量子式红外检测技术及应用

寂静回声

红外辐射，也称为红外光或红外IR，是一种波长范围为780nm～1mm，界于可见光和微波之间的电磁辐射。由英国天文学家威廉姆•赫胥尔（William Herschel）在1800年研究太阳光谱热效应时发现。
红外检测技术及其分类
红外检测技术是指利用被测对象自身的红外辐射量（即被动式）或对红外辐射的吸收、反射或散射性能（即主动式）来检测相关物理量或化学成分含量大小的技术。红外检测具有远距离和非接触测量、宽测量范围、高灵敏度、高稳定性、快速响应、好的重复性和较强的抗干扰性等特点。尽管红外检测仪表设备造价通常较高，但由于其在气体成分分析、火焰或温度监视、无损探伤、设备状态监测、半导体检查、视觉系统、环境监测等方面较之常规检测仪表设备的优势，使其在工业生产、科学研究、医疗、军事、航天、气象等领域都有着广泛的应用。

图1：典型量子式红外检测材料-波段对应示意图
红外检测技术按工作机理不同可细分为热式和量子式（也称光子式）两大类。热式是基于红外辐射的热效应而工作，即红外热辐射使敏感元件因接收辐射能而温度升高后，传感器中某一依赖于温度的量值发生变化，监测该量值的变化即可检测相应的红外辐射能大小。热式具有光敏性不受波长影响，成本相对较低，响应时间相对较长、灵敏度相对较低等特点。量子式是基于红外辐射的光子效应而工作，其工作原理为入射红外光的光子流与传感器敏感元件材料中的电子相互作用，从而改变电子的能量状态，利用由此引发的各种电学现象来实现测量。量子式通常具有响应时间短、灵敏度高、检测波段较窄、大多需冷却工作等特点。
典型量子式红外检测技术特点及应用
红外检测仪表工作波段一般按大气窗口可分为SWIR短红外波段（约0.78 ～3 ）、MWIR中红外波段（3 ～5 ）、LWIR长红外波段（8 ～12 ）、VLWIR甚长红外波段（12 ～30 ）等使用波段。
典型的量子式红外检测材料有MCT、I nSb、InGaAs、QWIP等，与红外工作波段的对应关系见图1。
MCT类
MCT(碲镉汞或HgCdTe）合金是一种高性能、多用途的三元化合物光电导材料，问世于1959年。鉴于其带隙可调谐性，MCT应用频谱可覆盖整个IR范围，可作为SWIR、MWIR、LWIR、VLWIR等类别红外传感器而使用，应用自由度或灵活度最高。利用其良好的重组机制和高量子效率，MCT合金从短红外波段至甚长红外波段都具有极好的检测性能。MCT具有以下四个重要特征：
● 极其小的晶格常数与成分变化，易于制成高质量的层，形成可靠的异质结构。
● 覆盖1 ～30 波长范围的能量带隙。
● 光学系数大，量子效率高；
● 具有良好的本质重组机制，可支持高的工作温度。
由于MCT具有以上优良特征，使其生命之树常青。其不仅作为第三代IR探测器（更小的像元间距、更高的运行温度、多色及高清格式）的主流，而且与雪崩二极管和非本征二极管一起，国外有的科研机构正准备将其用于150KIR检测以上的第四代IR探测器研发中。
InGaAs类
InGaAs（砷化铟镓）是一种常用光敏材料，问世于20世纪80年代中期，初期主要用作远程通信的元器件。在众多半导体材料中，InGaAs是极佳的SWIR红外检测所需材料，用其制成的SWIR红外检测仪适用于自然（太阳、夜光、热辐射）或人工（激光、LED）光子场合测量，常用于国防和安防（夜视仪、主动成像仪）、宇宙空间探索（地球、火星观察）、交通运输（车辆安全）或工业（非侵入式过程检测或探伤）领域。例如，欧洲于2017年3月7日发射的用于哥白尼项目的ESA Sentinel-2b地球观察卫星上就搭载了12台SOFRAD IR生产的SWIR红外探测仪，用于实现地球森林、农业、海洋和大气环境的监察。

