术及其进展
2.3.1. 微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器关键技术
微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器核心指标参数包括阵列规模(可表征图像分辨率)、像元中心距(像元间距)、噪声等效温差(NETD，也称探测灵敏度)、系统最小可分辨温差(MRTD)、工作帧频、热响应时间、空间噪声和功耗等，涉及了焦平面探测器总体设计、制造与工艺、测试等关键技术 [1] [10] - [16]。
与红外焦平面探测器总体设计相关的包括，微测辐射热计桥面与衬底间低的热导、高的红外吸收率、合适的焦平面热敏薄材料、读出电路设计和电学噪声控制，以及总体设计指标的分解等。1) 半导体热敏薄膜材料的MEMS结构、微桥MEMS的桥臂低热导材料设计等。2) 优化设计微测辐射热计的填充系数(填充系数定义为桥面对红外辐射的有效吸收面积占其总面积的百分比)，填充系数和热导之间的权衡，或优化设计微桥下方红外反射面的红外光学谐振腔设计。3) 焦平面材料的选取对于NETD有非常大的影响，NETD越小，探测器灵敏度越高；早期的材料采用氧化钒VOx、钛酸锶钡BST和非晶硅α-Si等，发展至今，氧化钒和非晶硅成为主流，其中氧化钒占有70%的市场份额。4) 红外辐射照射到焦平面微桥上所产生的信号电流一般为nA级甚至pA级，对这种非常小信号的读出电路，在进行版图布局设计的同时，还需要综合考虑像元级、列级等片上各电路模块的低噪声设计。5) 探测器的阵列规模与图像分辨率、像元中心距与光学系统、探测器灵敏度指标NETD与薄膜材料、NETD和空间噪声与图像质量、工作帧频与热响应时间等相互关联，根据总体设计指标参数进一步把指标分解到MEMS、读出电路与集成、封装等各个部件/工艺环节 [14] [15]。
在红外焦平面探测器芯片制造与工艺过程中，需要重点解决：1) 桥面多层材料和MEMS工艺流程中低应力、高质量、低缺陷等不同要求的制备，保障高精度刻蚀、光刻等工艺以及热绝缘微桥等。2) 保持微桥阵列在真空环境、相对稳定温度条件下工作的真空封装。
红外焦平面探测器的真空封装技术分为金属封装(metal packaging, MP)、陶瓷封装(ceramicpackaging, CP)、晶圆级封装(wafer level packaging, WLP)和像元级封装(pixel level packaging, PLP) [10] [17] [18] [19]。金属封装MP采用金属管壳、半导体热电冷却元件(thermoelectric cooler, TEC)温控工作点、柱状吸气剂等，封装方式可适应较极端的环境，缺点是成本占比较大，生产周期较长。陶瓷封装CP包括无针脚芯片封装(LCC)和有引脚表面贴装(PGA)两种，采用多层布线的陶瓷基板的管壳，内部无热电冷却元件(TEC-less)，真空除气、吸气剂激活、真空密封三合一封接。晶圆级封装WLP是直接在红外探测器晶圆上进行大多数或是全部的封装、测试，然后再进行切割的技术，目前有两种晶圆级封装方式，即W2W (wafer-to-wafer)和C2W (chip-to-wafer)方式。近年来在晶圆级封装技术基础上又进一步发展了低成本小型化成像模组与光学系统集成的晶圆级光学镜头(wafer level optics, WLO)焦平面和专用红外图像信号处理(image signal processing, ISP)电路芯片技术。像元级封装PLP是新发展的一种全新的封装技术，国际业界领先公司已开始应用于产品开发和生产，通过微电子工艺的淀积方法，将只有几微米厚的非晶硅膜淀积到每一个像素上，形成与阵列的像素数目相同的真空密封帽。目前国外主流产品以陶瓷、晶圆级封装为主，2015年之前国内主流产品多采用金属、陶瓷封装，近2年也已完全掌握了晶圆级封装技术 [2]。
