非制冷式红外探测器原理研究（课题总结论文）

摘 要
随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。

关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件
Abstract
With the development of information technology, infrared detection technology has been widely used in military, civil, scientific research and many other fields. Among them, the uncooled infrared focal plane detector with no refrigeration, low cost, low power consumption, light weight, miniaturization, the use of flexible and convenient features, is the current non-refrigerated infrared detection technology research and application of hot spots and focus.
All infrared rays are emitted from objects with absolute temperature (-273 ° C), and the infrared image sensor converts the detected infrared radiation into visible image information. Infrared imaging technology covers infrared optics, materials science, electronics, mechanical engineering technology, integrated circuit technology, image processing algorithms and many other technologies, infrared imaging device for the core of infrared focal plane detector. Uncooled infrared focal plane detector works is the use of infrared radiation thermal effect, infrared absorption of infrared radiation can be converted into thermal energy, causing the temperature rise of sensitive components. Sensitive components of a physical parameter changes, and then through the design of a conversion mechanism for the conversion of electrical signals or visible light signals to achieve the detection of objects. Uncooled infrared focal plane detector is divided into five categories: pyroelectric type, thermopile type, diode type, thermistor type thermal capacitance type. In this paper, the working principle of the first four infrared detectors is described in detail, and the key technologies of each infrared focal plane detector, such as the readout circuit IC technology, are explored in detail, and the advantages and disadvantages of different types of detectors are summarized.

Keywords: infrared detection technology; uncooled infrared focal plane detector; readout circuit; sensitive element
第一章 绪 论
1.1研究背景及课题意义
随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。
同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。所以，极其具有隐蔽性，由于它工作在红外波段，所以不受到电磁波的干扰，可以在强的电磁辐射环境下生存，可以做到全天候全天时工作，正符合了现代战争的需求。最近30年来，红外技术已经成为一门迅速发展的技术。除了军事应用以外，它广泛地应用于工业、农业、医疗和科学研究等各个民用领域。比如，红外技术是发展遥感技术和空间科学的重要手段；红外成像系统可以进行无损检测；工业过程监控、检查维护和热流研发；医疗领域的疾病诊断和传染病预防等。随着微机械系统（MEMS）加工技术、大规模集成电路、信号处理技术的飞速发展，红外探测技术拥有着巨大的发展潜力。
非制冷红外热成像系统的核心是非制冷焦平面其发展水平直接决定了非制冷热成像系统的发展从1978 年非制冷式热成像技术首次研究成功 到目前非制冷热成像仪装备到部队 已有20 多年的发展历史 世界各国都在竞相开展非制冷焦平面的研究其中美国.英国.法国等国家处于领先地位 探测器像素已由原来的单元结构发展到目前的大规模面阵并逐步向超大规模阵列发展，像素尺寸也在明显减小。
综上所述，非制冷红外成像技术正经历从焦平面成像系统向高性价比、多功能、多波段成像系统的转变，且该技术融合了探测器材料、MEMS、微电子、信号处理、光成像等多种学科。本文对不同类型非制冷探测器的原理进行了阐述与探究，对以后的非制冷探测器的研究具有现实意义和实际应用价值。
1.2 本文的主要工作
鉴于以上的分析，我们知道现如今的非制冷红外探测器主要分为五大类，分别是由硫酸三甘肽、胆酸锂等材料构成的热释电型非制冷红外探测器；由N型和P型的多晶硅构成的热电堆型非制冷红外探测器；由单晶或多晶PN结构成的二极管型非制冷红外探测器；由氧化钒、非晶硅等材料构成的热敏电阻型非制冷红外探测器；由双材料薄膜构成的热电容型非制冷红外探测器。本文对前四种探测器的工作原理进行了详细的阐述，并且对每种非制冷红外探测器的读出电路电路部分进行了细致的研究与探讨，并且一一列举了美中非制冷红外探测器的特点以及应用。
1.3章节安排
论文分为五章，各章内容安排如下：
第一章主要是绪论，主要阐述了论文的研究背景以及课题意义。本文主要是对非制冷型红外探测器的不同种类进行了详细的介绍与分析，并且对每种不同探测器的关键技术进行了对比研究。
第二章主要是对热释电型非制冷红外探测器的工作原理进行了阐述，并且对前置放大电路进行了比较分析，最后对热释电型非制冷红外探测器的特点和应用进行了总结。
第三章是对热电堆型非制冷红外探测器的工作原理进行了阐述，对其探测系统的信号调理电路和信号采集以及识别算法进行了研究。
第四章主要讲了二极管型非制冷红外探测器的工作原理，本文是基于SOI的二极管红外探测器的读出电路结构，以及连续时间自稳零放大器结构进行了分析。
第五章主要是对热敏电阻型非制冷红外探测器的工作原理进行了阐述，并且分析了它的结构与性能，最后还对该探测器的实际应用进行了一些烈的分析。
最后是对本研究课题的总结与展望。首先总结了论文中的研究工作，并且指出了研究中存在的问题和有待提高的方面。
第二章 热释电型非制冷红外探测器
热释电型红外探测器以热释电材料为敏感单元，利用其热释电效应将红外信号转化成微弱电信号，再经过前置放大电路将微弱电信号放大读出﹑处理，实现热成像。热释电效应是指：在具有自发极化的热释电材料中，当材料温度发生变化或吸收热量后，因材料自发极化强度发生变化而在材料表面释放出电荷的现象。通过对热释电电荷的检测，可以获得有关热辐射强度的信息。由于只对变化的温度响应，所以热释电探测器的响应信号为交流信号，需要专门的辐射调制手段。但是交流的信号处理电路可采用交流耦合方式，从而大大降低低频噪声影响，并且消除了信号的直流漂移问题，使得热释电探测器的信号处理电路显得简洁许多。
2.1 工作原理
热释电探测器是在垂直于晶体极轴(自发极化强度Ps方向) 的两个面上涂敷电极, 构成类似于平板电容器的热传感器, 其工作机理是热释电效应。

