新闻
热探测器和光子探测器
红外探测器是红外系统的核心，是探测、识别和分析物体红外信息的关键部件。据具体的需求和应用，红外探测器会有不同的分类方式来强调某一方面的特性。根据能量转换方式，红外探测器可以分为热探测器和光子探测器两大类；根据工作温度和制冷需求，分为制冷红外探测器和非制冷红外探测器。
热探测器的工作机理就是基于入射辐射的热效应引起探测器材料温度变化。探测器材料某些物理性质会随着温度变化发生改变，通过测量这些物理性质的变化就可以测出材料吸收辐射的大小。热探测器利用的热效应，热吸收与入射辐射的波长无关，热敏单元的温度变化较慢，室温环境下就可以观测到热敏单元的温度变化。
光子探测器是基于入射光子流与探测器材料的相互作用产生光电效应。探测器通过测量光电效应的大小可以计算得到吸收辐射的大小。光电效应是半导体中电子吸收光子而产生的效应，通常情况下，必须将半导体冷却到较低温度才能够观测到光电效应。同时，入射光子能量要大于一定值时才能产生光电效应，所以光子探测器具有截止波长。
单元数日益增加，红外焦平面探测器已是主流
对于一个红外敏感单元，即单元红外探测器，在其他条件不变的情况下，减少单元探测器的敏感元面积，可以提高单元探测器的信噪比。但是如果要求红外系统既要有足够大的视场、又保证足够高的信噪比，单元探测器组成的红外系统则无法同时满足，需要发展多元探测器阵列组成的红外系统。
早期的多元探测器阵列属于分立元件组装形式，一般元数都在200元以下。为了保证低温工作环境，探测器芯片需要封装在高真空的杜瓦瓶中，每个探测单元的光电信号，最少有两条信号引出线。如果探测器元件增多，信号引出线也相应增加，将会使得加工难度增加。同时每一个引线都需要配备一个低噪声前置放大器，功耗较大，因此使用非常不便。
红外焦平面阵列器材利用微电子工艺集成电路技术，集红外探测器和信号处理电路与一体。实现了几千个甚至几百万个高密度的多元探测器阵列，同时完成光电转换和信号处理。红外焦平面阵列优化了红外系统的结构、减小了系统的体积、降低封装难度并降低了系统的功耗，迅速取代分立组装元件成为红外探测器的主流。
按照成像的应用方式划分，焦平面红外探测器可以分为扫描式和凝视式两种。当焦平面的光敏元数目较少，一般成线阵排列，为了满足红外系统总视野的要求，必须借助光机在水平和垂直两个方向扫描成像，被称为扫描型焦平面探测器。如果焦平面探测器两个方向的光敏元数目都可以满足视场要求，无需光机扫描，目标空间完全投影在焦平面范围内，即焦平面“凝视”整个视场，被称为凝视型焦平面探测器。目前市面主流产品都是凝视型焦平面，扫描型焦平面在一些特殊应用方面仍有市场需求。
由于红外焦平面主要有探测器阵列和读出集成电路构成，而两部分对材料的要求是有所不同的。红外敏感元部分主要着眼于材料的红外光谱响应，而信号处理部分是从有利于电荷存储与转移的角度考虑的。目前没有一种能同时很好的满足两者要求的材料，从而导致了红外焦平面结构的多样性，分为单片式和混合式两种。
单片式焦平面将探测器阵列与信号处理和读出电路集成在同一芯片上，在同一芯片上完成所有这些功能。混合式焦平面探测器将红外探测器阵列和信息处理电路两部分分别制作，通过镶嵌技术把二者互连在一起。目前最常用的是倒装式混合结构，采用铟柱倒焊技术的互连方法，探测器阵列和硅多路传输器这两个芯片通过的铟柱对接，将探测器阵列的每个探测元与多路传输器一对一地对准配接起来。另外一种比较常用的是环孔型结构，探测器芯片和多路传输器芯片胶接在一起，通过离子注入在芯片上制作光子探测器，用离子铣穿孔形成环孔，再通过环孔淀积金属使探测器与多路传输器电路互连，形成混合式结构。环孔互联比倒装焊有更好的机械稳定性和热特性。
阵列规模、NETD、像元间距是红外探测器的核心指标
