量子式紅外檢測技術及應用

紅外輻射，也稱為紅外光或紅外IR，是一種波長范圍為780nm～1mm，界于可見光和微波之間的電磁輻射。由英國天文學家威廉姆?赫胥爾（William Herschel）在1800年研究太陽光譜熱效應時發現。

紅外檢測技術及其分類

紅外檢測技術是指利用被測對象自身的紅外輻射量（即被動式）或對紅外輻射的吸收、反射或散射性能（即主動式）來檢測相關物理量或化學成分含量大小的技術。紅外檢測具有遠距離和非接觸測量、寬測量范圍、高靈敏度、高穩定性、快速響應、好的重復性和較強的抗干擾性等特點。盡管紅外檢測儀表設備造價通常較高，但由于其在氣體成分分析、火焰或溫度監視、無損探傷、設備狀態監測、半導體檢查、視覺系統、環境監測等方面較之常規檢測儀表設備的優勢，使其在工業生產、科學研究、醫療、軍事、航天、氣象等領域都有著廣泛的應用。

圖1：典型量子式紅外檢測材料-波段對應示意圖

紅外檢測技術按工作機理不同可細分為熱式和量子式（也稱光子式）兩大類。熱式是基于紅外輻射的熱效應而工作，即紅外熱輻射使敏感元件因接收輻射能而溫度升高后，傳感器中某一依賴于溫度的量值發生變化，監測該量值的變化即可檢測相應的紅外輻射能大小。熱式具有光敏性不受波長影響，成本相對較低，響應時間相對較長、靈敏度相對較低等特點。量子式是基于紅外輻射的光子效應而工作，其工作原理為入射紅外光的光子流與傳感器敏感元件材料中的電子相互作用，從而改變電子的能量狀態，利用由此引發的各種電學現象來實現測量。量子式通常具有響應時間短、靈敏度高、檢測波段較窄、大多需冷卻工作等特點。

典型量子式紅外檢測技術特點及應用

紅外檢測儀表工作波段一般按大氣窗口可分為SWIR短紅外波段（約0.78 ～3 ）、MWIR中紅外波段（3 ～5 ）、LWIR長紅外波段（8 ～12 ）、VLWIR甚長紅外波段（12 ～30 ）等使用波段。

典型的量子式紅外檢測材料有MCT、I nSb、InGaAs、QWIP等，與紅外工作波段的對應關系見圖1。

MCT類

MCT(碲鎘汞或HgCdTe）合金是一種高性能、多用途的三元化合物光電導材料，問世于1959年。鑒于其帶隙可調諧性，MCT應用頻譜可覆蓋整個IR范圍，可作為SWIR、MWIR、LWIR、VLWIR等類別紅外傳感器而使用，應用自由度或靈活度最高。利用其良好的重組機制和高量子效率，MCT合金從短紅外波段至甚長紅外波段都具有極好的檢測性能。MCT具有以下四個重要特征：

● 極其小的晶格常數與成分變化，易于制成高質量的層，形成可靠的異質結構。

● 覆蓋1 ～30 波長范圍的能量帶隙。

● 光學系數大，量子效率高；

● 具有良好的本質重組機制，可支持高的工作溫度。

由于MCT具有以上優良特征，使其生命之樹常青。其不僅作為第三代IR探測器（更小的像元間距、更高的運行溫度、多色及高清格式）的主流，而且與雪崩二極管和非本征二極管一起，國外有的科研機構正準備將其用于150KIR檢測以上的第四代IR探測器研發中。

InGaAs類

InGaAs（砷化銦鎵）是一種常用光敏材料，問世于20世紀80年代中期，初期主要用作遠程通信的元器件。在眾多半導體材料中，InGaAs是極佳的SWIR紅外檢測所需材料，用其制成的SWIR紅外檢測儀適用于自然（太陽、夜光、熱輻射）或人工（激光、LED）光子場合測量，常用于國防和安防（夜視儀、主動成像儀）、宇宙空間探索（地球、火星觀察）、交通運輸（車輛安全）或工業（非侵入式過程檢測或探傷）領域。例如，歐洲于2017年3月7日發射的用于哥白尼項目的ESA Sentinel-2b地球觀察衛星上就搭載了12臺SOFRAD IR生產的SWIR紅外探測儀，用于實現地球森林、農業、海洋和大氣環境的監察。

圖2：1280SCICAM紅外成像儀

InGaAs量子檢測器基于帶-帶吸收工作機理，可在SWIR頻譜0.9 ～1.7 范圍內檢測，其檢測下限也可低至0.4 。通常，在InP基板上采用異質結構，并與晶格相匹配，以優化暗電流、量子效率和調制等性能。InGaAs是極佳的SWIR紅外檢測所需材料，可實現不需冷卻的紅外檢測，工作波段為SWIR，具有低的大氣吸收率，高的測量靈敏度，故其生產量和用量較大。

