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1、红外探测器技术及进展定义 红外探测器是一种红外辐射能的转换器，是红外成像装置的关键部件，它把辐射能转换成另一种便于测量的能量形式，在多数情况下转换为电能。红外探测器是军用红外系统的核心部件，在导弹的红外成像制导和目标的探测跟踪等方面都起着相当重要的作用。它是红外系统的心脏，在红外技术发展中起着关键和主导的作用。 红外探测器大体可分为热敏型和量子型两种类型。具有灵敏度高、空间分辨率好、动态范围大、抗干扰能力强以及能在恶劣气候下昼夜工作等特点。 热敏型探测器的特点是：探测波段宽、能够在通常的环境温度下工作而不需要冷却，但是灵敏度低、响应速度慢。 量子探测器又可分为光电导探测器和光伏探测器。量子型探
2、测器的灵敏度要比热敏型高12个数量级，响应速度也快，性能接近背景限制的红外性能极限。但军用的量子型探测器必须冷却。 国外概况最初的红外探测器是温度计，后来出现了热电偶。红外技术差不多是在40年前才开始应用到防御系统上的。在红外技术的发展过程中，热敏探测器的发展较早，但发展的速度较慢，而量子探测器则是后来居上，发展很快。特别是二次世界大战期间和二次大战以后，出现了许多响应不同波段的量子探测器。近些年来，红外探测器技术发展迅速，从单元、多元、阵列发展到凝视焦平面阵。量子型红外探测器的发展过程可分为三代，第一代是单元探测器，它和扫描镜的二维扫描相组合而得到图像。70年代，InSb和HgCdTe之类的
3、半导体开始在红外技术中占据主导地位，主要用于制作单个探测器元件。到八十年代中期，开始向第二代一维阵列多元探测器转移。它多数采用一维光电导型阵列探测器，以及与阵列方向成直角的一维机械扫描系统来获得二维图像，速度快，并能实时显示。第三代是红外电荷耦合器件（IRCCD），根据其技术进展，可分为一维IRCCD和二维IRCCD。一维IRCCD必须采用机械扫描系统，但它不需要进行各探测元件的信号放大。二维IRCCD则完全不需要进行扫描，可靠性提高，实现了装置的小型化和单一化；读出也不再由分立的信号线产生，而是通过时间延迟和积分电路产生，这些电路必须置于传感元件阵列的焦平面内，故它们的组合称为红外电荷耦合器
4、件焦平面阵列。在八十年代后期，红外探测器的发展重点是镶嵌凝视式阵列及大型阵列的应用，发展的重点是焦平面器件。 到了九十年代，开始了以GaAs系列、InP系列为中心的-族半导体多量子阱材料的设计技术，对量子阱等超晶格结构的红外探测器的研究也正在广泛开展。 另外，随着高温超导材料的出现和超导技术的进一步发展，超导红外探测器的前景十分乐观，它是根据约瑟夫(Josephson)效应而制成的新型红外探测器，灵敏度高、频率宽、噪音低。目前，国外在这方面的工作才刚刚起步。 在精确制导技术中，又致力于发展双色探测器及与10.6m二氧化碳激光器配用的探测器。 美国在70年代初研制成工作波段为814 m的三元红外
5、敏感元件HgCdTe器件，70年代中期已研制出60元、120元、180元光导型通用组件，成品率高、可批量生产，80年代已推广应用于战术导弹武器系统中，目前主要发展方向是进一步提高成品率，降低成本。 尽管国外60180元线阵器件已达到实用化和工程化，但70年代后期，欧美各国已将研究重点转移到光伏型HgCdTe焦平面阵探测器，1987年美国国防部提出了红外焦平面阵列生产倡议，目的是促进红外焦平面阵探测器的可生产性和可采购性，以满足90年代精确制导武器的需求。在美国国防部向国会提交的1989年度22项关键技术计划的报告中，HgCdTe与GaAs一起名列第二。目前以混合式IRCCD为主攻方向，中波红外
6、InSn焦平面阵列器件已研制出256256元，长波红外HgCdTe焦平面阵器件已研制出6464元。红外焦平面阵探测器有凝视式和扫描式两种，前者通过光学系统把红外能量聚焦在其适当的位置上，导弹电脑系统处理每个探测器的输出，以构成一幅完整图象；后者与电视一样按顺序扫描，提取目标红外信息，以构成一幅完整图象。 在整个八十年代里，红外探测器的发展重点是镶嵌凝视式阵列及大型阵列的应用。发展重点是HgCdTe，当前英国人发明的Sprite器件和美国的红外CCD器件以及64128元的硅肖特基势垒器件已在试验阶段，正往6464，128128，256256元的方向发展。1616元的钛酸铅热电CCD已经制成并向1
