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在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标的关键，其主要作用是将入射的红外信号转化为可以检测的电信号后进行输出。探测器性能的高低是衡量红外探测技术发展水平的重要指标。作为军事和民用领域的重要技术，红外探测技术被广泛地使用于消防、医疗、工业、安防、制导、导弹跟踪和拦截等领域。
按照工作条件的不同，可以将红外探测器分为制冷型和非制冷型两种类型。目前应用最广泛的碲镉汞（MCT）、锑化铟（InSb）等红外探测器，都属于制冷型。虽然其性能好、分辨率高、探测距离远，但要实现这些目标，都需要昂贵的制冷设备来降低其暗电流噪声[1]，这就造成整个系统价格昂贵、体积大，使用成本高。区别于需要制冷的红外探测器类型，非制冷型的探测器舍弃了昂贵复杂的制冷装置，可以工作在室温附近，其体积、重量和成本都得到明显降低，非制冷型探测器的这些优势，使得其在在军用和商业领域都有广泛的应用[2-3]。随着近些年非制冷红外探测器技术的发展，其性能也在不断提升，应用范围也越来越广，甚至可以在一些应用场合替代制冷型的红外探测器。其应用领域如图1所示。
按照市场定位来划分，非制冷红外探测器可以分为两个领域：高端市场和低端市场。高端市场主要针对军用，要求小像元、大面阵、高可靠性；而对于低端市场，主要要求价格低[4]。非制冷探测技术经过多年的发展，和制冷型的相比，虽然其在性能上有一些差距，但对于绝大部分的民用需求以及部分的军事应用要求来说，其性能已经可以满足使用需求。在军事应用领域，由于省去了制冷装置，其结构得到很大的简化，这种简化有效的提高了系统的可靠性，并缩小了体积、降低了成本。由于其轻便体积小的特点，非制冷探测器非常适合于应用于陆军的轻武器系统，目前已经应用于瞄具、单兵侦查系统等；非制冷红外探测器能够在远距离的情况下或是恶劣条件有效地探测并跟踪目标，被应用于红外侦查系统。而对于低端的民用市场，非制冷红外系统所占领的领域，是制冷型热像仪由于其高昂的价格而很难进入的。
图 1 非制冷红外探测器的应用
Figure 1. Applications of uncooled infrared detector
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按照工作原理，目前已实现商业化应用的非制冷红外探测器大致可以按如下几种类型进行分类：热释电型探测器、热电堆型探测器、微测辐射热计型（以下称Bolometer）探测器等。非制冷红外探测器技术从20世纪80年代开始发展，到90年代初，开始有Honeywell公司关于红外Bolometer焦平面产品的文献报道[5]。非制冷红外探测器的发展历程如图2所示。
图 2 非制冷红外探测器的发展历程
Figure 2. Development of uncooled infrared detector
从几种产品的技术特点比较来看，热释电探测器工艺与现代半导体工艺的兼容性最差；热电堆探测器像元尺寸到50~100 μm左右就基本已达到极限；而Bolometer工艺与半导体制造工艺能很好的兼容，非常适合于大规模的集成和生产[6]，因此Bolometer的技术路线逐渐战胜了其他的技术类型，成为主流的技术方向，并在市场中占领了绝对优势的份额。Bolometer技术诞生至今，许多材料曾作于Bolometer的敏感材料，但是由于各自的性能特点和不同的发展路线，那些性能差、或是不适合于大规模生产的材料逐渐被淘汰，目前到未来相当长的时间内，应用最广泛、开发最充分的敏感材料是氧化钒(VOx)和非晶硅(α-Si)[7-8]。
相较于VOx、α-Si的Bolometer器件在商业化应用中的飞速发展，红外测温市场之前一直是不温不火的状态。但是今年上半年因为新冠疫情影响，市场被激活。对传感器、耳温枪、测温系统等的需求暴涨。预计今后对测温的需求将转为常态，测温应用会越来越被普及，测温市场将向可穿戴设备、智能家电、手机等领域快速扩张。
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Bolometer探测器是通过MEMS加工技术，制备出悬空、隔热的微桥结构[9]。图3介绍了典型的Bolometer器件的结构、封装、成像等。它是由吸收层、热敏感层、支撑腿、互联导线和基底等部分所组成。吸收层吸收了红外辐射后，将其转化为热能，然后敏感层的温度发生变化，热量的变化引起电阻的变化，阻值的变化转化为电流或电压信号提取出来，就完成了红外探测[10-11]。
图 3 Bolometer器件。（a）单个像元结构示意图[12]；（b）像元组成结构示意图；（c）像元SEM图；（d）焦平面局部显微镜图；（e） 640×512焦平面局部SEM图；（f） Wafer显微镜图；（g）封装示意图；（h） Bolometer探测器；（i） Bolometer成像图
Figure 3. Bolometer. (a) Diagram of pixel structure[12]; (b) Diagram of pixel profile diagram; (c) Pixel SEM image; (d) Partial microscope diagram of 640×512 focal plane array; (e) Partial SEM image of 640×512 focal plane array; (f) Microscope diagram of wafer; (g) Package diagram; (h) Bolometer detector; (i) Bolometer image
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器件对红外信号的探测灵敏度，主要取决于其红外辐射转化为温度变化的能力，对于同样功率的红外辐射，热敏材料的温度变化越大，器件的灵敏度就越高。所以要提高器件的灵敏度，除了要选取优质的敏感材料外，还需要在器件结构设计和封装设计上尽量减少热辐射热量的损耗，避免热传导和热对流造成热量损失。
1） Bolometer敏感材料
敏感材料的电阻-温度系数(TCR)是影响Bolometer性能的关键因素。要提高Bolometer的灵敏度，就需要选择电阻均匀性好、电阻温度系数（TCR）高、1/f噪声小的敏感材料。
热敏感薄膜材料选择上存在两条路线(VOx、α-Si)，分别是美国和法国所走的不同的技术路线。20世纪80年代，美国Honeywell公司在军方资助下在研发出VOx的Bolometer器件，后授权数家公司生产；而法国在20世纪90年代末期才推出采用α-Si的Bolometer。由于美国应用较早且基于其国内外庞大的需求，目前美国研制的VOx材料路线占领了80%左右的市场份额。
VOx的TCR一般为2%~3%/K，特殊方法制备的单晶态VO2和V2O5可达4%/K。从目前技术发展水平看，采用VOx热敏薄膜材料的探测器在性能上较α-Si有一定优势，VOx材料的噪声小、TCR大的特点，是较为理想的制备非制冷Bolometer阵列的敏感材料：
（1） 相比于VOx，α-Si是标准的硅工艺，更容易制造，成本更低。
（2） VOx探测器可以做到更高的NETD和灵敏度。
（3） α-Si材料的1/f噪声比VOx高，非均匀性差，成像质量低于VOx。
在未来一段时间内，VOx与α-Si探测器两种技术路线仍将同时存在，只是市场定位不会有不同。VOx定位于对性能、图像质量等有较高要求的领域，而α-Si更适合于对价格敏感、对性能要求低的民用领域。
2）读出电路
读出电路是限制探测器性能的核心技术，但是由于读出电路是和探测器配套出现的，在报道产品时，各大厂商很少对读出电路进行单独的报道，只是会对读出电路的一些关键技术指标进行说明。在知道了探测器的指标后，可以对读出电路的参数进行推算。我们经常根据探测器披露的信息，对推测其相应的读出电路水平[13]。
