微测辐射热探测器简介

辐射探测器通过将热能转换为可测电学物理量来检测入射辐射。探测器通常是复合结构，包括一个吸收器和一个测温计，测温计的组成材料作为温度相关的电阻，吸收器与测温计成对出现。冲击到传感器的辐射被吸收，温度发生变化，热敏电阻的方块电阻值与温度成比例发生变化。变化的电阻输出电信号，探测器的IC电路会对该电信号进行处理。

微辐射探测器与上述探测器具有同样的换能机制，采用与CMOS兼容的表面加工工艺制造探测器单元。探测器传感部分为复合结构：包含一个薄膜吸收层和一个测温层，这两层结构位于上下两层钝化层中间，形成三明治结构。传感部分通过悬空薄膜与衬底形成热隔离。因为微辐射探测器的灵敏度反比于结构的热导，固有的热隔离加之表面微加工工艺生长的薄膜性能良好，使得MEMS对热辐射探测器具有强大的吸引力。

研究现状与发展趋势

20 世纪 90 年代初，Honeywell 报道了其成功研制的基于微测辐射热计的 336 ×240 非制冷红外焦平面阵列探测器，该技术在报道之前一直是美国军方的最高机密。该技术在经历了二十年技术改进和工程化实践后，几个当年获得授权生产的公司又陆续开发了新一代的高灵敏度、大面阵、 集成度更高的非制冷红外焦平面阵列，并将其应用到军事、民用的各个领域。DRS（原 Boeing）公司是美国军方枪瞄夜视系统（TWS）和夜间驾驶系统 （DVE）的核心供应商，该公司最典型产品为 2001年首次推出的 U3000，该探测器像元规模为 320×240，像元中心距为 51μm×5lμm，占空比大于 65%，工作波段 8~14μm，其噪声等效温差<0.03K。在次年，DRS 又报道了第二代产品U6000，像元数扩展至 640×480，探测器集成内部校正功能，像元尺寸25×25μm2 ，探测元占空比大于 95％，NETD<50mK。2011年DRS报道了最新的开发成果，像元尺寸 17μm，按照仿生学原理设计伞状双层桥面吸收结构的U3600（320×240）、U6160（640×480）、U8000（1024×768）探测器已实现量产。公司还将在2012年推出1920×1080的探测器，实现红外的“高清”显示。

Raytheon公司在1999年推出的SB-151型探测器，在当时同类器件中灵敏度最高，该探测器像元规模为 320×240，像元中心距为 50μm×50μm，工作波段 8~14μm，NETD最低可达8.6mK。2001年，Raytheon公司报道了像元中心距仅为25μm的系列焦平面阵列：包括小规模的SB-250 像元规模为160×128、中规模的SB-212像元规模为320×240以及大规模的SB-246像元规模为640×512。2009年，Raytheon公司与Freescale公司达成合作，Freescale公司在橡树山的工厂OHT为其代工MEMS，焦平面产能从合作前的每月100片晶圆5000颗芯片一下提高到每月25000～75000 颗芯片。同年，Raytheon公司在17μm 尺寸也获得了突破，并报道了2048×1536产品，其640×480已经实现量产。

BAE System是英国著名的军火生产商，一直以来都与DRS和Raytheon在红外枪瞄和车载夜视系统方面展开了激烈的竞争。2005年该公司推出了三种型号的热像仪机芯：SIM500L（像元中心距为46μm，像元规模为160×120）、SIM500H（像元中心距为28μm，像元规模为320×240）和SIM500X（像元中心距为28 μm，像元规模为 640×480）。2009年该公司在17μm小像元制备上取得了突破，像元规模扩展至1024×768，NETD≤35mK。

已被美国FLIR公司收购的Indigo Systems公司也是非制冷红外焦平面的先驱，在上世纪 90年代后期其焦平面采用了新型的读出电路结构，获得了无 TEC 的红外焦平面阵列，同时片上集成了非均匀性补偿模块及14 bit列级模数转换器（ADC，Analog-to-Digital Converter）。其阵列大小有160×120、320×240、640×480，像元尺寸为25×25μm2，在30Hz工作帧频下NETD<35mK，该公司的焦平面组件帧频经过近一步降低（≤9Hz）后可对中国出口。

