红外图像传感器的应用与技术发展

前几个小节介绍的图像传感器都是用于可见光波段，红外图像传感器在军事、气候、农业、生物医疗等领域有广泛的应用，本小节简单介绍一下红外图像传感器。红外波长范围是750nm～1mm，其中近红外线是700nm～2.5µm，中红外线是2.5～25µm，人体辐射的红外波长为8～12µm。

图6.19　红外图像传感器通常采用的2D焦平面阵列结构示意图

硅是一种间接带隙半导体，它的禁带宽度较高（1.12 eV），导致只有波长小于1.1µm的光子才能激发电子-空穴对，并且波长大于750nm后硅的量子效率大幅度下降，因此硅通常不用做红外光子探测器。研究人员尝试使用很多其他材料制备红外光子探测器，例如：HgCdTe、PtSi、InGaAs、InAs、SiGe等，其中HgCdTe被认为是性能最好的红外光子探测材料，它的光电转换效率高，而且波长探测范围可以达到125µm，包括了近红外线和中红外线的波长，可以满足大部分应用。

红外图像传感器可以分为两大类：制冷型红外图像传感器和非制冷型红外图像传感器。制冷型红外图像传感器是直接探测红外波长的光子，采用上述材料制备光电探测器，将红外线光子转换成光电流。但是这些材料由于禁带宽度较低，其自身的热能会激发大量的电子-空穴对，会产生较大的热噪声从而降低成像质量。因此为了提高信噪比，需要进行制冷处理。例如：HgCdTe材料的红外图像传感器工作温度为80 K，PtSi材料的工作温度为77 K。显然制冷型红外图像传感器体积大、成本高、不易便携，限制了它的应用范围。(www.xing528.com)

非制冷型红外图像传感器是一种热能探测器，它是利用红外线热效应原理实现的。红外辐射被探测器接收后导致其温度发生变化，而这个温度变化可被转化成某物理结构的形变、电阻的变化或者某电流的变化等，最后导致其产生一种电压信号。例如：红外辐射的热能传导给一串二极管，导致其电流增加从而实现红外辐射的探测。热能探测与光子探测的红外图像传感器相比，它不需要制冷，可在室温下使用，成本较低且便于携带。但是它的灵敏度不高，而且响应速度较慢，因为探测器需要时间加热和散热。

图6.20　红外探测FPA芯片与CMOS读出电路芯片绑定示意图

红外图像传感器通常是采用二维焦平面阵列（Focal Plane Array，FPA）的结构实现成像的，如图6.19所示。信号读取电路可采用工艺十分成熟的标准CMOS集成电路实现，红外探测FPA芯片与CMOS读出电路芯片可以绑定在一起，如图6.20所示，每个红外探测器都与硅基电路有连接点。另外一种方式是将FPA与读出电路做在一块芯片上，例如：在硅基上做出PtSi肖特基势垒二极管作为红外探测单元，然后在硅基中做出CCD用于信号电荷传输。