根据探测器总体设计指标的分解，建立工艺过程优化仿真模型，保障较高的成品率和批次一致性。国内外各红外焦平面探测器生产厂商都非常重视产品的测试工作。探测器芯片和组件的测试主要包括单元测试和组件测试两个方面，由于测试系统的专业性和复杂性，一般都是自行研制或通过专门从事测试平台的厂商定制开发。国际上专门从事红外焦平面探测器测试平台产品开发的业界领先厂商主要有，美国圣塔芭芭拉红外(SBIR)公司、美国光电工业(EOI)公司、法国HGH红外系统公司、以色列CI系统公司等。国外这些厂商/公司的测试平台产品功能齐全、性能优越，但价格昂贵，并对我国技术封锁。国内厂商的测试平台产品和定制开发水平相对落后，测试工作主要集中在系统级参数测试部分，对像元级参数测试的研究较少，与国外相比还存在较大差距。
2.3.2. 国外技术进展
国外非制冷红外焦平面探测器源自20世纪80年代霍尼韦尔(Honeywell)公司在美国军方支持下开发的氧化钒VOx技术，之后，20世纪90年代德州仪器(TI)公司及法国法国原子能委员会电子与信息技术实验室(CEA-Leti)又分别开发了非晶硅α-Si技术 [20] [21]。从那时起，主要的工作集中在减小像元中心距，以及提高微测辐射热计、SOI二极管测温器件和非制冷红外焦平面阵列的性能上。如今，像元中心距已接近光学的衍射极限，其性能几乎能够满足所有的商业应用 [1] [3] [11]。当前国际上红外探测器业界知名公司有，美国菲力尔(FLIR)公司、雷神(Raytheon)公司、DRS公司、BAE系统公司、L-3公司，法国Lynred公司(2019年Sofradir公司与ULIS公司合并)，以色列SCD公司、日本电气(NEC)公司以及三菱(Mitsubishi)公司等。目前这些国外公司主要围绕着超大面阵规模，以及尺寸、重量、功耗及成本(size weight and power-cost, SWaP-C)两个方面进行着相关技术研究和产品开发。表2给出了目前代表性的国外公司在超大面阵规模以及SWaP-C方面的技术进展情况。表3给出了国外公司典型的微小型机芯/模组产品技术参数。
在超大面阵规模方面，为了实现更高的空间分辨率和更小尺寸的成像系统，在过去的近30年间，为降低微测辐射热计和SOI二极管非冷却红外焦平面阵列的像元尺寸，研究人员和工程师们做出了大量努力，取得了显著的进步。从50 μm (1992年)、25 μm (2002年)、17 μm (2007年)、12 μm (2013年)减小到目前最先进的焦平面探测器的像元中心距为10 μm [1] [22] [23]。如DRS、BAE公司已量产面阵规模1280 × 1024、像元中心距10 μm的非制冷红外焦平面探测器。
Table 2. Technological progress of foreign companies
表2. 国外公司技术进展
Table 3. Technical parameters of typical micro/small module and products of thermal imager from foreign companies
表3. 国外公司典型的微小型机芯模组产品技术参数
在SWaP-C方面，2012~2014年美国国防高级研究计划局(DARPA)启动执行的低成本热像仪制造(low cost thermal imager-manufacturing, LCTI-M)项目，旨在进一步强化低成本–微小型红外光学制造工艺的优势，以提高士兵作战能力，并可扩大到民用领域。DARPA隶属美国国防部，负责研发用于军事用途的高新科技，其宗旨是“保持美国的技术领先地位，防止潜在对手意想不到的超越”。从美国国防预研高新科技的一个侧面也反映了降低SWaP-C技术的发展。LCTI-M项目先后支持了Raytheon、DRS、BAE三家公司开发低成本、小体积红外成像机芯模组，实现了12 µm像元中心距、重量在10 g以下的机芯模组产品量产 [24]。