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紅外傳感器原理與應(yīng)用
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紅外傳感器原理與應(yīng)用 版權(quán)信息
- ISBN：9787030749574
- 條形碼：9787030749574 ; 978-7-03-074957-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
紅外傳感器原理與應(yīng)用 本書特色
從工作原理到工作特性，從設(shè)計(jì)要點(diǎn)到實(shí)際應(yīng)用，深度解析紅外傳感技術(shù)
紅外傳感器原理與應(yīng)用 內(nèi)容簡介
本書主要介紹非制冷IRFPA的基礎(chǔ)知識(shí)和**技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例，內(nèi)容包括熱型紅外探測(cè)器和非制冷IRFPA的性能極限，鐵電體、電阻測(cè)輻射熱計(jì)、熱電、二極管、雙材料、熱光等和非制冷IRFPA相關(guān)的技術(shù)與**動(dòng)向，真空封裝技術(shù)，以及搭載了非制冷IRFPA的紅外相機(jī)的技術(shù)和應(yīng)用。
紅外傳感器原理與應(yīng)用 目錄
目錄
第1章 緒論 1
第2章 紅外探測(cè)器的分類和非制冷IRFPA開發(fā)的變遷 5
2.1 紅外探測(cè)器的分類 7
2.2 非制冷IRFPA開發(fā)的歷史 10
第3章 非制冷IRFPA的基礎(chǔ) 17
3.1 熱型紅外探測(cè)器的動(dòng)作 19
3.2 非制冷IRFPA的構(gòu)成和動(dòng)作 19
3.3 紅外成像 20
3.4 IRFPA的性能指標(biāo) 24
3.5 非制冷IRFPA的設(shè)計(jì) 27
3.5.1 決定響應(yīng)度的主要因素 27
3.5.2 溫度傳感器 27
3.5.3 熱設(shè)計(jì) 28
3.5.4 紅外線吸收 37
3.6 理論極限 44
3.6.1 像素間距 44
3.6.2 NETD 47
第4章 鐵電IRFPA 51
4.1 鐵電紅外探測(cè)器的動(dòng)作 53
4.2 混合鐵電IRFPA 55
4.3 鐵電薄膜單片式IRFPA 58
第5章 電阻測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA 63
5.1 電阻測(cè)輻射熱計(jì)紅外探測(cè)器的動(dòng)作 65
5.2 VOx微測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA 67
5.3 采用其他材料的電阻測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA 71
5.4 電阻測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA的像素間距縮小和高分辨率化 76
5.5 中紅外范圍內(nèi)具有響應(yīng)度的非制冷IRFPA 80
第6章 熱電IRFPA 83
6.1 熱電紅外探測(cè)器的動(dòng)作 85
6.2 熱電堆IRFPA 87
第7章 二極管IRFPA 95
7.1 二極管紅外探測(cè)器的動(dòng)作 97
7.2 硅二極管IRFPA 98
第8章 雙材料型和熱光型IRFPA 107
第9章 非制冷IRFPA的真空封裝技術(shù) 113
9.1 真空封裝的必要性 115
9.2 初期的真空封裝技術(shù) 117
9.3 低成本化的改善 118
9.3.1 晶圓級(jí)真空封裝 118
9.3.2 芯片級(jí)真空封裝 122
9.3.3 批量處理式真空封裝 122
9.3.4 像元級(jí)真空封裝 124
9.4 微型真空計(jì) 126
第10章 非制冷紅外相機(jī)及應(yīng)用 129
10.1 非制冷紅外相機(jī)的構(gòu)成及應(yīng)用 131
10.1.1 整體構(gòu)成 131
10.1.2 光學(xué)系統(tǒng) 132
10.1.3 校正 133
10.1.4 溫度校正 138
10.2 暗視覺應(yīng)用 140
10.3 溫度測(cè)量應(yīng)用 143
10.4 其他應(yīng)用 145
參考文獻(xiàn) 149
附錄 157
跋 165
第1章 緒論 1
第2章 紅外探測(cè)器的分類和非制冷IRFPA開發(fā)的變遷 5