由于热释电晶体具有自发极化强度Ps, 晶体的内表面出现面束缚电荷。在稳定状态下, 这些面束缚电荷被体内的扩散电荷和体外的自由电荷中和,因此显现不出自发极化现象。晶体内部的扩散电荷起中和作用的平均时间为τ=ε/σ, 其中ε为晶体的介电常数, σ为晶体的电导率。如图1所示,用调制频率为f的红外辐射照射热释电晶体, 就会使得晶体的温度、晶体的自发极化强度以及由此引起的面束缚电荷随频率f发生变化。当f ≥1 /τ时, 变化的面束缚电荷不能立即被体内的扩散电荷和体外的自由电荷中和, 在负载R的两端就会产生正比于入射辐射功率的交流讯号电压。这就是热释电探测器的工作原理。
2.2前置放大器的几种常见形式的比较
2.2.1 阻抗变换：电压放大
在单元电路和阵列器件中,使用JFET或者MOSFET做为阻抗变换器件[2,11～15] , 如图2所示，JFET或MOSFET 连接为源极跟随器形式, 电压放大倍数接近1 ,而输出阻抗由负载电阻RS决定。栅电阻RG用于探测单元阻抗的匹配, 阻值在109Ψ～1012Ψ。对高阻抗的情况,可以直接利用栅-源电阻代替.JFET有较MOSFET低的1/f噪声, 但是由于会增加制造复杂度而只在单元探测器中应用.MOSFET有更高的输入阻抗,但是1/f噪声是关心的频段内的主要噪声源。在采用有较低1/f噪声的PMOSFET时, 为了进一步减小前放噪声,通常使前放输入电容等于探测器和杂散电容之和,此时信号衰减因子约为0.5,噪声功率谱如图3所示,而输入电阻RG 对输出信号的影响见图4所示。高输入阻抗有利于低频响应的提高,但是信号带宽减小, 适当选择输入电阻可以在较宽频率范围内取得平坦的响应。

