为适应非制冷红外探测器高空间分辨率的发展趋势, 非制冷红外焦平面阵列作为非制冷红外探测器的核心部件不断向大阵列、小像素方向发展。本文针对二极管型非制冷红外焦平面阵列, 理论分析了敏感元件二极管对读出电路以及器件性能的影响, 在确定二极管最佳工作电流的同时, 提炼出二极管结构中串联个数以及结面积为主要性能影响因素。基于此, 设计了 p+n-pn-n+p三合一二极管, 并将其与传统二极管、回型二极管、 p+n-n+p二合一二极管、以及由 p+n-n+p二合一二极管直接拓展得到的两种三合一二极管进行了对比考察, 研究发现 6种结构中 p+n-pn-n+p三合一二极管在相同尺寸下拥有最多的二极管串联数量且结面积相对最大; 进而利用 Sentaurus TCAD仿真, 验证了在同一整体尺寸下, p+n-pn-n+p三合一二极管的电压温度系数分别约为 p+n-n+p二合一二极管, 及在其基础上直接拓展得到的两种三合一二极管的 1.5倍, 为回型二极管与传统二极管的 2.6倍、3.7倍。证明了在小像素下 p+n-pn-n+p三合一二极管性能最优, 且在其基础上拓展可得到 N合一二极管能进一步优化器件的性能。

陶瓷封装是非制冷红外探测器最主流的封装形式, 封装的低成本、小型化和高可靠性是发展方向。在某款陶瓷封装探测器结构的基础上, 提出一种优化结构, 优化后成本降低约 5%、体积缩小约 30%。基于 ANSYS Workbench有限元分析软件, 从网格数量无关性验证出发, 分析了非制冷红外探测器陶瓷封装原始结构和优化结构各组件在 10.2G随机振动环境和 500g半正弦波冲击振动环境的最大等效应力和最大形变, 结果显示两种结构均满足可靠性要求。在此基础上, 本文对优化结构红外窗口的不同材料和不同厚度进行了 500g半正弦波冲击振动环境可靠性仿真, 结果表明: 0.3 mm～1.0 mm厚度锗窗口和硅窗口均满足可靠性要求, 最大等效应力和最大形变与窗口厚度呈负相关, 相同厚度的红外窗口, 硅窗口比锗窗口可靠性表现更好。本文的研究为非制冷红外探测器陶瓷封装形式的后续结构设计和仿真计算提供了参考。

红外成像系统已经应用到**和民用领域多年，但一直没得到广泛应用，主要原因是其分辨率低、成本高、工艺不稳定和技术门槛高等。解决这些问题需要从传感器工艺、探测器封装、红外图像处理芯片等方面加以改进。红外技术未来会朝低成本、专用处理芯片、高分辨率等方向发展。目前，国内厂商陆续推出了晶圆级封装（Wafer-Level Package,WLP）、高分辨率探测器和专用图像处理芯片等方面的新产品。但采用这些新器件的红外成像系统却没有得到相应的研究。本文主要基于烟台艾睿光电科技有限公司新推出的晶圆级封装的1280×1024元红外探测器以及专用图像处理芯片的实际应用，在系统架构、结构散热、成像算法等方面对由新器件构建的红外成像系统进行了验证分析。

非制冷红外探测器产生的杂散光会在焦平面形成非均匀的图像,而在探测器窗口附近使用光阑,并对其开孔形状进行优化设计,是抑制杂散光的关键。利用区域法建立了杂散光在焦平面上的照度分布计算模型,并建立了变量模型和目标函数模型,以区间穷举法作为极值搜寻方法,完成了优化光阑开孔的程序编制。针对某款存在杂散光问题的非制冷红外探测器,利用所提数学方法优化设计了光阑的开孔形状,极大地削弱了由杂散光引起的“锅盖效应”,从而验证了光阑开孔形状优化设计方法的正确性与实用性。

针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array, UIRFPA)对多目标成像时动态范围有限的问题, 基于探测器特性提出了一种根据目标调整动态范围的方法。积分前, 根据所选目标初始成像的灰度分布实时调整电容; 同时逐点配置像元偏压, 以适应动态范围并完成非均匀性校正(Non-Uniformity Correction, NUC); 依次实现局部目标的最佳成像效果。最后搭建了一种用于验证此方法可行性的红外成像系统。结果表明, 本文方法实现了动态范围的实时调整, 并获得了清晰的局部关键目标图像。由于解决了动态范围与目标不匹配的问题, 该方法对非制冷红外成像系统在多目标场景下的拓展应用具有一定意义。

针对非制冷红外焦平面阵列(Uncooled Infrared Focal Plane Array, UIRFPA)对多目标成像时动态范围有限的问题, 基于探测器特性提出了一种根据目标调整动态范围的方法。积分前, 根据所选目标初始成像的灰度分布实时调整电容; 同时逐点配置像元偏压, 以适应动态范围并完成非均匀性校正(Non-Uniformity Correction, NUC); 依次实现局部目标的最佳成像效果。最后搭建了一种用于验证此方法可行性的红外成像系统。结果表明, 本文方法实现了动态范围的实时调整, 并获得了清晰的局部关键目标图像。由于解决了动态范围与目标不匹配的问题, 该方法对非制冷红外成像系统在多目标场景下的拓展应用具有一定意义。

针对非制冷红外焦平面阵列（Uncooled Infrared Focal Plane Array，UIRFPA）成像系统中普遍存在的非均匀性较差的问题，本文提出了一种基于探测器工作偏压对其输出影响来进行片上非均匀性校正（Non-uniformity Correction, NUC）的方法——探测器片上偏压逐点NUC 技术。该方法是在探测器每一个像元关键偏压VEB 和VFID 上使用DAC 供电，通过在积分前对每个像元的偏压进行单独的调整来校正其信号输出值。在不影响探测器帧频的情况下，实现了非均匀性从1.9%降低到0.4%，有效改善了探测器原始信号的非均匀性，且具有很好的实时性。

根据热探测器工作的物理机理和器件物理模型，对热探测器的探测率随背景温度和探测器工作温度的变化规律进行了理论计算，并对计算结果和实际应用进行了讨论。

介绍了一种基于标准硅工艺的电容读出式微悬臂梁非制冷红外探测器的设计、制作以及集成读出电路的设计.该探测器用于探测室温下物体的红外辐射,其响应波长为8～12 μm.由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下会发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲,从而可以探测红外辐射的情况.采用和探测器集成的CMOS读出电路对探测器信号进行读取,微悬臂梁的电容灵敏度可达2.5 fF/K,温度分辨率为0.1 K.