红外探测器的性能参数主要有响应度、噪声等效功率、探测率、比探测率、光谱响应特征、响应时间、响应频率、噪声等，其中最重要的是阵列规模、NETD、像元间距。
响应率：描述红外光电探测器接受的入射红外信号与输出的电信号之间的对应关系。红外探测器的响应率定义为单位辐射功率人射到探测器上转换为电信号的能力。响应率越大说明探测器对入射红外辐射信号的响应程度越强烈，但是这并不能说明该探测器的探测能力或是灵敏度就越高。
响应时间：由于红外探测器存在惰性，因此对红外辐射的响应存在一定的滞后。当以恒定的辐照强度照射探测时，探测器的输出信号从零开始逐渐上升，经过一段时间后才可以达到稳定值。响应时间的物理意义是：当探测器受到红外照射时，输出信号上升到稳定值63%所需要的时间。响应时间越短，响应越快，该指标直接影响系统设计中的帧频。当帧频对应的时间小于响应时间，新的信号还不能达到预定的稳定输出值，上一帧的信号还没有释放完，因此不能得到准确清晰的图像。帧率是制冷型探测器和非制冷型探测器性能的主要差别之一，制冷型探测器的帧频更高。
噪声：红外系统的探测性能受到其噪声的限制，噪声的大小决定了红外探测器性能的极限。红外焦平面探测器的噪声包括瞬态噪声和空间噪声。瞬态噪声指的主要是器件本身的噪声，如光子噪声、暗电流噪声、以及读出电路的噪声等；空间噪声是由于红外焦平面阵列各个像元的响应特征不一致造成的。
噪声等效功率NEP：描述测器探测辐射的能力的下限。由于噪声存在，当辐射小到它在探测器上产生的信号完全被探测器噪声所淹没时，探测器就无法检测辐射信号。当探测器输出信号等于探测器噪声时，入射到探测器上的辐射功率定义为噪声等效功率。在设计系统时通常要求最低可探测功率（灵敏度）数倍于噪声等效功率，以保证系统有较高的探测概率和较低的虚警率。
比探测率D*：探测率D是噪声等效功率NEP的倒数，用来表示辐照在探测器上单位辐射功率所获得的信噪比。但探测率与探测器的面积和噪声带宽有关，所以引入了比探测率D*这一个标准化参数来度量探测器的性能。表示当探测器的敏感元有单位面积、放大器测量带宽为1Hz时，单位辐射功率所能获得的信号噪声比。比探测率越大，探测器的探测能力越强，所以在对探测器性能进行比较时，用比探测率较为合适。
噪声等效温差NETD：噪声等效温差是度量焦平面器件温度分辨能力能力的参数，定义为器件的输入信号等于噪声时，入射辐射目标的温度变化。又称为红外热成像的热灵敏度，决定了热像仪区分细微温差的能力。NETD越小，表示器件的灵敏度越高。例如：某红外探测器在室温下的热灵敏度为50mK，表示被测物表面温度发生0.05℃的变化时，或者表面存在0.05℃以上的不均匀时，就可以被红外热像仪的探测器所感应到。
盲元率：盲元率是评价一款焦平面阵列均匀程度的最直观的指标。由于制造材料、工艺等因素的影响（如材料的不均匀性、掩膜误差、缺陷等），在红外焦平面阵列器件中存在不可避免的非均匀性，响应度小于焦平面器件平均响应度1/2的像元为死像元，或盲元，像元噪声大于平均噪声的2倍则为过热盲元。盲元占总像元数的百分比为盲元率。盲元的数量和分布对于红外图像的信噪比和图像质量产生很大影响，如果盲元过多或分布过于集中，则红外图像上将出现大量的或者过于集中的坏点。
像元尺寸：描述单个成像单元的尺寸大小。在红外成像系统应用中，像元尺寸的减小，可以使得每个晶片上制造更大规模的焦平面阵列，对整机系统的大小、重量和价格大有好处。但是由于NETD反比于像元面积，因此如果像元尺寸由50×50μm减小至17×17μm，而其他各项参数保持不变的情况下，NETD就会增大约9倍，这是由于像元尺寸的减小，将使得像元面积接受红外能量减小，温度提升降低，导致灵敏度降低。
“版权归属原作者黎韬扬，如有问题，烦请联系删除。”
