1非制冷打敗了制冷 并分成三大技術模塊
非制冷紅外焦平面的陶瓷管殼封裝
紅外焦平面探測器是熱成像系統的核心部件，是探測、識別和分析物體紅外信息的關鍵，探測器的性能直接決定了熱成像系統的最終性能。
紅外焦平面探測器可分為制冷型和非制冷型兩大類。
制冷型紅外焦平面探測器的優勢在于靈敏度高，能夠分辨更細微的溫度差別，探測距離遠，但是其結構復雜且成本高昂，主要應用于高端軍事裝備；
非制冷紅外焦平面探測器無需制冷裝置，能夠在室溫狀態下工作，具有啟動快、功耗低、體積小、重量輕、壽命長、成本低等諸多優點。
非制冷紅外焦平面探測器雖然在靈敏度上與制冷器件有一定差距，但經過近十余年的發展，其在性價比上已經明顯優于制冷型探測器，具有更加廣闊的應用前景。
其中，微測輻射熱計的技術路線戰勝了熱電堆/熱電偶、鐵電等其他類型，使其成為非制冷紅外焦平面探測器的主流技術方向，并幾乎占據了該領域的全部市場份額。
非制冷紅外焦平面探測器從技術上可分為微測輻射熱計、讀出電路、真空封裝等三大模塊，這三大模塊既有一定的獨立性又相互影響，共同推動非制冷探測器的技術發展。
目前國內外相關研究機構和生產廠商都是圍繞著這三大技術模塊進行技術開發，在各個模塊上各有側重，形成了具有不同技術特點的非制冷探測器產品。
微測輻射熱計
微測輻射熱計像元結構示意圖
上圖為單個微測輻射熱計的結構示意圖，在硅襯底上通過MEMS技術生長出與橋面結構非常相似的像元，故而也稱之為微橋。橋面通常由多層材料組成，包括用于吸收紅外輻射能量的吸收層，和將溫度變化轉換成電壓（或電流）變化的熱敏層。橋臂和橋墩起到支撐橋面，并實現電連接的作用。
熱敏層材料的選取對于微測輻射熱計的靈敏度（NETD）有非常大的影響，目前最為常用的熱敏材料包括氧化釩（VOx）和多晶硅（a-Si）兩類，相應的非制冷紅外焦平面探測器也據此分成了兩大技術陣營。
20世紀80年代末，美國的Honeywell公司在軍方資助下率先研制出非制冷氧化釩微測輻射熱計。多晶硅技術起步大約晚了十年，法國原子能委員會與信息技術實驗室/紅外實驗室（CEA2LETI/LIR）從20世紀90年代初開始研究多晶硅薄膜，大約用了十年時間推出了多晶硅探測器產品。
氧化釩由于其更加突出的綜合性能而成為非制冷紅外焦平面探測器的主流技術路線，截至目前在全球市場上占據了超過80%的份額，多晶硅材料探測器所占市場份額還不到20%。
讀出電路
非制冷紅外焦平面探測器的讀出電路將每個微測輻射熱計的微小電阻變化以電信號的方式輸出。由于微測輻射熱計對于其襯底溫度的變化非常敏感，所以一開始必須使用熱電溫控器（TEC）來保持非制冷探測器的焦平面溫度穩定。
近年來隨著讀出電路設計水平的提高，一些抑制像元輸出信號隨溫度漂移的補償電路也逐漸加入讀出電路設計中，從而可以實現無TEC應用，使得非制冷紅外焦平面探測器在功耗、體積、成本等方面更具備優勢。
真空封裝技術
微測輻射熱計接收目標紅外輻射后的溫度變化很微弱，為了使其上面的熱量能夠維持住，避免與空氣分子進行熱交換，需要將其置于真空環境下工作。
對非制冷紅外焦平面探測器真空封裝的要求是：優異且可靠的密閉性、具有高透過率的紅外窗口、高成品率、低成本。
目前的封裝技術可分為金屬管殼、陶瓷管殼、晶圓級、像元級等，業內也常按照封裝形式來對探測器產品進行分類。
金屬管殼封裝
這是最早開始采用的封裝技術，技術已非常成熟。但由于采用了金屬管殼、TEC和吸氣劑等成本較高的部件，導致其成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應用受到限制。
這是最早開始采用的封裝技術，技術已非常成熟。但由于采用了金屬管殼、TEC和吸氣劑等成本較高的部件，導致其成本一直居高不下，使其在低成本器件上的應用受到限制。
非制冷紅外焦平面的金屬管殼封裝
陶瓷管殼封裝
這種封裝形式得益于無TEC技術的發展，可顯著減小封裝后探測器的體積和重量，且從原材料成本和制造成本上都比傳統的金屬管殼封裝大為降低，適合大批量生產。
非制冷紅外焦平面的陶瓷管殼封裝
晶圓級封裝