2014年FLIR公司发布了当时世界上最小的机芯模组Lepton，这种微型红外热像一体化模组制造技术采用了非制冷VOx微测辐射热计、WLO、WLP和定制专用集成电路(ASIC)，实现了从探测器集成化到红外热像仪机芯模组的集成化与微小型化。2019年新一代Lepton机芯模组产品的像元中心距由17 µm缩小到12 µm，分辨率提高了4倍，功耗为160 mW，外形尺寸仅为12.7 × 8.5 × 6.0 mm3。降低SWaP-C进一步朝着晶圆级封装–晶圆级光学–红外图像信号处理电路(WLP-WLO-ISP)三维(3D)封装芯片技术方向发展，当今的微电子产业界将三维封装芯片列为第四代封装技术，并已实现商用化。2018年美国DARPA资助了三维单芯片系统(three-dimensional system on-chip, 3DSoC)项目，该项目聚焦于采用新一代三维垂直高密度封装技术，在单衬底垂直向上构建微系统所需材料、设计工具和制造技术的研发，旨在进一步推进红外成像机芯完全由微电子工艺规模化制造。通过采用三维封装芯片技术、视觉处理单元(vision processing unit, VPU)、进一步降低微小型机芯模组产品规模化生产成本，以及在不同程度上增强了诸如图像存储、不同制式的数据输出接口、SD卡(secure digital card)存储、以太网/无线视频传输等功能。随着采用新一代高密度封装(三维垂直封装)技术–硅通孔(through silicon via, TSV)技术的三维单芯片系统(three-dimensional systemon-chip, 3DSoC)、三维堆叠集成电路芯片(three-dimensional stacked integrated circuit chip, 3DSIC)，以及红外图像信号处理与系统控制等技术集成的日渐成熟，将进一步推进微小型机芯模组产品的发展。3D单芯片系统的结构如图3所示。
2.3.3. 国内技术进展
国内非制冷红外焦平面探测器的研究晚于国外美欧等发达国家，早期的研究限于跟踪国外技术的研究，以高校和科研院所为主，主要有华中科技大学、电子科技大学、昆明物理研究所(中国兵器集团211所)、西安应用光学研究所(中国兵器集团205所)、华中光电技术研究所(中船重工717所)、华北光电技术研究所(中国电科集团11所)，中科院上海技术物理所等单位。红外热成像探测器芯片作为核心技术，长期被美国、法国等少数军工企业垄断，在高端产品方面一直对我国实行严格的禁运措施。2000年之后，法国ULIS公司开始每年向我国出口少量工业级低端产品。2005年之前国内生产厂商主要以采购ULIS公司探测器芯片集成红外热像仪机芯产品为主。2008年前后，以“核高基重大专项”(国家科技重大专项“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”)的组织实施为标志，自主可控的红外热成像探测器芯片及制造工艺研究成为解决国产化重大需求的研究焦点。2011年之后突破国外技术封锁，探测器芯片核心技术自主可控的产品逐步开始量产。2019年、2020年之后，国内非制冷红外焦平面探测器及其机芯模组的主要技术指标和制造工艺水平，与国际业界知名公司的差距明显缩小，个别指标已达到甚至超过国际知名公司同类像元尺寸产品。在超大面阵规模方面，焦平面阵列规模及像元中心距指标已达到1280 × 1024/12 μm、1280 × 1024/10 μm，灵敏度(NETD)指标已达到<40 mK、<30 mK，正在跻身国际业界知名公司行列。在SWaP-C方面，已攻克晶圆级封装WLP、晶圆级光学镜头WLO、无热电冷却元件TEC-Less、红外图像信号处理ISP芯片等关键技术，微小型红外热像一体化组件/机芯模组产品的尺寸和重量也已部分达到国外同类先进产品 [2] [4] [17]。