2.2.2 电流放大
利用MOS工艺设计的一种高增益电流放大器如图5所示[16～18]。放大增益由R f/ R d 决定,Rd为探测器等效阻抗, 所以Rf 需要很高的数值, 可以利用金属薄膜电阻或者轻掺杂多晶硅薄膜, 以减小杂散电容的影响。考虑到前放的输入杂散电容CS和反馈电阻的杂散电容Cf, 电流前放可以等效为图6。整个前放等效于一个拐点频率为fhp的高通滤波器:

式中:Av为前放电压增益。热释电探测器的电容性及信号的交流特性为电路设计带来了便利。若将杂散电容等效为Cp，则前放增益变为

同的是在设计时取Cd =Cp ,以便使信号衰减最小。由此可见,电路的设计和优化,必须结合探测单元的特性.以30 Hz 帧频为例, fhp常选择为15Hz左右,以便在不影响信号幅度的前提下尽可能滤除低频噪声, 同时将直流漂移消除.此时R f 约为500 GΨ, 这样高的阻值可以利用MOS管的源—漏电阻。Rf与信号带宽的关系如图7所示。

2.2.3 电荷放大器
电荷放大器的等效电路如图8所示,其中Cf为反馈电容,Rf为Cf的等效阻抗,电荷放大增益由Cf/Cd决定。电路的输入噪声由放大器的1/f噪声决定。为了降低噪声,可以在放大器设计时选用更大的面积。 以使1/f噪声最小化,并尽可能用高偏置电流来降低热噪声。为了获得高增益,Cf在0.5pF～1pF 左右,且具有低漏电流,所以需要用双层多晶硅电容,这样会造成整个单元电路的面积偏大。Setiadi在用2 .4μm2P2MCMOS工艺制作2×2PVDF阵列时,占用了240μm×240μm的芯片面积[19]。Tedja用1.2μm1P2Mp_wellCMOS 技术设计的电荷放大器占用50μm×50μm 的面积[20],输入等效噪声电荷(ENC)与探测单元的电容量有关, 如图9所示。多通道及单元之间电荷放大增益的偏差很小。为了取得最高的电荷分辨能力,降低CMOS 电路的1/f噪声是重要的设计依据。在采用CMOS工艺时,无论采用何种信号前置放大方式,探测器的极限性能都由放大器的噪声特性决定[21,22] 。因而需要尽可能降低CMOS电路的1/ f 噪声, 而噪声降低至最小的条件与放大器形式及探测器特性有关。

2.3 热释电探测器的特点以及应用
热释电探测器具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远远超过其他探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在1-0.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可抵达0.0001-0.00003s；热释电器件的探测率高，在热探测其中只有启动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距值正在不断减小；热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接片置电压；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；热释电器件的强度和可靠性比其他多数热探测器都要好，且制造比较容易。
目前应用最多的是检测人的传感器，广泛应用于防盗报警系统、房间自助开灯控制、自动门和其它安全及自动化装置中。国外有把热释电传感器安装在售货机上，有人接近机器可以语音告知。红外线通过菲涅耳滤光片增强后聚集到热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，经检测处理后就能产生报警信号。
菲涅耳滤光片：由一组透镜组成。当人体从一个单元视场进出一次，敏感源的红外辐射也接受一次，温度变化一次，从而输出相应的信号。连续的走动，便产生连续的脉冲信号，形成连续的“报警信号”。
第三章 热电堆型非制冷红外探测器
目前常用的红外探测技术主要有基于运动特征的方法、基于形状信息的方法、基于人体模型的方法等，采用红外成像设备系统是非常昂贵且计算复杂度高; 然而红外目标的入侵识别应用往往不需要由图像设备提供高分辨率，利用红外传感器对目标辐射特征识别来代替视频追踪，作为价格昂贵的热成像红外设备的替代品是可行的。现有的红外探测系统大多是基于热释电红外传感器的运动特征识别，其探测系统只能实现红外目标的运动入侵识别，应用领域受到很大局限。
为了实现红外目标入侵探测和静态识别，本章介绍了一种基于微系统( MEMS) 热电堆红外传感器的红外探测系统，采用梯析( GRIN) 透镜会聚目标辐射以提高有效探测距离，利用热电堆传感器探测目标红外辐射，对探测器信号进行小波分解和重构，滤除背景辐射带来的基线漂移，通过多阈值设定实现目标的分类识别。
3.1 工作原理
热电堆探测器是一种可以对外界红外辐射产生响应的传感器，近10年来，由于微细加工技术的发展进步，MEMS热电堆红外传感器也取得了飞速发展。热电堆探测器采用赛贝克效应( Seebeck effect) 设计制作，如果两种不同的材料或者材料相同而逸出功不同的物体A和B，在热结相连，而在冷端区开路，热结和冷结存在一定的温差ΔTHC，则在冷端的两端就会产生一开路温差电动势Vout，赛贝克效应的数学公式可表述为：
Vout = SAB·ΔTHC(V) (1)
式中SAB为物体A和物体B之间赛贝克系数差，V·K － 1。对于半导体材料，产生赛贝克效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。一般而言，微机械热电堆红外探测器主要由红外吸收体，绝缘结构和热电堆组成(图10)，热结区与红外吸收体相邻，其温度随红外吸收体变化而变化，冷结区与热结区通过绝缘结构隔离，其温度与环境温度保持一致。当红外吸收体吸收外界辐射时，热结区温度升高，而冷结区温度不变，导致热结与冷结温差增大，通过赛贝克效应，热电偶材料将温差转换为电压，故可以通过热电堆两端的输出电压测量外界红外辐射的大小。