7、00100元方向发展。 目前在军事上颇有发展前途的红外探测器有HgCdTe红外探测器、PtSi红外探测器、GaAs红外探测器和双色红外探测器等。 红外探测器组件是热成像系统的核心，它的工作性能直接决定着热像仪成象质量。要使它们在如此低温下正常工作，就必须将其安装在杜瓦瓶中，否则，会造成探测器的污染及在低温下结霜。 非冷却型红外焦平面列阵技术是以美国为中心于70年代开始开发的。采用非冷却型红外焦平面阵的红外摄影系统不需要冷却装置，可降低成本和提高使用寿命等，所以即便灵敏度略差也有广泛的应用领域。 输出成本是决定新型探测器成功的关键因素。PtSi受青睐的主要原因之一是其成本低。虽然它的灵敏度没有H
8、gCdTe好，但成本却大大低于HgCdTe，HgCdTe的一个象素以美元计算，而PtSi的一个象素只以美分计算。 德克萨斯仪器公司和GEC马可尼公司的混合型铁电陶瓷焦平面阵列已用于驾驶员视觉增强系统，也可用于轻武器夜间瞄准具、手持热象仪和监视系统。德国Dresden大学研制成功的128元LiTaO3探测器与硅信号读出处理电路平行连接，美国明尼苏达大学和亚利桑那大学用溶胶凝胶方法，直接在硅集成电路上制备铁电薄膜，制成单片型红外探测器焦平面阵列。混合型铁电陶瓷焦平面阵列已进入批量生产阶段，而铁电薄膜红外探测器焦平面阵列还处在实验室研究阶段。继长波红外HgCdTe材料之后，国外又在大力研究超导和超晶
9、格材料超导红外探测器。美国斯坦福大学、IBM公司、日本富士通研究所、松下电器公司、日立制作所、电信电话公司等都分别成功地制成了陶瓷超导薄膜。 预计在今后，红外探测器会得到更进一步的发展，政府部门的军需是红外探测器的最大买主。目前，国际上把大量精力用在超晶格材料上，超晶格HgCdTe有希望成为性能更高的长波红外探测器。而红外焦平面阵列探测器可使武器系统独立完成搜索、跟踪识别目标，因此，它已成为新一代精确制导武器探测器件的发展方向。美国在焦平面凝视红外探测器的研究与应用上，处于世界领先地位。洛克韦尔公司已生产出标准的128128的中波HgCdTe焦平面探测器。美国西屋和休斯两家公司已取得美国订货合
10、同，研制256256元的铂硅凝视焦平面探测器，488649元的铂硅凝视探测器，也在计划研制中。西欧的英国GEC公司，法国汤姆逊公司等也都在红外焦平面的研制上取得重大进展。法国红外探测器公司是法国发展、生产和工业化第二代红外焦平面探测器的唯一公司。另外，红外探测器用微型杜瓦瓶正朝着更微型化、低功率、低成本、高可靠、长寿命方向迈进。 在80和90年代，随着新旧武器系统的不断更迭和红外探测器向高精尖方向的发展，器件和材料的研制机构和生产部门将会源源不断地从军事部门获得大宗科研经费和订货。1985年美国探测器的销售金额为1亿1千2百万美元，到了1991年，销售额已达5.5亿美元，而到2001年，总销售
11、额可达14亿美元。 影响 红外探测器已在军事、医疗、工业、冶金、化工等众多领域得到越来越广泛的应用。近年来，美国军用、工业和医用探测器的需求量一直在增加。红外探测器可用在工业自动控制中，医学上的癌病早期诊断、消防中的火灾报警、治安中的防盗报警以及遥感、遥测、天文观测、地质勘探等。超导红外探测器更是资源、气象卫星的理想探测器并广泛地用于导弹的红外探测、跟踪系统。自八十年代以来，红外探测器得到了更进一步的发展，政府部门的军需仍是红外探测器的最大买主。今后光纤应用方面需要的探测器将继续增加。另外，环境保护的污染控制，也将促使探测器件的销售量上升。 技术难点 红外探测器以军用为中心正在迅速发展，其应用
12、范围涉及侦察/监视、瞄准、射击控制和制导等，前景十分广阔。但是，它的发展水平取决于相关技术的水平，包括制造探测器的半导体技术及真空容器技术和冷却探测器的极低温技术。热型探测器的主流是热电探测器，为提高性能，必须开发薄膜制备技术。而双色探测器需要考虑的问题是宽带红外膜层的制备、透双色红外材料选择及器件表面红外镀膜等。如果与紫外波段综合使用，除紫外探测器制备之外，这也是要解决的问题。在超导红外探测器的制备上，超导薄膜和绝缘层的制备都存在一定的困难。另外，GaAs探测器与HgCdTe探测器一样，必须冷却到77K才能工作，需用液氮冷却。GaAs与单一的硅元素不同，在结晶过程中内部容易产生缺陷，给集成电路的高集成化带来困难，这有待于进一步研究克服。