晶圓級封裝是剛剛進入實用階段的封裝技術。該技術需要制造與探測器晶圓相對應的另一片硅窗晶圓，將紅外探測器芯片與硅窗精確對準，在真空腔體內將兩片晶圓焊接在一起，最后再裂片成為一個個晶圓級紅外探測器。晶圓級封裝技術的集成度更高，工藝步驟更簡單，更適合大批量和低成本生產。
非制冷紅外焦平面的晶圓級封裝
像元級封裝技術
目前還處于研究階段，離產品化還有相當距離。該技術相當于在目前的MEMS工藝過程中增加了一個封裝步驟，在真空腔體內為每個像元微橋結構制造一個倒扣的微蓋，將各個像元獨立密封起來。像元級封裝技術把封裝整合進MEMS工藝過程中，簡化了非制冷紅外焦平面探測器的制造過程，使封裝成本幾乎降低到極致。
2國內正追趕國外 技術市場雙提速
進入21世紀以來，非制冷紅外焦平面探測器的技術發展明顯提速，在短短十幾年間取得了產品化的長足進步。
但由于技術本身所具有的復雜性與難度，目前在非制冷紅外焦平面探測器產品上居于領先地位的廠商仍然主要集中在西方幾個技術強國，包括美國的FLIR、DRS、Raytheon、L-3，法國的ULIS，英國的BAE，以色列的SCD、日本的NEC等。
近幾年來，中國在非制冷紅外焦平面探測器技術上進步神速，在世界上爭得了一席之地，代表廠商有北方廣微、煙臺艾睿、杭州大立、武漢高德等。
國內外主要廠商的技術對比情況如表所示。從表中可以看出，目前國內外產品的幾項主要技術指標中，熱敏材料、陣列規模、熱響應時間、NETD等基本居于同一水平，在像元尺寸方面國外廠商具有一定領先優勢。
但在表中未列出的封裝技術方面，國內明顯落后于國外。目前國內產品仍然以金屬封裝為主，陶瓷封裝剛開始起步，而國外廠商已逐漸淘汰金屬封裝，完全進入了陶瓷封裝時代，甚至FLIR的晶圓級封裝產品已經在批量供貨。
主要廠商技術對比
目前FLIR無論是在技術水平還是在出貨量上，都穩居全球首位，成為當之無愧的行業老大。ULIS是多晶硅路線的領軍者，其出貨量排在全球第二。FLIR和ULIS在中國市場上也是出貨量最多的，但由于歷史和政治原因，ULIS在中國市場的占有率要高于FLIR。其他幾家廠商，如DRS、BAE、SCD等，雖然也具有較高技術水平和產能，但是其產品主要在國外銷售，國內很少見到。
近年來，隨著中國軍方核心器件國產化要求的普及，國內廠商獲得了寶貴的發展契機，以北方廣微為代表的國產非制冷紅外焦平面探測器逐漸進入軍方定型裝備，取得批量訂單。
由于起步較早，北方廣微的技術水平在國內是最為成熟穩定的，出貨量在國內廠商中也遙遙領先。
近兩年煙臺艾睿的技術水平發展神速，在新產品開發上跑在了國內前列，據報道于2016年推出了1024×768/14 μm的探測器。
杭州大立作為國內僅有的多晶硅探測器廠商，其制造的探測器主要用于本公司的民品整機產品，也已經具有一定規模的產量。
國內非制冷紅外焦平面探測器技術比國外起步晚了近二十年，雖然經過近年來的努力追趕，已經將技術差距縮短到幾年內，但是從技術的先進性和成本控制上仍然居于劣勢。
國內市場上，國產器件得益于政策支持和軍方需求的激增，在軍品市場上有非常好的機會。國內廠家必須借助軍品訂貨量的大幅增長來實現探測器制造成本的下降，從而為國產器件在民品市場和海外市場上創造更大的競爭力。
3發展趨勢已明 并以市場需求為導向
綜觀主要非制冷探測器生產廠商的技術發展情況，也呈現出一種以市場需求為導向的特點。預測未來幾年非制冷紅外焦平面探測器的技術發展和市場需求將呈現出以下趨勢：
像元尺寸不斷減小；
面陣規模不斷增大；
金屬管殼封裝探測器因其高昂的封裝成本會逐漸退出市場，陶瓷管殼封裝探測器進入全面推廣時期，晶圓級封裝的探測器以其更低的成本優勢在民用市場開始快速增長；
集成了數字積分、非均勻性校正和其它數字圖像處理功能的片上處理技術成為非制冷紅外焦平面探測器讀出電路的重要發展方向，在探測器讀出電路中集成處理器和存儲器將逐漸成為現實；
響應波段向中波以及太赫茲波段的擴展。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
