紅外焦平面陣列原理及其分類

一、紅外焦平面陣列原理

　　焦平面探測器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在系統(tǒng)焦平面的這些感光元件上，探測器將接受到光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持，通過輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)，最終送達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)形成圖像。

　　二、紅外焦平面陣列分類

　　(1)根據(jù)制冷方式劃分

　　根據(jù)制冷方式，紅外焦平面陣列可分為制冷型和非制冷型。制冷型紅外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起動節(jié)流致冷器集成體和杜瓦瓶/斯特林循環(huán)致冷器集成體 [5]。由于背景溫度與探測溫度之間的對比度將決定探測器的理想分辨率，所以為了提高探測儀的精度就必須大幅度的降低背景溫度。當(dāng)前制冷型的探測器其 探測率達(dá)到～1011cmhz1/2w-1，而非制冷型的探測器為～109cmhz1/2w-1，相差為兩個(gè)數(shù)量級。不僅如此，它們的其他性能也有很大的差別，前者的響應(yīng)速度是微秒級而后者是毫秒級。

　　(2)依照光輻射與物質(zhì)相互作用原理劃分

　　依此條件，紅外探測器可分為光子探測器與熱探測器兩大類。光子探測器是基于光子與物質(zhì)相互作用所引起的光電效應(yīng)為原理的一類探測器，包括光電子發(fā)射探測器和半導(dǎo)體光電探測器，其特點(diǎn)是探測靈敏度高、響應(yīng)速度快、對波長的探測選擇性敏感，但光子探測器一般工作在較低的環(huán)境溫度下，需要致冷器件。 熱探測器是基于光輻射作用的熱效應(yīng)原理的一類探測器，包括利用溫差電效應(yīng)制成的測輻射熱電偶或熱電堆，利用物體體電阻對溫度的敏感性制成的測輻射熱敏電阻探測器和以熱電晶體的熱釋電效應(yīng)為根據(jù)的熱釋電探測器。這類探測器的共同特點(diǎn)是：無選擇性探測(對所有波長光輻射有大致相同的探測靈敏度)，但它們多數(shù)工作在室溫條件下[6]。

　　(3)按照結(jié)構(gòu)形式劃分

　　紅外焦平面陣列器件由紅外探測器陣列部分和讀出電路部分組成。因此，按照結(jié)構(gòu)形式分類，紅外焦平面陣列可分為單片式和混成式兩種[7]。其中，單片式集成在一個(gè)硅襯底上，即讀出電路和探測器都使用相同的材料，如圖1所示。混成式是指紅外探測器和讀出電路分別選用兩種材料，如紅外探測器使用hgc dte，讀出電路使用si?；斐墒街饕譃榈寡b式(圖2(a))和z平面式(圖2(b))兩種。

　　(4)按成像方式劃分

　　紅外焦平面陣列分為掃描型和凝視型兩種，其區(qū)別在于掃描型一般采用時(shí)間延遲積分(tdi)技術(shù)，采用串行方式對電信號進(jìn)行讀取;凝視型式則利用了二維形成一張圖像，無需延遲積分，采用并行方式對電信號進(jìn)行讀取。凝視型成像速度比掃描型成像速度快，但是其需要的成本高，電路也很復(fù)雜。

　　(5)根據(jù)波長劃分

　　由于運(yùn)用衛(wèi)星及其它空間工具，通過大氣層對地球表面目標(biāo)進(jìn)行探測，只有穿過大氣層的紅外線才會被探測到。人們發(fā)現(xiàn)了三個(gè)重要的大氣窗口：1mm～3mm的短波紅外、3mm～5mm的中波紅外、8mm～14mm的長波紅外，由此產(chǎn)生三種不同波長的探測器。

　　三.讀出電路

　　讀出電路是紅外焦平面陣列當(dāng)中的十分重要的環(huán)節(jié)。對于周圍物體的黑體輻射，被測物體的輻射信號相當(dāng)微小，電流大小為納安或者是皮安級，要把這么小的信號讀出可不是一件容易的事，尤其這種小信號很易受到其它噪聲的干擾，因此，選擇和設(shè)計(jì)電路就成為特別重要的方面。

　　1.自積分型讀出電路(si roic)

　　在所有讀出電路結(jié)構(gòu)中，自積分(si)電路(圖3)最為簡單，僅有一個(gè) mos 開關(guān)元件，其象元面積可以做得很小。在 si 電路中，光生電流(或電荷)直接在與探測器并聯(lián)的電容上積分，然后通過多路傳輸器輸出積分信號。此讀出電路的輸出信號通常是取其電荷而非電壓，其后接電荷放大器，在每幀結(jié)束時(shí)需由象元外的電路對積分電容進(jìn)行復(fù)位。積分電容主要為探測器自身的電容，但也包括與之相連的一些雜散電容。在某些探測器中，此電容可能是非線性的(如光電二極管的結(jié)電容)，隨積分電荷的增加，其會造成探測器的偏置發(fā)生變化，可能引起輸出信號的非線性。該電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是無信號增益，易受多路傳輸器和列放大器的噪聲干擾。

　　2.源隨器型讀出電路(sfd roic)