国内生产厂商主要有：武汉高德红外股份有限公司(1999年成立)、浙江大立科技股份有限公司(2001年成立)、北方广微科技有限公司(2006年成立，中国兵器集团控股)、烟台睿创微纳技术股份有限公司(2009年成立，下属有艾睿光电等多家子公司)、杭州海康微影传感科技有限公司(2016年成立，海康威视子公司)等。据2020年国际知名市场调研和战略咨询公司法国YOLE (Yole Development)发布全球10大红外热像仪最新品牌排行，睿创微纳、高德红外、大立科技、北方广微四家公司上榜，也反映了我国非制冷红外焦平面探测器自主研发与制造水平及市场占有份额正在改变全球红外行业格局。近年来国内探测器技术进展情况列于表4，典型的微小型机芯模组产品技术参数列于表5。
Table 4. Technological progress of domestic uncooled infrared focal plane detectors
表4. 国内的非制冷红外焦平面探测器技术进展
Table 5. Technical parameters of domestic typical micro/small moduleand products of thermal imager
表5. 国内的典型微小型机芯模组产品技术参数
3. 应用
近年来随着超大面阵技术、降低SWaP-C技术的发展，非制冷红外焦平面探测器迅速在军事武器装备、工业、交通、安防监控、消费电子、医学等领域大规模推广应用 [1] [2] [3] [4] [5]。
1) 各种武器平台。在美国等西方发达国家，陆地武器(坦克、装甲车等)的夜视、单兵携带式夜视装备、飞行武器的目标导引和攻击制导与反导、舰载红外成像夜间目标识别等配置的红外焦平面探测器，大量型号产品列装部队和应用已成为现代战争重要的战术和战略手段。
2) 民用行业。非制冷红外焦平面探测器及其产品已应用到工业制造过程、电力检测、辅助车辆驾驶、24小时视频监控、灾害事故救援、节能环保、消费电子、商用视觉增强、物联网、医疗诊断、疫情防控等各个方面。
4. 结论
红外成像系统通过探测物体/目标的热辐射或红外辐射，转换形成电学视频信号，完成成像信号处理、分析与控制功能，其核心部件是红外焦平面探测器。随着非制冷红外线焦平面阵列技术日趋成熟，灵敏度显著提升，微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器以其质轻体小、功耗低、效费比/性价比高以及寿命长等特点，迅速在军用装备和民用领域大规模推广应用。非制冷红外焦平面探测器技术的未来发展，将仍围绕高性能大面阵与降低SWaP-C两条主线展开，包括小像元尺寸与超高清红外成像、机芯模组集成化与智能化，以及低功耗低成本等方面。
1) 更小的像元尺寸不仅能够提高焦平面阵列的高清分辨率，同时还可以减少光学系统尺寸，降低成像系统尺寸/重量/功耗/成本。在高端军事应用和航天领域，已有超高清红外焦平面阵列的报道。像元尺寸的减小目前已接近光学衍射极限，随着突破传统衍射极限的亚波长微纳光学(subwavelength micro-nano optics)技术进步，在保持微测辐射热计性能的同时，像元中心距从目前的10 μm水平还将会压缩到更小像元尺寸。
2) 采用晶圆级光学镜头(WLO)、像元级封装(PLP)、三维单芯片系统(3DSoC)、三维堆叠集成电路芯片(3DSIC)等新技术，以及新一代TSV三维垂直封装的三维单芯片系统技术等，将会进一步促进非制冷红外焦平面探测器朝着红外热像一体化组件/机芯模组的集成化与智能化方向发展。
3) 降低功耗是红外热像一体化组件/机芯模组的重要方面，特别是在军用便携式装备、微型导弹攻击制导等高端应用领域，以及新兴的物联网应用领域。尽管微测辐射热计型非制冷红外焦平面探测器是目前的主流商业化技术，但仍存在探测器膜悬浮、真空封装、响应慢、易受温度变化影响等问题，一般需要热电稳定器。此外，ROIC的电阻变化需要外部设置偏压来得到辐射信号的函数。这些问题阻碍了微测辐射热计的高性能和更低的功耗。无快门(shutter-less)技术结合无热电冷却元件(TEC-less)将是进一步降低机芯模组系统功耗和压缩体积的研究方向。
基金项目
国家自然科学基金项目(No. 51979085)。