由于Bolometer是热敏型的探测器，对于细微的温度变化都很敏感，早期的Bolometer阵列都是在衬底上加一个半导体制冷器（TEC）来保持温度的稳定。近年随着读出电路设计水平的提高，设计出了补偿电路来抑制温度漂移。目前国外己经有公司研制出无TEC的非制冷红外探测器，且在读出电路(ROIC)上集成了ADC电路，性能较以往的探测器有明显提高，而且体积、功耗、成本都有所降低[14-15]。
3）封装
非制冷探测器的成本和体积等是限制其应用的关键因素[16]。封装的成本在整个探测器的研发成本中占的比重很大（超过50%），要降低非制冷探测器的成本，关键因素之一器件的封装[17-19]。目前正在应用或是正待发展的封装技术包括：金属封装、陶瓷封装、晶圆级封装和像元级封装。几种封装技术的特点、使用厂家和典型产品如表1所示。
表 1 几种封装对比
Table 1. Comparison of several packages
Package type Feature Major manufacturers Product Metal package High cost, difficult to achieve civilian
use when applied in the military field,
and will gradually fade outEarly ULIS, DRS,
SCD, NEC, BAE
Ceramic package Upgraded form of metal packaging,
using cheap ceramic materials, reducing
packaging volume and weight,
and reducing packaging costsThe most popular packaging
technology in recent years
Wafer level package High integration, simplified process
steps, suitable for mass production
and low cost productionFLIR, ULIS, Guide
infrared, Iray
Pixel level package Simplifies the manufacturing process
of uncooled IRFPA, reducing
packaging costs to the extremeThis technology is still in the research stage 金属管壳封装是一种传统器件封装方式，其封装结构组件包括金属外壳（管壳）、半导体制冷器（TEC）、吸气剂、过渡基板和红外窗口等。各组件之间连接以金属焊接为主，封装内部集成TEC、吸气剂等高成本部件，且封装过程中进行多次焊接、粘连、划片和排气等工艺步骤，整个流程下来耗时过长，且每批产品数量有限，所以成本一直居高不下。这种封装形式的产品一般应用在军事领域，很难实现民用化，随着低成本高集成度封装技术的发展，金属管壳封装形式的探测器将逐步淡出热成像探测器市场[20]。
陶瓷封装是金属封装的升级形式，封装材料使用廉价陶瓷材料，封装体积和重量都有减少，同时也一定程度降低了封装成本。陶瓷封装的内部已经省去TEC制冷器，所使用的管壳是陶瓷基板（多层布线），吸气剂采用的是片式或者薄膜吸气剂，这些都能减小封装的体积和成本。芯片完成组装、打线等工序后，采用“三合一”的封接技术完成封装[21]。陶瓷封装是目前使用最广泛的封装形式，国内的Iray、大立，以色列的SCD等公司，其主流货架产品都是陶瓷封装。
晶圆级封装技术，是目前器件封装领域最前沿的技术，在半导体封装领域迅速获得巨大的应用[22]，由于其封装结构简单、封装工艺与半导体工艺完全兼容等特点，使其在器件结构小型化、高集成、低成本上具备天然优势，符合半导体器件发展的趋势，也是目前非制冷红外探测器封装技术中最具发展前景的新型封装形式。
像元级封装理论上在最大程度上降低了封装成本，提高集成度的封装方案[23]。在像元级封装中，封装的对象是焦平面阵列中小像元单位。设计原则上在每个像元单位上通过微细加工技术沉积封盖结构，再在每一个封盖上沉积红外窗口薄膜，这样每一个像素单元就被单独密封了起来。但该封装技术目前还没有引进国内，世界范围内仍处在技术研究阶段，所以未来的几十年里，很难代替片级封装。
高德红外和Iray都推出了WLP晶圆封装的VOx探测器，随着WLP封装技术的成熟，α-Si的成本优势不再。Iray推出了1280×1024/12 μm，640×512/12 μm晶圆封装FPA探测器；高德高芯科技也研制生产出256×192/17 μm和120×92/12 μm晶圆封装FPA探测器，正在研制400×300/12 μm，640×512/12 μm以及1280×1024/12 μm晶圆封装FPA探测器。
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国内主要生产厂商，高德红外、北方广微、睿创微纳都是VOx一脉，大立科技是α-Si。经过近十年的发展，国外产品相比国产主流产品在面阵规模、像元间距和噪声等效温差等指标上已经无明显优势。国内外主要生产微测辐射热的厂家主要产品如表2所示。
表 2 国内外微测辐射热的主要产品
Table 2. Main products of microbolometer from major manufacturers
Manufacturer Thermal material Pixel size/µm Array scale Package form NETD Ref. FLIR
(US)VOx 12 80×60/160×120 Metal/ Ceramic / Wafer level <50 mK [24] 640×512/320×256 <40 mK；<50 mK；
<60 mK17 336×256 <30 mK DRS
(US)VOx 17 1024×768/640×480/320×240 Metal/ Ceramic ≤14 ms /<40 mK [25] 640×480 ≤14 ms /<50 mK Lynred
(France)α-Si 12 640×480； Wafer level <10 ms /<60 mK [26] 320×240 Ceramic <10 ms /<60 mK 17 1024×768； Wafer level <12 ms /<50 mK 640×480； Ceramic <12 ms /<50 mK；<40 mK；
<30 mK；384×2880×120 <10 ms /<60 mK SCD
(Israel)VOx 17 1024×768 / 12 ms/<45 mK [27] 640×512； Ceramic //<35 mK 640×480 Ceramic 10-18 ms/ 22-50 mK Iray
(China)VOx 12 1280×1024；640×512 Wafer level/Ceramic 7 ms；10 ms /≤40 mK；≤50 mK [28] 14 1024×768；640×512 Ceramic 7 ms /≤40 mK 17 640×512；384×288 Metal 10 ms /≤50 mK 384×288 Wafer level/Ceramic 10 ms /≤40 mK DALI
(China)α-Si 15 1 920×1080, 1280×1024, 1024×768 Metal ≤50 mK [29] 17 160×120, 240×180，384×288, 640×480 Ceramic ≤60 mK 384×288 Metal ≤50 mK 25 80×80, 120×120, 160×120 Ceramic ≤50 mK 384×288 Metal ≤40 mK Guide infrared
