红外焦平面阵列

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1、红外焦平面阵列红外焦平面阵列红外焦平面阵列原理、分类1、红外焦平面阵列原理 焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过 光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为 电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达 监视系统形成图像。2、红外焦平面阵列分类 （1）根据制冷方式划分 根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面 目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器 集成体5。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率， 所以为了提高探测仪的精度就必须大幅

2、度的降低背景温度。当前制冷型的探测 器其 探测率达到1011cmHz1/2W-1，而非制冷型的探测器为109cmHz1/2W- 1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响 应速度是微秒级而后者是毫秒级。 （2）依照光辐射与物质相互作用原理划分 依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基 于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发 射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长 的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器 件。 热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类

3、探测器，包括利用温差电 效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测 辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类 探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵 敏度），但它们多数工作在室温条件下6。（3）按照结构形式划分 红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照 结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种7。其中，单片式 集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图 1 所示。 混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用 HgCdTe，读出电路使

4、用 Si。混成式主要分为倒装式（图 2(a)）和 Z 平面式（图 2(b)）两种。（4）按成像方式划分 红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延 迟积分（TDI）技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维 形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像 速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。（5）根据波长划分 由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿 过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口：1mm3mm 的短波红外、3mm5mm 的中波红外、8mm14mm 的长波

5、红外，由此产生三种不 同波长的探测器。三、读出电路读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射， 被测物体的辐射信号相当微小，电流大小为纳安或者是皮安级，要把这么小的 信号读出可不是一件容易的事，尤其这种小信号很易受到其它噪声的干扰，因 此，选择和设计电路就成为特别重要的方面。1、自积分型读出电路（SI ROIC） 在所有读出电路结构中，自积分（SI）电路（图 3）最为简单，仅有一个 MOS 开关元件，其象元面积可以做得很小。在 SI 电路中，光生电流（或电荷）直 接在与探测器并联的电容上积分，然后通过多路传输器输出积分信号。此读出 电路的输出信号通常是取其电荷而非电压

6、，其后接电荷放大器，在每帧结束时 需由象元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要为探测器自身的电容， 但也包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中，此电容可能是非线性的 （如光电二极管的结电容），随积分电荷的增加，其会造成探测器的偏置发生 变化，可能引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益，易受 多路传输器和列放大器的噪声干扰。2、源随器型读出电路（SFD ROIC） 为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能力，往往在 SI 后加缓冲放大 器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一 MOSFET 源随器（SFD），即 构成源随器型读出电路（图 4）。源随器型读出电路是一种直

7、接积分的高阻抗 放大器，探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题， 但偏压会随积分时间和积分电流变化，引起探测器偏置变化。SFD 电路在很低 背景下具有较满意的信噪比，但在中、高背景下，与 SI 读出电路一样，其也 有严重的输出信号非线性问题。复位 MOS 开关会带来 KTC 噪声，而源随器 MOS 管的 1/f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。3、直接注入读出电路（DI ROIC） 直接注入（DI）电路（图 5）是第二代探测器（即探测器阵列）使用最早的读 出前置放大器之一。它首先用于 CCD 红外焦平面阵列，现也用于 CMOS 红外焦 平面阵列。在此电路中，探测器电流通

8、过注入管向积分电容充电，实现电流到 电压的转换，电压增益的大小主要与积分电容的大小有关，当然也受电源电压 的限制。此电路在中、高背景辐射下，注入管的跨导（gm）较大，这主要是因 积分电流较大的缘故。此时，读出电路输入阻抗较低，光生电流的注入效率相 对较高。在低背景下，因注入管的跨导减小，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效率。在一定的范围内，DI 电路的响应基本上是线性的。 但因各象元注入管阈值电压的不均匀性，会在焦平面阵列输出信号中引入空间 噪声，因而抑制焦平面阵列的空间噪声是一个非常棘手的问题。4、反馈增强直接注入读出电路（FEDI ROIC） 反馈增强直接注入电路（FEDI）

9、以 DI 读出电路为基础，在注入管栅极和探测 器间跨接一反相放大器（图 6），其目的是在低背景下，进一步降低读出电路 的输入阻抗，从而提高注入效率和改善频率响应。视反馈放大器的增益不同， FEDI 的最小工作光子通量范围可以比 DI 低一个或几个数量级，响应的线性范 围也比 DI 的更宽。但象元的功耗和面积也随之增加了，面积的增加对现在日 益发展的光刻技术并非什么大问题，但功耗的增大就很不利。5、电流镜栅调制读出电路（CM ROIC） 电流镜栅调制电路（CM）可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作（图 7）。 通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受面积的限制，故不可能做得 很大。在高背景