圖2為美國普林斯頓紅外技術公司生產的InGaAs 類1280SCICAM紅外成像儀，獲得2016年度世界視覺系統設計創新金獎。其分辨率達1280X1024，像元點距為12μm，三級設定溫度（25℃無冷卻，0℃風扇冷卻，-60℃水冷），在1280X024下可達＞95fps及14bit的高幀頻，響應頻譜范圍為0.9 ～1.7 ，在1 ～1.6 內量子效率＞75%，低讀噪聲＜40e-，集成時間范圍可達50 ～＞5 ，高動態范圍＞3000:1，可采用F-和C-口鏡頭。

InSb類

InSb（銻化銦）是一種常用的光電導材料，問世于20世紀50年代中期。InSb材料極其穩定，在MWIR頻譜中具有較高的量子效率，易于標準平面加工處理，易于制成焦平面陣列。從20世紀50年代晚期開始，世界上開始大量研制用InSb材料制成的MWIR焦平面陣列。從第一代（簡單的光電二極管）開始直到第三代（大規模矩陣）紅外探測技術，基于InSb光伏或光電技術的的MWIR紅外探測器均已大量在民用或軍用熱成像系統中得以應用。

基于InSb技術的MWIR紅外測量儀工作穩定，圖像格式較大，性能較佳，具有以下顯著優點：

● 在非常大的格式范圍內均具有極高的均勻性；

● 在高性能工作區段內具有極高的增益穩定性；

● 極高的可工作性，低的NETD（噪聲等效溫差）；

● 易于集成，易于加工制造。

QWIP類

QWIP（量子阱紅外光電探測）檢測是由異種半導體材料（如GaAs/AlGaAs）薄層（幾納米厚的薄層）交替構成超晶格量子阱，并利用光激發載流子在量子阱子帶間的共振躍遷原理而工作，屬窄帶、光導探測器類型，問世于20世紀80年代末。與其他紅外測量技術相比，QWIP具備極高的可工作性（＞99.9%）、響應速度快、成像質量高、均勻性好、易制成雙色及多色大面陣陣列、制造成本低等優點，在LWIR段是MCT強有力的競爭者，屬高度穩定的技術，因而是第三代紅外焦平面的主流技術之一。

國際上常采用GaAs 基材，利用成熟的制造工藝，以保證大平面上（直徑>150 mm)的極佳均質性和2D陣列探測儀格式的高度可工作性。具有以下特點：

● 屬主流載流子基器件，不需表面鈍化等處理以控制暗電流值；

● 無低頻噪聲，具有極其穩定的成像品質，可簡化系統設計；

● 基于帶隙技術，可實現頻譜靈敏度的可調（4 ～20 ），便于窄帶或寬帶檢測儀的設計；

● 高的熱穩定性；

● 由于高的GaAs帶隙，具有好的輻射耐久性。

圖3為美國FLIR生產的QWIR式GF306紅外氣體成分檢測成像儀，可檢測六氟化硫 （SF6）、氨氣（NH3）、乙酰氯、醋酸氣等頻譜吸收范圍在10.3～10.7 內的氣體。在電力行業中主要用于電氣高壓設備或SCR脫硝系統SF6和氨氣的泄漏點檢測。 其性能指標為：焦平面陣列（FPA）采用斯特林制冷器制冷式QWIP探測器，檢測波長范圍為10.3～10.7 ，分辨率為320 x 240像素，NETD為在+30°C時 <15 mK，準確度為在0℃~100℃內為±1℃， 100℃以上為溫度示值的±2%。

圖3 FLIR-GF306紅外氣體成分檢測成像儀

發展趨勢

隨著微電子、信號處理、智能技術的進步，量子式紅外檢測產品正在向微型化、低功耗、高性能、智能化方面發展，從而使得紅外傳感器的穩定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提升。量子式紅外檢測技術發展趨勢主要表現在：減小像元間距，增加像元密度；采用新型材料和處理技術，提高像元靈敏度；利用MEMS微機電系統和NEMS納機電系統等加工技術，使傳感器微型化；圖4所示為德國Hertzstück公司開發的硫化鉛紅外傳感器，采用薄膜封裝方法實現更少空間內的自動放置和精確對準，其尺寸僅為3mmX3mm，可直接線焊到印刷電路板上，通過采用COB（板上芯片）技術可使集成后的設備變得更小、更靈活、更高效。提高工作溫度，大幅減少功耗；提高分辨力；增加新的成像功能（如主動式、雙波段成像等）；增加自診斷、自適應、自學習、自補償等智能功能。

圖4： 德國Hertzstück紅外傳感器（可粘合裸板）

據最新報道，DARPA（美國國防高級研究計劃署）于2016年下半年已確定計劃在3年半的時間內資助“中佛羅里達大學”研發團隊130萬美元，用于開發下一代紅外檢測儀，以便于夜視、氣象和空間探索之用途。該團隊計劃采用神奇的石墨烯材料，使其可吸收紅外波段內的光譜，并制成可調諧、用于整個紅外波段的，小型、便攜式，不需加裝冷卻裝置，且高分辨率圖像的新一代紅外檢測儀。因此，我國也應把握紅外檢測科技前沿的發展態勢，超前規劃布局，加強投入，以盡早掌握第四代紅外檢測科技競爭的戰略主動。