(China)VOx 12 640×512；400×300；256×192； Wafer level <12 ms/<40 mK；<60 mK [30] 1280×1024；640×512；400×300；256×192； Metal <12 ms/<30 mK；<40 mK；<60 mK 17 400×300；120×90 Wafer level <12 ms/<40 mK 400×300；800×600 Metal <12 ms/<40 mK GWIC
(China)VOx 20 640×512； Metal ≤12 ms/≤40 mK；≤60 mK [31] 17 ≤12 ms/≤40 mK；≤50 mK 17 384×288 ≤12 ms/≤40 mK；≤50 mK 20 15 ms/≤40 mK；≤50 mK 25 ≤10 ms/≤40 Mk；≤50 mK -
与Bolometer相比，SOI二极管非制冷型FPA的灵敏度要低接近一个数量级，但是后者可以通过现有的MEMS工艺和CMOS工艺集成化而实现规模化生产，这在很大程度降低了生产成本，同时还可以使像素尺寸做到很小，因此SOI二极管型非制冷型探测器在民用红外成像市场有很好的发展前景。
日本的Mitsubishi公司一直在硅SOI二极管开发中处于领先地位。早在1999年[32]，这家公司就报道了一种320×240面阵规格、像素间距少于40 μm的SOI二极管型非制冷红外探测器，它是在缺陷较少的SOI单晶薄膜上制作，具有较低的1/f噪声,吸收膜层的填充系数高达90%，NETD达到200 mK。2005年[33]，该公司研制的SOI二极管型非制冷型红外探测器像素间距减小到25 μm，面阵规格为640×480，NETD减小到40 mK，红外吸收率能达到80%。2020年，该公司的Fujisawa等人[34]报道该公司应用一种可甚伸缩的像素结构来减小像素大小，实现了SOI二极管非制冷红外焦平面像素间距减小到小于12 μm。
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2020年，随着新冠肺炎在全球范围内的爆发，非接触式人体红外测温设备，迎来了前所未有的火爆行情，各式各样的红外测温仪器，一瞬间充斥全球市场。红外热电堆传感器作为非接触式人体测温应用的核心元器件，更是炙手可热，供不应求。
热电堆探测器利用塞贝克原理[35]，当目标与环境之间存在温度差时，传感器输出对应的电压，从而检测出目标存在或目标的温度。检测的是恒定的红外辐射量，不用对信号源进行调制[36]。图4(a)是热电堆探测器的示意图。它是自激励产生信号，属于被动红外器件，周围的环境对器件的输出信号影响程度较小。红外热电堆传感器广泛应用于非接触式温度测量应用中，例如：耳温枪、额温枪、固定式温度探头等。对于每年有数亿颗出货量的庞大市场，与Bolometer相比，红外热电堆传感器更具有成本优势。
图 4 热电堆探测器/热释电探测器/InGaAs探测器。(a) 热电堆探测器示意图；(b) 亚泰光电热电堆传感器；(c)海曼公司的热释电探测器产品；(d) 海曼公司的热释电探测器产品和火柴头对比；(e) Lynred的SW InGaAs探测器；(f) 中国科学院上海技术物理研究所1.7 μm近红外InGaAs FPA成像图片
Figure 4. Thermopile detector/pyroelectric detector/InGaAs detector. (a) Schematic diagram of thermopile detector; (b) Thermopile sensor of Yatai photoelectric Company; (c) Pyroelectric detector product of Heimann company; (d) Comparison of pyroelectric detector product and match head of Heimann company; (e) SW InGaAs detector of Lynred; (f) Image of 1.7 μm near infrared InGaAs focal plane arrays produced by Shanghai Institute of Technology and Physics, Chinese Academy of Sciences
据麦姆斯咨询报道，海曼（Heimann）推出的32×32像素红外热电堆阵列传感器，是专门为智能家居和智能建筑应用而生，虽然分辨率不高，但是便宜且易于集成，非常适合于那些无需高分辨率图像和高帧频的应用。国内也有很多公司在进行热电堆探测器的研发，比如亚泰光电、众智、西人马、新威等公司都推出了热电堆传感器。图4(b)是国内亚泰光电公司的热电堆产品。
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热释电探测器是基于热释电效应而开发出的一种探测器，热释电探测器检测的是辐射量的变化，主要进行的是运动检测。在多种类型的热探测器中，热释电探测器的探测效率是很突出的，并且热释电的响应频率很宽（可以全波段响应）、响应时间短[37]。在室温300 K下工作的MWIR红外NaNO2热释电探测器的探测率最大可以到2.12×108 Jones[38]。热释电红外探测器不需要制冷，因此省去了制冷设备，这就使得热释电红外探测器制作成本低、结构紧凑、体积小巧、携带方便；而对各个波段的波长都有响应的特性，使得热释电探测器具有很高的通用性；热释电的敏感元是一个纯电容型的输出阻抗，可以有效控制器件的噪声带宽。
早在20世纪80年代，大阪大学就有团队采用热释电LiTaO3单晶和Si CCD相结合的方法，研制了一种面阵规格为64×32的室温型CCD红外图像传感器[39]。经过数十年的发展，红外热释电红外探测技术取得了长足的发展，这些研究成果被广泛应用在军事、安全、医疗健康等领域。图4(c)和(d)是海曼公司的热释电产品。
目前热释电传感器行业最具代表性两家厂家是英国Pyreos公司和德国InfraTec公司。Pyreos公司[40]推出了多种规格的热释电传感器，其响应波段可以覆盖1.3~25 μm。2017年Pyreos公司推出全球尺寸最小的数字热释电传感器ezPyro，这是一款世界上最小的拥有数字接口的热释电红外传感器，尺寸为5.65 mm×3.7 mm×1.55 mm（长×宽×高），响应时间在毫秒量级，而其他同类产品的响应时间为几秒钟；InfraTec公司[41]的热释电探测器材料为单晶钽酸锂，其产品采用模块化结构设计，除了常规的热释电探测器外，还覆盖了多通道和可调波长探测器。InfraTec公司开发的基于MOEMS可调波长产品以及多通道红外探测器，可以用于气体分析、火焰检测和光谱仪等。
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InGaAs短波红外探测器技术最开始是为了军用而开发的，由于在常温工作时InGaAs探测器性能很好，相对于制冷型器件，InGaAs短波红外探测技术在红外探测领域是不容忽视的。近年，国内外都加大了InGaAs探测器的开发和应用力度。2016年中国科学院上海技术物理研究所[42]报道了一种的InGaAs近红外FPA，其响应波段为0.9~1.7 μm，面阵规格800×2、320×256、640×512、1024×128、4000×128，在室温时，其暗电流密度小于5 nA/cm2，器件的峰值探测率大于5×1012 Jones。图4(e)和(f)是中国科学院上海技术物理研究所的InGaAs近红外FPA产品和成像图。
法国的Lynred、美国FLIR等公司也推出多款短波红外InGaAs产品。FLIR公司[24]型号为Tau SWIR的热像仪机芯采用高分辨率InGaAs 640×512/15 µm FPA，可有效降低噪声的板载相关双采样（CDS），能够满足任何任务的要求。美国的Sensor Unlimited公司生产的320×256~1280×1024阵列规格的FPA，器件的D*高达12.9×1013 Jones。法国的Lynred[26]640×512/15 µm的FPA，其量子效率(QE)在1 µm到1.6 µm波段大于70%，在0.2 V的偏压时暗电流为30 fA。