10、的应用中，很大的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于 饱和状态，从而使读出电路失去探测信号的功能。CM 读出电路可避免这种情况 的发生，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随 探测器输出电流的增大，电流增益自动减小。但是，CM 电路不能为探测器提供 稳定和均匀的偏置，其响应也是非线性的。因而，此读出电路的总体性能受限。6、电阻负载栅调制读出电路（RL ROIC） 电阻负载栅极调制电路（RL）的构造思想和目的与 CM 几乎一样（图 8），其 效果也差不多，只是因用电阻替代了 MOS 管，可使象元 1/f 噪声更小，并提 高了探测器偏压的均匀性。由于大电阻的制造与数字 CM

11、OS 工艺是不兼容的， RL 的阻值不可能很大。此外，因电路结构的原因，当探测器电流很小时，此读 出电路的均匀性和线性度都相当差。在大多数的应用中，需要对其输出增益和 偏移进行校正才能获得满意的效果，故此类读出电路不见常用。7、电容反馈跨阻抗放大器（CTIA ROIC） CTIA 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器（图 9），探测器电流在 反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定。它可以提供很低的探测器输入 阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低 的噪声。且输出信号的线性度也很好。此电路的功耗和芯片面积较一般的电路 大，复位开关也会带来 CKT 噪声，这也

12、许是它众多优良性能中的一点不足之处。8、电阻反馈跨阻放大器（RTIA ROIC） RTIA 和 CTIA 相似，只是由电阻代替了积分电容和复位开关（图 10）。此电 路无积分功能，故只能提供与探测器电流成比例的连续输出电压，如要提供高 的输出增益，需要大的反馈电阻，但大的电阻占用芯片面积大，且不适宜数字 CMOS 工艺。因此，读出电路阵列几乎不用此电路结构。以上是八种典型读出电路的性能和特点，可根据不同的应用和性能需求进行选 用。当然，其中某些性能参数也不是一成不变的，可随工艺水平的发展而变化， 如单元面积和成本会随集成电路工艺的进步而得到缓解。最后要指出的是，这 些基本电路形式通过某些变化和

13、组合可衍生出新的性能更好的读出电路。四、国内外发展状况简述我国非致冷焦平面阵列技术已初步取得进展。1995 年，中国科学院长春光学精 密机械研究所利用微机械加工技术研制成功了低成本线阵 32128 象元硅微测 热辐射计阵列，其噪声等效温差（NETD）为 0.3K，存储时间为 1ms。而由中国 科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于 2000 年 12 月通过中国科学院上海分院鉴定8 。该项目采用新工艺制备的 BaxSr1- xTiO3 铁电薄膜材料性能达到国际领先水平。1987 年，美国 TI 公司演示的第一 代非致冷热释电探测器所使用的就是这种铁电薄膜材料。这些研究成

14、果表明， 我国的非致冷热成像技术还有很大的潜力。目前，我国在非致冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院 所。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究。而众多的经营非致冷 红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发一些软件的业务上。在美国、法国和英国等发达国家，单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟， 以 2884 长波和 256256 中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导 线列通用组件。256256 元碲镉汞焦平面探测器已经装备美国 AGM-130 空对 地导弹，320256 元碲镉汞焦平面探测器在欧洲 Storm Shadow/Scalp E-G 空 对地巡航

15、导弹上开始应用，256256 元 InSb 焦平面装备了以色列箭-2 反导 系统及美国标准-A 导弹，640512 元 InSb 美国战区高空区域防御系统 拦截弹(THAAD)；640480 元 InSb 热成像仪则装备了 F-22、V-22、F18-E/F 等战机。在上个世纪 90 年代中期，发展多色焦平面列阵（MSFPAs）的概念得到了美军 方的高度重视，其投入大量资金开展 MSFPAs 技术研究，预计到 2010 年，新 型大规模焦平面列阵 MSFPAs 将成为美军提高信息获取能力的主要手段之一。在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中，长波器 件已达到 640480

16、 元的规模，中、短波器件达到了 20482048 的规模，长 线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到了高度地重视。美国 预警卫星采用了 6000 元的超长线列双色中、短波焦平面器件，美国大气红外 深度探测仪采用了 4000 元长波扫描焦平面器件9，法国的 SPOT4 卫星采用 了 3000 元的短波扫描焦平面器件。法国 Sofradir 公司研制成了 1500 元长 线列中长波焦平面器件10。2000 年， Raytheon/Hughes 研制了长波/长波双 色焦平面器件，该器件采用分子束外延碲镉汞异质结材料，用反应离子刻蚀 （RIE）技术形成光敏元，规模达到 128128，40mm 中心距，读出电路（ROIC）采 0.8 mm 设 CMOS 计规则，采用 foundry 加工模式，实现了同时光 谱积分。2001 年，美国 Rockwell 公司研制出了 128128 元长波/短波、中波/中波双色 焦平面器件。该器件采用了分子束外延碲镉汞多层材料，为单极型探测器结构， 其探测率分别为 6.01011