3.2 信号调理电路
设计信号调理电路是为了在充分抑制噪声的前提下，实现红外信号的有效放大，同时保证最小的失真，电路设计的好坏对探测器性能的发挥起着关键性作用。设计一个放大调理电路，首先需要对输出信号进行分析，常用比探测率D* 描述探测器的综合性能，定义为：

式中NEP为噪声功率密度，S和N为探测器的信号电压和噪声电压，PD为探测器靶面接收的辐射功率密度，A为探测器靶面面积，Δf为放大器带宽( 它影响着系统中的噪声) 。D*为一个综合反映探测信号、噪声及带宽的指标，D* 越大，探测器性能越好。传感器的关键参数: 噪声等效功率NEP为0.05 nW/槡Hz ; 比探测率( D* ) 为 1.5×108 cm槡Hz /W; 响应度 Ｒ 为182 V/W; 时间常数 Τ 为15 ms;输出电阻RS为100 kΩ。首先确定输出信号的带宽，热电堆探测器输出信号的数学形式为:

式中Vt为一定辐照度下探测器的瞬时输出电压，Vmax为一定辐照度下的探测器稳态响应电压τ为时间常数。对式( 3) 进行傅里叶变换并取值衰减至10 % 处为信号带宽，得到探测器输出信号带宽为11 Hz。其次需要确定探测器本地的噪声，即噪声等效电压。根据探测器的噪声等效功率为 0．05 nW/槡Hz 和响应度182 V/W，得到噪声等效电压为9．1 nV/槡Hz。当明确了放大信号的基本特征后，方可进行电路设计，为了满足上述信号放大，选用运放AD8629 作为前置放大器，电路实现框图如图11所示，前置放大电路用以对信号低噪声放大，低通滤波器用以限制噪声带宽并进行模/数转换之前的抗混叠滤波，后级放大用以对信号进行二级放大，从而有效利用模/数转换的满量程。

由于热电堆传感器信号微弱且内阻很大，同相比例运算电路具有较高的输入阻抗和很低的输出阻抗，增益不受信号源内阻的影响，不仅能够实现传感器的阻抗匹配，且可以实现传感器微弱信号的拾取。热电堆传感器输出信号受环境温度影响，导致偏置电压，影响目标的识别，采用热电阻作为补偿单元，消除环境温度带来的影响。模拟低通滤波器的主要作用在于对高斯分布的广谱噪声进行限带滤波，为后级的模/数转换提供抗混叠滤波，为了尽可能减小信号失真，需要滤波器衰减陡度较大，所以采用二阶低通滤波器，截止频率设置为15．9 Hz。在滤波后，为了充分利用后级模/数转换器的满量程，需要进行二级放大，电路总的放大倍数为41×201 = 8 241倍，热电堆信号由几个微伏量级信号被放大到几十毫伏量级。