目前，美国不管是在非制冷红外焦平面探测器方面的研究和生产方面都处于世界领先地位，但作为关系国家安全的关键技术，其他国家如法国、加拿大、以色列和日本也推出了各自的非制冷红外焦平面探测器产品。

法国 ULIS 公司是制冷型探测器的著名生产厂家 SOFRADIR 公司的子公司， 该公司最初是CEA/LETI（法国原子能委员会/微电子研究院）委托SOFRADIR公司生产基于非晶硅材料的系列非制冷红外探测器产品，后由双方组建而成。与氧化钒材料相比，非晶硅具较低的热导率和较高机械强度，基于此材料的微测辐射热计更适应自悬浮支撑的结构，同时该材料制备工艺与传统半导体工艺兼容，更适应大规模生产。早在2001年ULIS公司就推出了型号为UL0101的产品，像元规模320×240，像元中心距45μm×45μm，NETD≤70 mK。在之后的几年，ULIS主要专注于基于第二代非晶硅微加工工艺的焦平面产品(UL03041)，像元规模为384×288，该规模的探测器能够适应欧洲和中国电视信号（PAL制式）的需要。像元中心距35μm×35μm，噪声等效温差<43mK，芯片功耗仅为130mW。之后该公司又先后推出UL03162， UL03262产品，该类产品采用无TEC封装形式，成本近一步降低。在2011年底，该公司报道了UL05251产品，其像元规模达到1024×768，像元尺寸17μm， NETD<46mK。目前法国也是唯一焦平面部分向中国开放的国家。

加拿大国家光学研究所（INO，National Optics Institute）在上世纪90年代末，也研究出了基于氧化钒材料非制冷红外焦平面探测器。其报道的阵列规模有128 ×128、160×120、256×1 和 512×3，像元中心距为52μm×52μm，噪声等效温差NETD（f/1,300K,8~12μm）约为150~250mK。由于该研究所属于科研机构，其探测器并未大规模生产。

1996 年日本 NEC（电气株式会社）公司首次报道了基于金属钛的128×128的非制冷红外焦平面阵列，该器件像元中心距为50μm×50μm，噪声等效温差约90mK。2002年，NEC获得了Honeywell的授权，生产非制冷红外焦平面探测器，次年，该公司即推出了320×240的非制冷红外焦平面，像元中心距为37μm×37μm，NETD≤100mK。根据该公司在2011年报道的HX3100 产品，像元规模640×480，像元中心距为23.5μm×23.5μm，噪声等效温差已经达到<50mK的水平，同时该公司 17μm像元制备技术也已经突破，经过理论推导其NETD 可达到39.6mK。

国内的非制冷红外焦平面起步晚、投资少，最早由电子科技大学、华中科技大学、中科院上海技术物理研究所、兵器211所等大专院校及研究所进行了相关基础研究。但随着国内热像仪应用市场的扩展，以浙江大立、武汉高德、广州飒特、艾睿科技、广微机电为龙头的热像仪生产企业也纷纷开始关注探测器核心技术的国产化进程，国内也出现了320×240、640×480的探测器样品，技术指标接近国外九十年代末产品参数。

Coventor优势：

1能根据工艺流程、材料属性及GDS版图一键式生成三维模型。模型更符合实际工况。

2针对mems芯片结构在mems+中有自己的元件库。建模更加方便准确。

3相比其它CAE软件，coventor针对mems复杂的多物理场有特定的求解器。比如阻尼、压电、压阻、机电耦合分析等。

4 mems+仿真速度特别快，是普通CAE软件计算速度的100倍。

5 coventor能提供接口与matlab/simulink、Cadence做协同仿真。

6 mems+建立的模型是ROM降阶模型，导入到matlab/simulink、Cadence做协同仿真时提高了计算效率。

7能实现mems芯片全流程自动化仿真，大大降低了产品上市时间。