2.1 紅外探測(cè)器的分類 7
2.2 非制冷IRFPA開發(fā)的歷史 10
第3章 非制冷IRFPA的基礎(chǔ) 17
3.1 熱型紅外探測(cè)器的動(dòng)作 19
3.2 非制冷IRFPA的構(gòu)成和動(dòng)作 19
3.3 紅外成像 20
3.4 IRFPA的性能指標(biāo) 24
3.5 非制冷IRFPA的設(shè)計(jì) 27
3.5.1 決定響應(yīng)度的主要因素 27
3.5.2 溫度傳感器 27
3.5.3 熱設(shè)計(jì) 28
3.5.4 紅外線吸收 37
3.6 理論極限 44
3.6.1 像素間距 44
3.6.2 NETD 47
第4章 鐵電IRFPA 51
4.1 鐵電紅外探測(cè)器的動(dòng)作 53
4.2 混合鐵電IRFPA 55
4.3 鐵電薄膜單片式IRFPA 58
第5章 電阻測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA 63
5.1 電阻測(cè)輻射熱計(jì)紅外探測(cè)器的動(dòng)作 65
5.2 VOx微測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA 67
5.3 采用其他材料的電阻測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA 71
5.4 電阻測(cè)輻射熱計(jì)IRFPA的像素間距縮小和高分辨率化 76
5.5 中紅外范圍內(nèi)具有響應(yīng)度的非制冷IRFPA 80
第6章 熱電IRFPA 83
6.1 熱電紅外探測(cè)器的動(dòng)作 85
6.2 熱電堆IRFPA 87
第7章 二極管IRFPA 95
7.1 二極管紅外探測(cè)器的動(dòng)作 97
7.2 硅二極管IRFPA 98
第8章 雙材料型和熱光型IRFPA 107
第9章 非制冷IRFPA的真空封裝技術(shù) 113
9.1 真空封裝的必要性 115
9.2 初期的真空封裝技術(shù) 117
9.3 低成本化的改善 118
9.3.1 晶圓級(jí)真空封裝 118
9.3.2 芯片級(jí)真空封裝 122
9.3.3 批量處理式真空封裝 122
9.3.4 像元級(jí)真空封裝 124
9.4 微型真空計(jì) 126
第10章 非制冷紅外相機(jī)及應(yīng)用 129
10.1 非制冷紅外相機(jī)的構(gòu)成及應(yīng)用 131
10.1.1 整體構(gòu)成 131
10.1.2 光學(xué)系統(tǒng) 132
10.1.3 校正 133
10.1.4 溫度校正 138
10.2 暗視覺應(yīng)用 140
10.3 溫度測(cè)量應(yīng)用 143
10.4 其他應(yīng)用 145
參考文獻(xiàn) 149
附錄 157
跋 165
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紅外傳感器原理與應(yīng)用 節(jié)選
第2章紅外探測(cè)器的分類和非制冷IRFPA開發(fā)的變遷 2.1紅外探測(cè)器的分類 紅外探測(cè)器的分類 紅外探測(cè)器的歷史是從1800年由Herschel發(fā)現(xiàn)紅外線[5]開始的。在他的實(shí)驗(yàn)里，使用了利用液體熱膨脹的玻璃溫度計(jì)檢測(cè)紅外線。自紅外線發(fā)現(xiàn)以來，至今巳開發(fā)了各種各樣的紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)器大體分為熱型和量子型兩種，根據(jù)各種觀點(diǎn)可以進(jìn)一步細(xì)分。圖2.1展示的是用于IRFPA的紅外探測(cè)器的分類示例。 圖2.1紅外探測(cè)器的分類 熱型紅外探測(cè)器是通過檢測(cè)吸收了紅外線后發(fā)生變化的傳感器的溫度來探測(cè)紅外線的。這種紅外探測(cè)器如圖2.1所示，一般是按照使用的溫度傳感器的種類進(jìn)行分類的，例如，鐵電探測(cè)器（ferroelectric detector)、電阻測(cè)輔射熱計(jì)(resistance bolometer)、熱釋電探測(cè)器（pyroelectric detector)、二極管探測(cè)器（diode detector)等。只要熱型紅外探測(cè)器的溫度傳感器具有溫度依賴性，無論使用哪種都可以。 自從Herschel發(fā)現(xiàn)紅外線后，*先開發(fā)出來的熱型紅外探測(cè)器采用的是熱電偶溫度傳感器。