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尽管VOx、α-Si的非制冷Bolometer探测器的商业化取得了很大的成功，但红外热像仪仍在寻找一个价格更合理、操作更方便、性能更优良的热像仪平台。
光电子学、电子、量子计算等领域的最新进展，也有望为红外探测器领域带来突破性进展。胶体半导体量子点、量子线碳纳米管和具有组合结构的石墨烯，这些组合结构可能使光电导体、光电二极管或场效应晶体管的高效益探测器设计成为可能。这些技术以及类似的技术使得未来实现高速、紧凑、轻量化和低成本传感器工作成为可能。文中介绍了一些典型的进展，汇总表如表3所示。
表 3 新型非制冷红外探测器汇总
Table 3. Summary of new uncooled infrared detectors
Material Material characteristics or functions Device type Device performance Ref. Silicon Very low power consumption CMOS-SOI-NEMS Reduced power consumption
and highly adaptable[43] VOx+Au Enhanced absorption Bolometer At wavelengths λ =4.8 µm and λ =9 µm with
the absorption magnitudes more than 0.98
and 0.94; tunable dual-band absorption
peaks can be achieved.[44] VOx+Au Modulation wavelength Bolometer The peak wavelength can be tailored
from 2.4 to 10.2 µm.[45] α-Si +Au Enhanced absorption Bolometer NEP：100 pW/Hz1/2，D*>5×107 Jones [46] Si Ultra-thin, highly-doped Bolometer Fast and highly-sensitive [47] Polycrystalline films of Mn-Co-Ni-O High TCR, low excess noise Bolometer At 30 Hz, noise equivalent temperature:
2.1 × 10−7 K/Hz1/2, responsivity: 330 V/W,
detectivity: 0.6 × 108 cm Hz1/2/W, noise
equivalent power: 3.7 × 10−10 W/Hz1/2[48] SixGeyO1−x−y High TCR and a low corresponding
resistivity can be achieved using
various compositions.Bolometer TCR: −3.95%/K, the TCR can be increased
and resistivity can be decreased by optimizing
the film contents at low oxygen concentration[49] Graphene With a variety of reported photodetectors
ranging from visible to THz frequenciesBolometer TCRs up to 900%/K, and the ability to
resolve temperature variations down to 15 µK.[50] Graphene Can be synthesized inexpensively
via a non-toxic processPhotodetector Modulates the back-gate voltage to increase the
photoresponse by a factor of approximately
600 compared to that for a conventional
graphene photodetector.[51] HgTe CQD Tunable optical response
and
the ease of fabricationCQD detectors Have peak D * of 7.5 × 1010 Jones at
2.2 µm at room temperature.[52] SiNx Has a bent cantilever due to the
micromachining techniquesOptical
readout FPAThe curvature radius of the multilayer cantilever
and the optical sensitivity of the system have
increased 5 times and 5.74 times.[53-54] InAsSb nanowire On InP substrate Nanowire
PhotodetectorThe photodetectors comprised
nanostructured photoabsorbers, n-InAsSb/p-InP
(nanowire substrate) p-n heterojunctions, and 3-D
plasmonic gratings. Spanning the entire
MWIR regime from 3 to 5 μm[55] InAs nanowire A rectification ratio greater than
300 at room temperatureHeterojunctions photodetector The dark current density is 130 mA/cm2 at
a temperature of 300 K and
a reverse bias of 0.5 V.[56] PbSe Low cost, the major choice for
mid-IR sensing applications operating
in the 1-5 µm spectral rangePhotoconductive D*: 4.2×1010 Jones [57] -
超结构能有效的提高器件波段选择吸收。图5介绍了几种典型的超表面结构。Qi Li[44]等提出了一种于表面等离子体共振的吸收层，对中波红外（MWIR）和长波红外（LWIR）波段吸收率有明显的增强作用。该周期性结构是由金圆形图案组成，位于SiN/VO2/SiN夹层结构的顶层。通过模拟表明，该吸收体在波长为4.8 μm和9 μm处，吸收率分别大于98%和94%。要实现可调谐的双频吸收峰值，可以通过改变图形的直径和周期来实现。
图 5 几种超表面结构。(a) 网格型超表面俯视图；(b)网格型超表面器件结构示意图；(c)圆盘型超表面示意图；(d) 圆盘超型表面局部示意图；(e) 双频带吸收器结构的俯视图；(f) 双频吸收器结构示意图；