3.3 信号采集和识别算法
信号采集电路实现框图如图12所示。

通过热电堆探测系统可以实现红外目标的波形采集，如图13所示。

观察发现，目标进入探测区域，会产生一定频率的上升沿，目标如果一直存在于视场中，输出会一直保持在高电平，当目标离开探测区域时，会有一个一定频率的下降沿。理想情况下，传感器探测目标的输出应该是一个矩形信号，但是由于背景干扰的影响，传感器的输出存在基线漂移的干扰，如果直接采用阈值识别方法，将会产生很多由于基线漂移带来的误报，影响探测系统的有效识别距离。针对基线漂移的特性，提出了小波分解与重构的处理方法，将探测器信号x(t) 分解成若干本征模函数( intrinsicmode function，IMF) 分量［7，8］，信号x(t) 可以表示成：

若IMF分量不包含基线漂移的信息，则其均值应该为0，对含有基线成分的IMF进行小波分解，将频率范围只覆盖基线频率的小波细节置零，然后小波重构获得新的IMF分量，最后进行信号重构就得到消除基线漂移的探测器信号。根据IMF分量的性质，若IMFi不包含基线信息，则其均值应该为0，即应该满足下式:

结果如图14所示，线漂移基本上被滤除，通过识别算法可以实现目标运动和静止识别，识别算法如图15所示，识别结果如图14矩形波所示。

第四章 二极管型非制冷红外探测器
非制冷红外探测器利用红外辐射的热效应进行探测。红外吸收材料吸收红外辐射，将其转换为热能，引起敏感元件温度上升，它的某个物理参数随之发生变化，进而转化为电信号。二极管红外探测器作为非制冷红外探测器的一种，利用半导体PN结正向偏置电压随温度变化的特性来探测红外辐射。目前对此项技术研究较为成功的科研单位主要有日本的三菱电子公司和土耳其的中东技术大学电气与电子工程系。三菱公司基于SOI硅片及干法刻蚀技术制作了二极管非制冷红外探测器。中东技术大学电气与电子工程系则采用湿法腐蚀技术及普通单晶硅片制作。前者性能更优，后者则成本更低。文中对基于SOI的二极管型非制冷红外探测器及其信号读出电路设计进行详细讨论， 为实现探测器和读出电路单片集成的低成本高性能微型化红外探测系统打下基础。已经研制好的基于CMOS标准工艺和MEMS工艺的SOI 二极管红外探测器，产生的电压信号幅度小，频率低。失调电压和低频处的电路噪声将对信号的读出产生干扰。读出电路的性能优劣直接影响系统的灵敏度和动态范围。通常要求读出电路具有较高的增益，低的等效输入噪声，并且能较大程度地降低直流失调电压。连续时间自稳零技术是一种降低失调电压和抑制低频噪声的有效方法。
4.1 基本原理
二极管型非制冷红外探测器的PN结具有良好的温度特性，其正向电压随温度升高而降低。因而通过测量二极管两端的电压降变化可以探测出探测器的温度变化，进而得到入射到探测器的红外辐射强度。采用标准CMOS工艺和少量相对兼容的MEMS工艺制作二极管型红外探测器，基于SOI技术降低热导以提高探测率，并通过多个二极管串联提高探测器的电压温度灵敏度。
从电路设计的角度， 笔者最为关心信号的分辨率和信号的特征频率。对应到二极管红外探测器的具体指标，则为电压温度灵敏度和响应时间。对于理想的单晶硅二极管正向偏置, 只考虑扩散电流, 不考虑势垒区的复合电流、欧姆接触电阻和引线电阻等因素。在小注入情况下, 固定偏置电流,分析其电压-温度特性。流过二极管的电流密度与其两端的电压之间的关系为：