熱電偶溫度傳感器在電氣連接兩個(gè)不同導(dǎo)體時(shí)，根據(jù)出現(xiàn)的塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect)檢測(cè)溫度差[2]。熱電偶（thermocouple)不僅是在紅外探測(cè)器中，在接觸型溫度傳感器中也被廣泛使用。紅外探測(cè)器一般使用將熱電偶串聯(lián)的熱電堆（thermopile)來提高靈敏度。 1881年Langley制作了鉑電阻測(cè)輻射熱計(jì)m。金屬具有正的電阻溫度系數(shù)(temperature coefficient of resistance，TCR)，隨著溫度上升電阻增大。金屬的正TCR，反映了高溫下載流子的散射概率增加的特性。半導(dǎo)體和金屬一樣，也可以用作電阻測(cè)輻射熱計(jì)。半導(dǎo)體與金屬不同，具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)。半導(dǎo)體的TCR為負(fù)，是因?yàn)榘雽?dǎo)體的電阻是由載流子數(shù)和移動(dòng)度決定的。一般，半導(dǎo)體電阻測(cè)輻射熱計(jì)的TCR比金屬的TCR要大10倍，大多數(shù)的非制冷IRFPA使用的是半導(dǎo)體電阻測(cè)輻射熱計(jì)。至此研究開發(fā)了各種材料的電阻測(cè)輻射熱計(jì)。 熱釋電探測(cè)器和介質(zhì)輻射熱計(jì)是用鐵電材料制成的。熱釋電效應(yīng)以前就有所了解，但對(duì)于該效應(yīng)的原理性理解是進(jìn)人19世紀(jì)以后[4]。熱釋電紅外探測(cè)器利用自發(fā)極化的溫度依賴性檢測(cè)溫度變化，這種方式的單像素紅外傳感器得到了廣泛普及。通過測(cè)量以熱釋電材料作為絕緣體的電容的充放電電流，檢測(cè)自發(fā)極化的變化。Hanel發(fā)現(xiàn)鐵電材料的介電常數(shù)在居里溫度附近展現(xiàn)出明顯的溫度依賴性，提出了一種利用鐵電材料的介電常數(shù)的溫度依賴性的溫度傳感器一介質(zhì)輻射熱計(jì)[4]。 二極管的電流-電壓特性的溫度依賴性可以用于溫度傳感器。二極管可以通過Si大規(guī)模集成（large scale integration，LSI)技術(shù)制造，容易集成化。有些小組關(guān)注到這一特點(diǎn)，考慮到Si二極管適用于非制冷IRFPA的溫度傳感器，正在推進(jìn)二極管非制冷IRFPA的開發(fā)[6]。 熱型紅外探測(cè)器有著在室溫下可以工作的特點(diǎn)，而20世紀(jì)90年代前期研究開發(fā)的中心主題是在低溫下工作的量子型紅外探測(cè)器，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的紅外攝像裝置采用的是單像素探測(cè)器的機(jī)械掃描系統(tǒng)，機(jī)械掃描系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)熱型紅外探測(cè)器所要求的靈敏度和響應(yīng)速度。 量子型紅外探測(cè)器是由人射光子激發(fā)半導(dǎo)體材料中的電子（或者空穴），改變能量分布。能量分布的變化會(huì)引起電阻變化或超越能障的載流子的流動(dòng)，通過這種變化探測(cè)出紅外線。從原理上來看，量子型紅外探測(cè)器靈敏度高、工作速度快。 作為量子型紅外探測(cè)器材料，初期研究開發(fā)的半導(dǎo)體材料是鉛的硫族化合物(PbS、PbSe、PbTe)⑴。這類半導(dǎo)體材料是利用了帶間躍遷的本征型材料，主要用于單像素光敏器件。20世紀(jì)50年代，單晶InSb被用作本征型量子型紅外探測(cè)器材料。由于InSb在77K時(shí)帶隙能量為0.23eV，截止波長為5.5pm，所以MWIR波長范圍的紅外探測(cè)是可行的。進(jìn)人20世紀(jì)60年代，InSb的結(jié)晶品質(zhì)得到改善，有助于InSb紅外探測(cè)器的性能提高。 2.1紅外探測(cè)器的分類 本征紅外探測(cè)器用的半導(dǎo)體材料中*重要的是HgCdTe，是Lawson等在1959年提出將它應(yīng)用到紅外探測(cè)上的 。這種材料的帶隙能量可以通過改變組成來調(diào)整，使用HgCdTe可以制備波長在2^m到14_(*近更是擴(kuò)大到長波長了）間任意截止波長的探測(cè)器。20世紀(jì)70年代后期到80年代，為了實(shí)現(xiàn)大型的IRFPA，開發(fā)出了耗電少、能夠以高注人效率與信號(hào)讀出電路（readout integrated circuit，ROIC)連接的高阻抗的HgCdTe光電探測(cè)器。 