Figure 5. Several metasurface structures. (a) Top view of a grid-type metasurface; (b) Schematic diagram of a grid-type metasurface device; (c) Schematic diagram of a disk-type metasurface; (d) Partial schematic diagram of a disk-type metasurface；(e) Top view of the dual-band absorber structure; (f) Schematic diagram of the dual-band absorber structure
Kaikai Du[45]等人提出了一种基于超材料吸收器的非制冷Bolometer，吸收峰可达到90%，通过调整金盘的几何形状，可以将吸收波长从2.4 μm调整至10.2 μm。
Aapo Varpula[46]等人设计了一种30 μm×30 μm的非制冷长波红外Bolometer，它能够兼容CMOS工艺，并且热时间常数很小(67 μs)。在上面生长一层24.5 μm×24.5 μm、厚度为30 nm厚的低热容金属栅吸收层(TiW)，这层吸收层和下面的光学谐振腔以及背反射层共同组成了一个1/4波长谐振腔。理论上，该探测器的NEP可以到低于100 pW/Hz1/2，D*大于5×107 Jones。
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尽管非制冷Bolometer的商业化取得了成功，但探索性能更好、价格更低廉的新型热敏材料的脚步一直未停歇。目前广泛使用的α-Si制备的辐射热计，虽具有成本效益，但速度较慢且灵敏度较低。Aapo Varpula[47]等人证明了超薄、高掺杂的硅膜可用于制造快速且高度灵敏的热电Bolometer。计算结果显示，更大面阵规模的探测器，仅受背景辐射限制，而不受探测器内部噪声的限制。
中国科学院上海技术物理研究所的黄志明[48]团队对Mn-Co-Ni-O薄膜材料和探测器进行了研究，薄膜材料的电阻率约为260 Ω·cm，TCR系数约为−3.9%/K；器件的响应率和探测率为323~335 V/W、D*为0.59×108~0.61×108 Jones。
对SixGeyO1−x−y材料的研究也是另一个热门方向。Lutful Hai[49]等人通过射频磁控溅射系统，在通Ar/O2的氛围下用两个独立的硅靶和锗靶同共溅制备SixGeyO1−x−y薄膜，通过调节组份可以改变材料的TCR和电阻，Si0.054Ge0.877OO.069的TCR可以到3.5%/K，电阻率可以到629 Ω·cm。Koppula[58]等人对SixGeyO1−x−y的Bolometer进行了研究，发现增加超结构后，电阻率降低了2.2~5.3倍，TCR提高了6%~10%。像素尺寸为40 μm×40 μm的Bolometer，最高电压响应率为4.37×104 V/W、探测率为1.19×109 Jones。真空退火后最低噪声为1.2×10−16 V2/Hz。
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随着石墨烯等超材料技术的发展，能够在大部分甚至全部红外波段工作的宽波段红外探测技术受到越来越多的关注。
2017年，U.Sassi[50]等人报道了一种石墨烯中波探测器，通过一种特殊的浮动金属结构，将电荷集中在石墨烯通道的顶部栅极电容器上，从而使TCR达到900%/K，并且能够识别的温度变化为15 μK。
2020年，日本的Shimatani[51]报道了一种基于热释电效应的长波红外(LWIR)石墨烯光电探测器。器件使用铌酸锂(LiNbO3)衬底，通过衬底的热释电效应增强光栅，来产生光栅效应。与传统的石墨烯光电探测器相比，这种有效的调节背栅电压可以增加大约600倍的光响应。该研究结果有助于今后实现高响应率、低成本的光电探测器在热成像、医疗保健和气体分析等领域的应用。
近些年，美国、新加坡等国的研究团队都不同程度上取得了突破，进一步验证了其独特的性能特点和潜在的技术优势。这些新的红外探测器主要通过材料的纳米级特性以及结构的有序设计来实现红外探测，通常具有工作温度高（不需要低温制冷）、灵敏度高等许多潜在的技术特性。虽然目前还有各种各样的缺陷和不足，但是其未来的发展和应用潜力不可估量，有可能给传统的红外/光电探测器技术领域带来根本性的变革。
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量子点由于其特殊的性质和低廉的制作成本而吸引了众多研究者的关注。2019年，芝加哥大学的Tang等人[52]提出了一种用HgTe胶体量子点制作的柔性红外探测器，该探测器具有机械柔韧性，D*高(2.2 μm处D*为7.5×1010 Jones），响应时间短（约为260 ns），可以用于敏感的红外电子眼中。图6(a)、(b)和(c)是该探测器的结构和成像图。同年，该作者还提出一种双波段的HgTe胶体量子点探测器[59]，该探测器为叠层结构，两种尺寸的HgTe量子点为SWIR (<2.5 μm)和MWIR（3~5 μm），通过改变偏压的极性和大小，双频探测器可在SWIR模式和MWIR模式之间快速切换。
图 6 新型非制冷红外探测器[52, 56]。（a）柔性HgTe CQDs光电探测器的器件结构图；（b）两个有水和没有水的塑料杯的SWIR图像；（c）芝加哥大学印刷徽标的SWIR图像；（d） InP (111) B衬底上生长的InAs纳米线阵列；（e） 100 μm×100 μm纳米线阵列引线键合的视图;
Figure 6. New uncooled infrared detector[52,56]. (a) Illustration of the device architecture of flexible HgTe CQDs photovoltaic detectors; (b) SWIR images of two plastic cups with and without water; (c) SWIR images of a printed logo of University of Chicago; (d) As-grown InAs nanowire arrays on InP (111) B substrate; (e) Wire-bonded close-up view of 100 μm×100 μm nanowire array
2020年，Sean Hinds等人[60]首次提出了阵列规格为1920×1080的胶体量子点扩展短波红外（eSWIR）相机，波长从300 nm到2100 nm，像元间距为15 μm。在室温下工作时，探测率为1×1012 Jones，暗电流为32 fA。这种方法制备的探测器，探测能力仅次于MCT，而且器件的暗电流和量子效率还有改进空间。这项技术在将来很有可能用于与MCT、InSb等热像仪相提并论。
根据Image Sensors World的报道[61]，比利时的IMEC（Interuniversity Microelectronics Centre）在2019年开发的第一代量子点SWIR阵列探测器，其阵列规格为758×512，像元间距为5 μm，在1450 nm波长达到的外量子效率大于20%。而第二代芯片目前经过测试，其像素间距将低至1.8 μm (典型InGaAs探测器的像素间距在15 μm到20 μm之间)。
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双材料制成的悬臂梁非制冷红外探测器制造工艺可以完全与常规的集成电路制造工艺兼容，理论上，它的NETD可以做到很小[62]，这样就能降低FPA的成本。我国很早就开展了相关工作的研究，中科大的Zhang团队[53-54]提出了一种光-机械式的非制冷红外探测器，这种探测器是由热膨胀系数不同的两种材料制成，当探测器吸收红外辐射时，热膨胀系数不同的两种材料会发生热致弯曲效应。当辐射功率不同，其弯曲的程度也会不同，这个弯曲量可以通过光学读出的方法进行读出。新成立的澳大利亚Calumino公司[63]也推出了一种用于物联网的双材料新型非制冷探测器，其像元间距为36×16的FPA利用悬臂结构，通过光学或电容变化读出，器件的NETD小于100 mK。这种探测器的价格非常有优势，主要用于包括安全尤其是老年人的安全等。