参考中基于SOI 的二极管红外探测器串联6个二极管，电压温度灵敏度为7.92 mV/K。当
入射红外辐射流密度较小使得探测器中心敏感区域温升仅为0.1 K左右时，输出电压仅为0.792 mV。作为热红外探测器，基于SOI的二极管红外探测器的响应时间主要由热响应时间决定,为ms级。所以探测器输出的为低频信号。可见，读出电路必须具有低噪低失调的特性，以保证能对mV级别以下的微弱慢变信号进行放大及滤波处理。
4.2 读出电路结构
读出电路结构如图16所示。第一级的运算放大器采用上文提到的连续时间自稳零运放，用2.5 pF的芯片级采样保持电容，实现信号的低噪声低失调预放大；第二级的片内低通滤波器进一步放大信号的同时降低时钟馈通、电荷注入等开关非理想因素的影响。

连续时间自稳零放大器由内部放大器和采样/保持电路组成。
4.2.1内部放大器结构
补偿运放采用折叠式共源共栅电路，在传统的折叠式共源共栅放大器基础上加上辅助输入端，如图17所示。

图17中主输入端和辅助输入端是两个由差分对构成的跨导器，共用共源共栅输出级。输入管M1、M11的跨导分别为gm1、gm11，电流镜M13、M15的尺寸比为K，Rout为输出阻抗。则有：

主运放输入级采用和补偿运放相同的结构，另外加一级输出级以提高对负载的驱动能力。因此，αm=αn=α 。由公式(8)可知，α越大，电荷注入、采样开关噪声和漏电流等非理想因素对失调的影响越小。另一方面，α越大，图16电路所能降低的最大失调电压则越小。因此，α的取值应该适中，文中取50。

4.2.2 采样/保持
Ivars G. Finvers 通过对连续时间自稳零电路建模进行噪声分析，得出以下结论：该电路对低频噪声的抑制性能主要取决于补偿运放的带宽和采样时钟频率。要较好地降低低频噪声，则要求采用较高的时钟频率和较高的补偿运放带宽(一般通过采用较小的采样保持电容来实现)。而利用连续时间自稳零电路降低失调电压时， 通常需要采用较大的采样保持电容来降低开关的电荷注入效应以及较低的时钟频率来保证信号的正确建立。所以，在低噪低失调的要求下，需要折中选择合适的采样保持电容大小和时钟频率。

第五章 热敏电阻型非制冷红外探测器
热敏电阻红外探测器是一种温度的敏感器, 它是利用灵敏元接收辐照后电阻值发生变化来探测热辐射的。而热敏电阻红外探测器的灵敏元是由锰、钻、镍的氧化物按一定的比例均匀混合后, 压制成型并经过高温烧结, 做成薄片状。用这种材料制成的灵敏元具有负`电阻温度系数, 在室温时电阻温度系数a =一3.6 ~一4 % /度。当红外线辐照在灵敏元上时, 它的温度升高, 随着温度的升高, 它的电阻明显下降。由于灵敏元的电阻温度系数要比金属的电阻温度系数高一个数量级以上, 所以热敏电阻的响应率也比较高。
5.1工作原理
热敏电阻红外探测器的工作原理如图18。

热敏电阻红外探测器是把两个相同阻值的薄片封装在同一个管壳里, 其中一个加上屏蔽以防止辐射的照射, 称为补偿元件,记为R C ; 还有一个是接收辐照的, 称为灵敏元或主元件, 记为R。在使用时, 常接入如图2 的桥式电路中。在没有接受辐照时,由于两片薄片阻值相同, 电桥是平衡的。当辐照落到灵敏元上时, 灵敏元的阻值降低了, 电桥失去了平衡, 这时就有一定的电信号输至放大系统。R C 的作用是补偿S 点因环境温度的变化而产生的电位起落。在实际使用时, 象其它型式的红外探测器一样, 入射辐射要经过调制, 使S 点有一交流电压讯号, 这样可以改进放大性能, 也有助于对目标的分辨。
5.2 结构与性能
热敏电阻红外探测器有浸没型与非浸没型两种。非浸没型又称为固体衬底型。它是把热
敏薄片粘合在一个导热良好的金属基休上,中间用很薄的绝缘层分开。浸没型是把热敏薄片粘合到一个透红外光的球面透镜上, 中间用一层透红外的绝缘介质层分开。图19 是浸没型的结构示意图。