通過Si或Ge雜質(zhì)態(tài)的電子（或空穴）激發(fā)探測(cè)紅外線的非本征型光敏紅外探測(cè)器是量子型紅外探測(cè)器，即便在長波長區(qū)域也極具靈敏度。有報(bào)告指出，加壓的鎵摻鍺非本征型光敏器件在200pm波長區(qū)域具有靈敏度m。20世紀(jì)50年代初期，開發(fā)了采用非本征型摻汞鍺線性探測(cè)器陣列的LWIR攝像裝置[7]。非本征型硅紅外探測(cè)器的制造工藝與SiLSI工藝存在兼容性，可以高集成化，但因工作溫度低，目前應(yīng)用領(lǐng)域僅限于天文觀測(cè)等。 Noble在1968年提出了金屬氧化物半導(dǎo)體（metal oxide semiconductor，MOS)X-Y成像陣列[9]，在1970年Boyle和Smith發(fā)明了電荷耦合器件（charge-coupled device，CCD)[1°]。和可視光域一樣，這些發(fā)明在紅外線領(lǐng)域與二維凝視型圖像傳感器的開發(fā)相關(guān)聯(lián)。采用了HgCdTe光電型探測(cè)器的二維凝視型IRFPA，被用在防衛(wèi)用紅外攝像系統(tǒng)等方面。 凝視型圖像傳感器可以長時(shí)間積蓄信號(hào)電荷，對(duì)紅外探測(cè)器的靈敏度和響應(yīng)速度的要求有所放寬，實(shí)現(xiàn)其高集成化和高均一性成為重要課題。因?yàn)榈孛婕t外攝像是高清背景攝像，所以二維IRFPA開發(fā)之初，紅外攝像裝置的重要性能指標(biāo)--噪聲等效溫差（noise equivalent temperature difference，NETD)是由IRFPA的不均一性決定的。 通過這種狀況變化，低量子效率、高均一性的Si光電子發(fā)射探測(cè)器受到了關(guān)注。肖特基勢(shì)壘和異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的光電子發(fā)射探測(cè)器是通過勢(shì)壘分離載流子的能量來探測(cè)紅外線的。PtSi肖特基勢(shì)壘IRFPA是由SiLSI兼容性工藝制造的單片式結(jié)構(gòu)器件。自20世紀(jì)80年代起的10多年間，PtSi肖特基勢(shì)壘IRFPA維持了*高集成度。*初的具有電視分辨率的IRFPA[11]和*初的百萬像素IRFPA[12]，都是由PtSi肖特基勢(shì)壘技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。 量子結(jié)構(gòu)紅外探測(cè)器（quantumstructure infrared photodetector，QSIP)屬于量子型中比較新型的探測(cè)器，包括量子阱紅外光電探測(cè)器（quantum well infrared photodetector，QWIP)[7]、量子點(diǎn)紅外光電探測(cè)器（quantum dot infrared photodetector，QDIP)[13]、n類應(yīng)力層超晶格（Type-nstrainedlayersuperlattice，Type-ESLS)[7]等。QWIP的光探測(cè)裝置是以量子阱內(nèi)的帶間躍遷為基礎(chǔ)的。以GaAs為基礎(chǔ)的QWIP，因使用了化合物半導(dǎo)體中完成度*高的工藝技能，在20世紀(jì)90年代有了顯著的進(jìn)步。與HgCdTe相比，QWIP的量子效率和工作溫度低，但在高集成化及多波長化方面具有優(yōu)勢(shì)。QDIP通過將QWIP的一維載流子限域變?yōu)槿S限域，使垂直人射成為可能，可以實(shí)現(xiàn)比QWIP更高的工作溫度和量子效率。Type-E超晶格是通過超晶格形成的帶間躍遷探測(cè)紅外線的探測(cè)器，在工作溫度和量子效率方面是唯一能夠與HgCdTe競(jìng)爭的技術(shù)，開發(fā)變得活泛起來。 2.2非制冷丨RFPA開發(fā)的歷史 如第1章所述，由熱型紅外探測(cè)器集聚而成的IRFPA稱為非制冷IRFPA。與之相對(duì)，量子型IRFPA稱為制冷型IRFPA。20世紀(jì)90年代初，IRFPA指的是量子型，所以制冷型IRFPA這個(gè)詞基本沒有被使用過。1992年發(fā)表了鈦酸鋇鍶（BST)鐵電非制冷IRFPA[14]和氧化釩（VOx)電阻測(cè)輻射熱計(jì)非制冷IRFPA[15]，
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