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除了上面列举的应用外，国内外学者还致力于研究一些新型的探测器。加州大学的Ren[55-56]等人报道了一种InP衬底上的InAs和InAsSb纳米线制备的中波红外室温光电探测，主要包括纳米结构的光吸收器、n-InAsSb /p-InP（纳米线基板）p-n异质结和3-D等离子体激元光栅。这项工作为非制冷纳米线光电探测器对工业和研究环境中的中波红外甚至更长的波长下的进行光电探测等应用奠定了基础。图6（c）和（d）就是该探测器阵列和键合示意图。
Weng[57]等人介绍了其在非制冷中波红外光导型PbSe探测器和光伏型PbSe探测器的新方法方面的研究进展。光导型PbSe探测器的探测率达到4.2×1010 Jones，基于对光导型探测器的研究，开发了一种使用PbSe微晶生产光伏性探测器的新方法，初步研究的结果非常令人鼓舞。
美国加州理工大学Harry Atwater教授[64]研究团队介绍了一种带有纳米光子共振结构的热电探测器。该器件通过光学结构，对入射光进行选择性吸收和局部汇聚，响应率可以达到38 V/W，其响应速率比传统热电器件的快10到100倍。
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经过近十年的发展，国内非制冷红外探测器技术进步显著，某些技术上甚至可以和国外厂家的主流产品相提并论。随着国家对红外探测技术的重视，特别是2020年新冠疫情的刺激，未来对红外热像仪的需求会不断扩大，热成像技术和应用市场还有更多的潜力有待挖掘。
第一个大趋势是将成像和光学部分都移动到晶圆级制造,使得大批量生产的优势最大化,增加规模经济效益。第二大趋势是减小传感器的芯片尺寸，因此，一场缩小像素间距的竞争将持续进行。第三个大趋势是低成本、低分辨率传感器市场的需求。由于低端市场扩张，为低成本、低分辨率传感器打开市场机遇的大门。因此，低成本技术，如热电辐射计、热敏二极管或热电堆，有可能在市场上成功推出产品，与低分辨率Bolometer进行竞争。
非制冷探测器除了不断降低成本、缩小像元尺寸、扩大面阵规格外，还需要不断探索新的探测机制和探测方式，其中包括新材料、新器件、新机理的探索，为未来多样化的需求奠定基础。
Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)
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摘要: 非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低等特点，在红外领域得到了广泛的应用。在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制冷型探测器。在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应用领域引起了广泛的兴趣和关注。文中介绍了Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。除了已实现商业化应用的Bolometer、热释电、SOI二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展趋势作了预测。Abstract: Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost, small size, and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature. In military application field, the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector, and has been widely used in some low-cost weapon systems, even replaced the original uncooled detectors in some application fields. In the civil field, it has shown its advantages in price and ease of use, and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision, security monitoring and other application field. The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric, thermopile, etc. were introduced, and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated, the development of pixel pitch, array specifications, performance and packaging of mainstream bolometer devices was focused, which were currently the most widely used. In addition to the bolometer, pyroelectric, SOI diode and other products that had been commercialized, some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail: such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands, the research progress of new materials bolometer, new bi-material uncooled devices, graphene, quantum dots, nanowires and other photoelectric detection technologies. Finally, the future development trend of uncooled infrared detectors were predicted in the end of the review.
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Key words:
- uncooled /
- infrared detector /
- pyroelectric /
- bolometer /
- package
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图 3 Bolometer器件。（a）单个像元结构示意图[12]；（b）像元组成结构示意图；（c）像元SEM图；（d）焦平面局部显微镜图；（e） 640×512焦平面局部SEM图；（f） Wafer显微镜图；（g）封装示意图；（h） Bolometer探测器；（i） Bolometer成像图