图2：1280SCICAM红外成像仪
InGaAs量子检测器基于带-带吸收工作机理，可在SWIR频谱0.9 ～1.7 范围内检测，其检测下限也可低至0.4 。通常，在InP基板上采用异质结构，并与晶格相匹配，以优化暗电流、量子效率和调制等性能。InGaAs是极佳的SWIR红外检测所需材料，可实现不需冷却的红外检测，工作波段为SWIR，具有低的大气吸收率，高的测量灵敏度，故其生产量和用量较大。
图2为美国普林斯顿红外技术公司生产的InGaAs 类1280SCICAM红外成像仪，获得2016年度世界视觉系统设计创新金奖。其分辨率达1280X1024，像元点距为12μm，三级设定温度（25℃无冷却，0℃风扇冷却，-60℃水冷），在1280X024下可达＞95fps及14bit的高帧频，响应频谱范围为0.9 ～1.7 ，在1 ～1.6 内量子效率＞75%，低读噪声＜40e-，集成时间范围可达50 ～＞5 ，高动态范围＞3000:1，可采用F-和C-口镜头。
InSb类
InSb（锑化铟）是一种常用的光电导材料，问世于20世纪50年代中期。InSb材料极其稳定，在MWIR频谱中具有较高的量子效率，易于标准平面加工处理，易于制成焦平面阵列。从20世纪50年代晚期开始，世界上开始大量研制用InSb材料制成的MWIR焦平面阵列。从第一代（简单的光电二极管）开始直到第三代（大规模矩阵）红外探测技术，基于InSb光伏或光电技术的的MWIR红外探测器均已大量在民用或军用热成像系统中得以应用。
基于InSb技术的MWIR红外测量仪工作稳定，图像格式较大，性能较佳，具有以下显著优点：
● 在非常大的格式范围内均具有极高的均匀性；
● 在高性能工作区段内具有极高的增益稳定性；
● 极高的可工作性，低的NETD（噪声等效温差）；
● 易于集成，易于加工制造。
QWIP类
QWIP（量子阱红外光电探测）检测是由异种半导体材料（如GaAs/AlGaAs）薄层（几纳米厚的薄层）交替构成超晶格量子阱，并利用光激发载流子在量子阱子带间的共振跃迁原理而工作，属窄带、光导探测器类型，问世于20世纪80年代末。与其他红外测量技术相比，QWIP具备极高的可工作性（＞99.9%）、响应速度快、成像质量高、均匀性好、易制成双色及多色大面阵阵列、制造成本低等优点，在LWIR段是MCT强有力的竞争者，属高度稳定的技术，因而是第三代红外焦平面的主流技术之一。
国际上常采用GaAs 基材，利用成熟的制造工艺，以保证大平面上（直径>150 mm)的极佳均质性和2D阵列探测仪格式的高度可工作性。具有以下特点：
● 属主流载流子基器件，不需表面钝化等处理以控制暗电流值；
● 无低频噪声，具有极其稳定的成像品质，可简化系统设计；
● 基于带隙技术，可实现频谱灵敏度的可调（4 ～20 ），便于窄带或宽带检测仪的设计；
● 高的热稳定性；
● 由于高的GaAs带隙，具有好的辐射耐久性。

图3为美国FLIR生产的QWIR式GF306红外气体成分检测成像仪，可检测六氟化硫 （SF6）、氨气（NH3）、乙酰氯、醋酸气等频谱吸收范围在10.3～10.7 内的气体。在电力行业中主要用于电气高压设备或SCR脱硝系统SF6和氨气的泄漏点检测。 其性能指标为：焦平面阵列（FPA）采用斯特林制冷器制冷式QWIP探测器，检测波长范围为10.3～10.7 ，分辨率为320 x 240像素，NETD为在+30°C时 <15 mK，准确度为在0℃~100℃内为±1℃， 100℃以上为温度示值的±2%。
图3 FLIR-GF306红外气体成分检测成像仪
发展趋势
随着微电子、信号处理、智能技术的进步，量子式红外检测产品正在向微型化、低功耗、高性能、智能化方面发展，从而使得红外传感器的稳定性、可靠性、信噪比、便利性等性能大大提升。量子式红外检测技术发展趋势主要表现在：减小像元间距，增加像元密度；采用新型材料和处理技术，提高像元灵敏度；利用MEMS微机电系统和NEMS纳机电系统等加工技术，使传感器微型化；图4所示为德国Hertzstück公司开发的硫化铅红外传感器，采用薄膜封装方法实现更少空间内的自动放置和精确对准，其尺寸仅为3mmX3mm，可直接线焊到印刷电路板上，通过采用COB（板上芯片）技术可使集成后的设备变得更小、更灵活、更高效。提高工作温度，大幅减少功耗；提高分辨力；增加新的成像功能（如主动式、双波段成像等）；增加自诊断、自适应、自学习、自补偿等智能功能。

图4： 德国Hertzstück红外传感器（可粘合裸板）
据最新报道，DARPA（美国国防高级研究计划署）于2016年下半年已确定计划在3年半的时间内资助“中佛罗里达大学”研发团队130万美元，用于开发下一代红外检测仪，以便于夜视、气象和空间探索之用途。该团队计划采用神奇的石墨烯材料，使其可吸收红外波段内的光谱，并制成可调谐、用于整个红外波段的，小型、便携式，不需加装冷却装置，且高分辨率图像的新一代红外检测仪。因此，我国也应把握红外检测科技前沿的发展态势，超前规划布局，加强投入，以尽早掌握第四代红外检测科技竞争的战略主动。