红外图像传感器技术发展路线

王鹏飞

摘 要：图像传感技术是在光电技术基础上发展起来的，是利用光电器件的光/电转化功能将感光面捕获的光信号转换为与光信号成对应比例关系的电信号、并对电信号处理获得“图像”的一门技术，本文通过对红外图像传感器的专利进行分析，得出了该主题的大致技术发展脉络。

关键词：光电 图像 传感器 技术发展

中图分类号：TN216 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）03（b）-0092-02

红外图像传感器作为红外成像设备的核心，主要是利用红外辐射与对红外光敏感的半导体材料（如HgCdTe、VOx等）[2]相互作用产生的各种效应进行工作，典型的例如光电材料，经过红外辐射后可以产生对应的电子，后续再通过电路处理将电子信号转变为图像。通常，可以根据光敏材料的灵敏度将红外图像传感器区分为制冷型器件和非制冷型器件。典型的制冷型器件包括InSb、HgCdTe、PtSi、GaAs/AlGaAs多量子阱等，典型的非制冷型器件包括多晶硅热电堆、微测辐射热计、热释电材料等。

笔者对红外图像传感器的技术发展脉络进行了梳理，如图1所示，可以发现，无论是制冷型器件，还是非制冷型器件，初创及核心专利（主要涉及光敏材料）基本还是掌握在美国公司（如德州仪器、霍尼韦尔、雷神）手中。

1 制冷型红外图像传感器

如上文所述，制冷型红外图像传感器所采用的光敏材料主要包括InSb、HgCdTe、PtSi、GaAs/AlGaAs多量子阱等。为了获得合适的灵敏度、降低噪声，使用这些材料作为感光材料时一般需要额外配备制冷器，使其在低温下运作，特殊的工作环境要求就导致了器件难以小型化，并且成本难以降低，所以目前的制冷型红外图像传感器一般应用于军事或特种领域，在民用领域涉及得较少。

典型的制冷型红外图像传感器可以参见图1中德州仪器、霍尼韦尔、雷神、富士通等公司的专利申请。但是，由于其应用领域较窄，在此不对制冷型红外图像传感器做过多的介绍。

2 非制冷型红外图像传感器

非制冷型红外图像传感器所采用的光敏材料主要包括多晶硅热电堆、微测辐射热计、热释电材料。非制冷型红外图像传感器能够在室温下正常工作，不需要额外的制冷器，因而能够实现小型化，因其质量轻、功耗低、使用方便、价格低廉，而在民生领域得到广泛的使用。

2.1 多晶硅热电堆

可参见早期美国专利US3968360，附图2（a）示意了一种多晶硅热电堆结构，其通过红外线与热电堆相互作用，在热电堆两侧形成偏压，进而根据偏压来反推红外线辐射情况。然而，多晶硅对于红外线的敏感度有限，该技术的实际效果不甚理想。后续开发的改进型热电堆材料包括PtSi等。

2.2 热释电材料

热释电材料例如铁电体薄膜，利用红外线与薄膜材料的相互作用，获得感应电荷，再根据感应电荷的强度来探测红外辐射的情况，如US2015/0035110A1，图2（b）示意了一种基于热释电薄膜的红外图像传感器，但是该技术本身存在局限性，目前基本已被淘汰。

2.3 VOx薄膜

VOx薄膜的电阻温度系数远高于大多数的金属材料，并且对于红外线及其敏感，最早由霍尼韦尔开发出了基于VOx的微测辐射热计，其利用红外线与VOx相互作用，引发VOx的阻值变化，如WO93/25877，图2（c）示意的是一种典型的基于VOx的红外图像传感器，这是目前的主流技术。

2.4 非晶硅薄膜

利用红外线与非晶硅薄膜相互作用，引起非晶硅薄膜电阻的阻值变化，通过CMOS电路将非晶硅薄膜的阻值变化转变为差分电流并进行积分放大，如US5021663，圖2（d）示意了一种典型的基于非晶硅薄膜的红外图像传感器，这是目前的主流技术。

3 结语

通过本文的整理及分析可知，红外图像传感器的发展主要在于光敏材料的更新迭代。目前为止，该领域的材料均由美国企业研发推出，虽然就全球专利总申请量及全球主要申请人而言，美国并未体现出压倒性的优势，其中全球主要申请人甚至呈现出被日本碾压的态势，但是考虑到美企（德州仪器、霍尼韦尔、雷神）掌握了基础性的核心专利（VOx薄膜、非晶硅薄膜），美国仍是红外图像传感器领域事实上的执牛耳者。

参考文献

[1] 雷玉堂.红外图像传感器技术及其在公共安全中的应用[A].第三届深圳国际智能交通与卫星导航位置服务展览会[C].2014.

[2] 冯涛，金伟其，司俊杰.非制冷红外焦平面探测器及其技术发展动态[J].红外技术，2015，37（3）.