Figure 3. Bolometer. (a) Diagram of pixel structure[12]; (b) Diagram of pixel profile diagram; (c) Pixel SEM image; (d) Partial microscope diagram of 640×512 focal plane array; (e) Partial SEM image of 640×512 focal plane array; (f) Microscope diagram of wafer; (g) Package diagram; (h) Bolometer detector; (i) Bolometer image
图 4 热电堆探测器/热释电探测器/InGaAs探测器。(a) 热电堆探测器示意图；(b) 亚泰光电热电堆传感器；(c)海曼公司的热释电探测器产品；(d) 海曼公司的热释电探测器产品和火柴头对比；(e) Lynred的SW InGaAs探测器；(f) 中国科学院上海技术物理研究所1.7 μm近红外InGaAs FPA成像图片
Figure 4. Thermopile detector/pyroelectric detector/InGaAs detector. (a) Schematic diagram of thermopile detector; (b) Thermopile sensor of Yatai photoelectric Company; (c) Pyroelectric detector product of Heimann company; (d) Comparison of pyroelectric detector product and match head of Heimann company; (e) SW InGaAs detector of Lynred; (f) Image of 1.7 μm near infrared InGaAs focal plane arrays produced by Shanghai Institute of Technology and Physics, Chinese Academy of Sciences
图 5 几种超表面结构。(a) 网格型超表面俯视图；(b)网格型超表面器件结构示意图；(c)圆盘型超表面示意图；(d) 圆盘超型表面局部示意图；(e) 双频带吸收器结构的俯视图；(f) 双频吸收器结构示意图；
Figure 5. Several metasurface structures. (a) Top view of a grid-type metasurface; (b) Schematic diagram of a grid-type metasurface device; (c) Schematic diagram of a disk-type metasurface; (d) Partial schematic diagram of a disk-type metasurface；(e) Top view of the dual-band absorber structure; (f) Schematic diagram of the dual-band absorber structure
图 6 新型非制冷红外探测器[52, 56]。（a）柔性HgTe CQDs光电探测器的器件结构图；（b）两个有水和没有水的塑料杯的SWIR图像；（c）芝加哥大学印刷徽标的SWIR图像；（d） InP (111) B衬底上生长的InAs纳米线阵列；（e） 100 μm×100 μm纳米线阵列引线键合的视图;
Figure 6. New uncooled infrared detector[52,56]. (a) Illustration of the device architecture of flexible HgTe CQDs photovoltaic detectors; (b) SWIR images of two plastic cups with and without water; (c) SWIR images of a printed logo of University of Chicago; (d) As-grown InAs nanowire arrays on InP (111) B substrate; (e) Wire-bonded close-up view of 100 μm×100 μm nanowire array
表 1 几种封装对比
Table 1. Comparison of several packages
Package type Feature Major manufacturers Product Metal package High cost, difficult to achieve civilian
use when applied in the military field,
and will gradually fade outEarly ULIS, DRS,
SCD, NEC, BAECeramic package Upgraded form of metal packaging,
using cheap ceramic materials, reducing
packaging volume and weight,
and reducing packaging costsThe most popular packaging
technology in recent yearsWafer level package High integration, simplified process
steps, suitable for mass production
and low cost productionFLIR, ULIS, Guide
infrared, IrayPixel level package Simplifies the manufacturing process
of uncooled IRFPA, reducing
packaging costs to the extremeThis technology is still in the research stage 
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表 2 国内外微测辐射热的主要产品
Table 2. Main products of microbolometer from major manufacturers
Manufacturer Thermal material Pixel size/µm Array scale Package form NETD Ref. FLIR
(US)VOx 12 80×60/160×120 Metal/ Ceramic / Wafer level <50 mK [24] 640×512/320×256 <40 mK；<50 mK；
<60 mK17 336×256 <30 mK DRS
(US)VOx 17 1024×768/640×480/320×240 Metal/ Ceramic ≤14 ms /<40 mK [25] 640×480 ≤14 ms /<50 mK Lynred
(France)α-Si 12 640×480； Wafer level <10 ms /<60 mK [26] 320×240 Ceramic <10 ms /<60 mK 17 1024×768； Wafer level <12 ms /<50 mK 640×480； Ceramic <12 ms /<50 mK；<40 mK；
<30 mK；384×2880×120 <10 ms /<60 mK SCD
(Israel)VOx 17 1024×768 / 12 ms/<45 mK [27] 640×512； Ceramic //<35 mK 640×480 Ceramic 10-18 ms/ 22-50 mK Iray
