红外焦平面探测器是红外热成像设备测温成像的关键部件,探测器可分为制冷型和非制冷型2种,非制冷探测器的热敏元件材料通常以氧化钒和多晶硅为主。

氧化钒与多晶硅探测器的异同-天铂云科

氧化钒

20世纪80年代初,美国的Honeywell公司接军方课题开始研究氧化钒薄膜,并于20世纪80年代末研制出非制冷氧化钒微测辐射热计。氧化钒也有多种复合形态,如VO2、V2O5、V2O3等。氧化钒材料具有较高的TCR(电阻温度系数),其制备技术经过多年的发展已很成熟,在微测辐射热计高端产品中得到了广泛的应用。

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多晶硅

法国原子能委员会从1992年开始研究多晶硅材料的探测器,目前技术上已很成熟。多晶硅的TCR与VOx相当,也是一种得到较多应用的微测辐射热计材料,其优点是与标准硅工艺完全兼容,制备过程相对简单。但由于多晶硅是无定形结构,呈现的1/f噪声比VOx要高,所以NETD通常不如VOx材料。

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氧化钒于多晶硅的相同之处

  • 1、生产工艺相同

微测辐射热计技术与CMOS工艺兼容,能够与CMOS读出电路单片集成,可基于半导体制造工艺进行大规模生产,是非制冷红外焦平面探测器的主流技术。

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  • 2、薄膜种类相同

氧化钒薄膜与非晶硅薄膜都是半导体热敏薄膜,薄膜TCR与电阻率都成正比关系。

氧化钒与非晶硅的不同之处

  • 1、 薄膜沉积方法

氧化钒薄膜采用反应溅射沉积方法制备,需要对标准CMOS工艺PVD设备进行改造,引入O2作为反应气体,实现薄膜氧化。非晶硅薄膜采用化学气相沉积(CVD)方法制备,需要对标准CMOS工艺CVD设备进行改造,引入H2作为反应气体,实现薄膜掺氢工艺。

  • 2、 成像原理

以成像的原理看,氧化钒一个像元就是一个精确的温度,多晶硅薄膜由于材料生长的特性,对温度的变化相对不敏感。随着软件算法的发展,可以通过图像算法程序把这个缺点做一定程度的弥补。通过图像算法把N*N(N≥2)个像元的平均温度作为一个测温值。那么临近区域给出一个模拟的人工数值。如果近距离观测还可以,观测距离远时,有时一个物体只有几个像元时,往往无法识别或者分析错误。

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  • 3、 薄膜性能指标不同

主要包括TCR电阻温度系数、1/f噪声系数、电阻率与电阻均匀性。氧化钒薄膜与非晶硅薄膜都是半导体热敏薄膜,薄膜TCR与电阻率都成正比关系。同样电阻率条件下,氧化钒薄膜TCR优于非晶硅薄膜。