在浸没型热敏电阻红外探测器中, 由于采用了浸没透镜, 大大提高了热敏电阻红外探测器的性能。例如用锗单晶材料做成半球浸没透镜( 折射率n =4 ) , 在理论上使用这种透镜, 可将探测器提高4倍, 但实际上由于光学上的损失, 一般可提高3 ~ 3.5 倍。热放电阻红外探测器性能如下:

5.3 热敏电阻型红外探测器的应用
随着我国工农业生产和科学技术的迅速发展, 红外技术在各个领域中得到日益广泛
的应用。由于热敏电阻红外探测器在室温下使用而不需要致冷器, 它对波长没选择, 再加上结构简单、稳定可靠。因此它已在我国第一第二颗人造卫星上进行使用。它还被用来作为非接触测温, 用它制成辐射比红外测温仪可在离工作点5m ~ 50 m 处测温, 测50℃~ 5000 ℃ 时精确度为士l ℃, 测300一18000C时精确度为土5℃ ; 用它制成红外线测温仪, 可以检测输电线路的过热接头。它还可以做红外光谱分析仪。在森林火情的红外探测, 钢铁生产中的温度测量, 高炉炉气成份的分析, 针麻理论的研究, 人体吸气COZ含量的测定, 植物光合作用, 太阳能的利用等方面也可以用热敏电阻红外探测器。随着学理论评水浒运动的不断深入发展和工业学大庆, 农业学大寨的群众运动蓬勃发展, 热敏电阻红外探测器必将会获得更多的应用。

总 结
本文针对非制冷红外探测器的不同类型进行了细致的原理阐述，以及对非制冷红外探测器中涉及到的关键技术进行了细致的对比讨论，例如对热释电类型的红外探测器的前置电路放大器进行了列举和比较，对热电堆型红外探测器的信号调理电路和信号采集方式进行了详细的研究；对二极管型红外探测器读出电路结构进行了详细的研究；最后对热敏电阻型红外探测器的结构与性能进行了研究，通过上述的研究发现，不同种类型的非制冷红外探测器应用了不同的工作原理已及探测材料，而且各有其优缺点，非制冷红外焦平面探测器以其突出的性价比，成为新增热成像市场的核心要素。另一方面，随着非制冷红外焦平面探测器技术的不断进步，会带来性价比的进一步提升，从而与市场需求形成一种良性互动。综观主要非制冷探测器生产厂商的技术发展情况，也呈现出一种以市场需求为导向的特点。预测未来几年非制冷红外焦平面探测器技术的发展，将呈现以下趋势：
（1）像元尺寸不断减小。更小的像元尺寸能够在焦平面单位面积上集成更多的像素，提高红外探测器的分辨率，同时也可以显著减小热成像设备的体积、重量、功耗和成本，因此具有十分重大的意义。近10年来，主流非制冷红外焦平面探测器的像元尺寸从最初的50μm左右，历经45μm、35μm、25μm、20μm等几种规格，目前已经逐渐进入以17μm为主流的时代，且更小像元尺寸如15μm、12μm 也已进入实质性的研制和试生产阶段。图20所示为像元尺寸缩小的发展趋势。更小的像元意味着MEMS制造技术复杂程度的提高，目前各探测器制造厂商都在重点研究如何在像元尺寸缩小的同时还能保持甚至提高微测辐射热计的性能。

（2）面阵规模不断增大，640×480或640×512分辨率成为主流配置，1024×768 及更大面阵规模如200万像素的探测器也已开始研制及试生产。
（3）金属管壳封装探测器因其高昂的封装成本会逐渐退出市场，陶瓷管壳封装探测器进入全面推广时期，晶圆级封装的探测器以其更低的成本优势可望在民用领域获得快速增长。
（4）包含数字积分、非均匀性校正和其它数字图像处理功能的片上处理技术也是“智能化”非制冷红外焦平面探测器的重要发展方向之一，可明显提高探测器组件的成像质量，提高可靠性，减小体积、重量和功耗。

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