(China)VOx 12 1280×1024；640×512 Wafer level/Ceramic 7 ms；10 ms /≤40 mK；≤50 mK [28] 14 1024×768；640×512 Ceramic 7 ms /≤40 mK 17 640×512；384×288 Metal 10 ms /≤50 mK 384×288 Wafer level/Ceramic 10 ms /≤40 mK DALI
(China)α-Si 15 1 920×1080, 1280×1024, 1024×768 Metal ≤50 mK [29] 17 160×120, 240×180，384×288, 640×480 Ceramic ≤60 mK 384×288 Metal ≤50 mK 25 80×80, 120×120, 160×120 Ceramic ≤50 mK 384×288 Metal ≤40 mK Guide infrared
(China)VOx 12 640×512；400×300；256×192； Wafer level <12 ms/<40 mK；<60 mK [30] 1280×1024；640×512；400×300；256×192； Metal <12 ms/<30 mK；<40 mK；<60 mK 17 400×300；120×90 Wafer level <12 ms/<40 mK 400×300；800×600 Metal <12 ms/<40 mK GWIC
(China)VOx 20 640×512； Metal ≤12 ms/≤40 mK；≤60 mK [31] 17 ≤12 ms/≤40 mK；≤50 mK 17 384×288 ≤12 ms/≤40 mK；≤50 mK 20 15 ms/≤40 mK；≤50 mK 25 ≤10 ms/≤40 Mk；≤50 mK
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表 3 新型非制冷红外探测器汇总
Table 3. Summary of new uncooled infrared detectors
Material Material characteristics or functions Device type Device performance Ref. Silicon Very low power consumption CMOS-SOI-NEMS Reduced power consumption
and highly adaptable[43] VOx+Au Enhanced absorption Bolometer At wavelengths λ =4.8 µm and λ =9 µm with
the absorption magnitudes more than 0.98
and 0.94; tunable dual-band absorption
peaks can be achieved.[44] VOx+Au Modulation wavelength Bolometer The peak wavelength can be tailored
from 2.4 to 10.2 µm.[45] α-Si +Au Enhanced absorption Bolometer NEP：100 pW/Hz1/2，D*>5×107 Jones [46] Si Ultra-thin, highly-doped Bolometer Fast and highly-sensitive [47] Polycrystalline films of Mn-Co-Ni-O High TCR, low excess noise Bolometer At 30 Hz, noise equivalent temperature:
2.1 × 10−7 K/Hz1/2, responsivity: 330 V/W,
detectivity: 0.6 × 108 cm Hz1/2/W, noise
equivalent power: 3.7 × 10−10 W/Hz1/2[48] SixGeyO1−x−y High TCR and a low corresponding
resistivity can be achieved using
various compositions.Bolometer TCR: −3.95%/K, the TCR can be increased
and resistivity can be decreased by optimizing
the film contents at low oxygen concentration[49] Graphene With a variety of reported photodetectors
ranging from visible to THz frequenciesBolometer TCRs up to 900%/K, and the ability to
resolve temperature variations down to 15 µK.[50] Graphene Can be synthesized inexpensively
via a non-toxic processPhotodetector Modulates the back-gate voltage to increase the
photoresponse by a factor of approximately
600 compared to that for a conventional
graphene photodetector.[51] HgTe CQD Tunable optical response
and
the ease of fabricationCQD detectors Have peak D * of 7.5 × 1010 Jones at
2.2 µm at room temperature.[52] SiNx Has a bent cantilever due to the
micromachining techniquesOptical
readout FPAThe curvature radius of the multilayer cantilever
and the optical sensitivity of the system have
increased 5 times and 5.74 times.[53-54] InAsSb nanowire On InP substrate Nanowire
PhotodetectorThe photodetectors comprised
nanostructured photoabsorbers, n-InAsSb/p-InP
(nanowire substrate) p-n heterojunctions, and 3-D
plasmonic gratings. Spanning the entire
MWIR regime from 3 to 5 μm[55] InAs nanowire A rectification ratio greater than
300 at room temperatureHeterojunctions photodetector The dark current density is 130 mA/cm2 at
a temperature of 300 K and
a reverse bias of 0.5 V.[56] PbSe Low cost, the major choice for
mid-IR sensing applications operating
in the 1-5 µm spectral rangePhotoconductive D*: 4.2×1010 Jones [57]
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