　　為了給多路傳輸器提供電壓信號，并增加驅(qū)動能力，往往在 si 后加緩沖放大器。實(shí)現(xiàn)此功能的通常方法是在每個(gè)探測器后接一mosfet 源隨器(sfd)，即構(gòu)成源隨器型讀出電路(圖4)。源隨器型讀出電路是一種直接積分的高阻抗放大器，探測器偏壓由復(fù)位電平?jīng)Q定，故不存在探測器偏壓初值不均勻的問題，但偏壓會隨積分時(shí)間和積分電流變化，引起探測器偏置變化。sfd電路在很低背景下具有較滿意的信噪比，但在中、高背景下，與 si 讀出電路一樣，其也有嚴(yán)重的輸出信號非線性問題。復(fù)位 mos 開關(guān)會帶來 ktc 噪聲，而源隨器 mos 管的 1/f 噪聲和溝道熱噪聲也是主要的噪聲源。

　　3.直接注入讀出電路(di roic)

　　直接注入(di)電路(圖5)是第二代探測器(即探測器陣列)使用最早的讀出前置放大器之一。它首先用于 ccd 紅外焦平面陣列，現(xiàn)也用于 cmos 紅外焦平面陣列。在此電路中，探測器電流通過注入管向積分電容充電，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，電壓增益的大小主要與積分電容的大小有關(guān)，當(dāng)然也受電源電壓的限制。此電路在中、高背景輻射下，注入管的跨導(dǎo)(gm)較大，這主要是因積分電流較大的緣故。此時(shí)，讀出電路輸入阻抗較低，光生電流的注入效率相對較高。在低背景下，因注入管的跨導(dǎo)減小，使讀出電路的輸入阻抗增大，會降低光生電流的注入效率。在一定的范圍內(nèi)，di 電路的響應(yīng)基本上是線性的。但因各象元注入管閾值電壓的不均勻性，會在焦平面陣列輸出信號中引入空間噪聲，因而抑制焦平面陣列的空間噪聲是一個(gè)非常棘手的問題。

　　4.反饋增強(qiáng)直接注入讀出電路(fedi roic)

　　反饋增強(qiáng)直接注入電路(fedi)以 di 讀出電路為基礎(chǔ)，在注入管柵極和探測器間跨接一反相放大器(圖6)，其目的是在低背景下，進(jìn)一步降低讀出電路的輸入阻抗，從而提高注入效率和改善頻率響應(yīng)。視反饋放大器的增益不同，fedi的最小工作光子通量范圍可以比 di 低一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級，響應(yīng)的線性范圍也比 di 的更寬。但象元的功耗和面積也隨之增加了，面積的增加對現(xiàn)在日益發(fā)展的光刻技術(shù)并非什么大問題，但功耗的增大就很不利。

　　5.電流鏡柵調(diào)制讀出電路(cm roic)

　　電流鏡柵調(diào)制電路(cm)可使讀出電路在更高的背景輻射條件下工作(圖7)。通常，讀出電路的積分電容是在象元電路內(nèi)，因受面積的限制，故不可能做得很大。在高背景的應(yīng)用中，很大的背景輻射電流可使積分電容電壓很快地處于飽和狀態(tài)，從而使讀出電路失去探測信號的功能。cm 讀出電路可避免這種情況的發(fā)生，這種電路的電流增益與探測器輸出電流的平方根成反比例關(guān)系，即隨探測器輸出電流的增大，電流增益自動減小。但是，cm 電路不能為探測器提供穩(wěn)定和均勻的偏置，其響應(yīng)也是非線性的。因而，此讀出電路的總體性能受限。

　　6.電阻負(fù)載柵調(diào)制讀出電路(rl roic)

　　電阻負(fù)載柵極調(diào)制電路(rl)的構(gòu)造思想和目的與 cm 幾乎一樣(圖8)，其效果也差不多，只是因用電阻替代了 mos 管，可使象元 1/f 噪聲更小，并提高了探測器偏壓的均勻性。由于大電阻的制造與數(shù)字 cmos 工藝是不兼容的，rl 的阻值不可能很大。此外，因電路結(jié)構(gòu)的原因，當(dāng)探測器電流很小時(shí)，此讀出電路的均勻性和線性度都相當(dāng)差。在大多數(shù)的應(yīng)用中，需要對其輸出增益和偏移進(jìn)行校正才能獲得滿意的效果，故此類讀出電路不見常用。

　　7.電容反饋跨阻抗放大器(ctia roic)

　　ctia 是由運(yùn)放和反饋積分電容構(gòu)成的一種復(fù)位積分器(圖9)，探測器電流在反饋電容上積分，其增益大小由積分電容確定。它可以提供很低的探測器輸入阻抗和恒定的探測器偏置電壓，在從很低到很高的背景范圍內(nèi)，都具有非常低的噪聲。且輸出信號的線性度也很好。此電路的功耗和芯片面積較一般的電路大，復(fù)位開關(guān)也會帶來 ckt 噪聲，這也許是它眾多優(yōu)良性能中的一點(diǎn)不足之處。

　　8.電阻反饋跨阻放大器(rtia roic)

　　rtia 和 ctia 相似，只是由電阻代替了積分電容和復(fù)位開關(guān)(圖10)。此電路無積分功能，故只能提供與探測器電流成比例的連續(xù)輸出電壓，如要提供高的輸出增益，需要大的反饋電阻，但大的電阻占用芯片面積大，且不適宜數(shù)字 cmos 工藝。因此，讀出電路陣列幾乎不用此電路結(jié)構(gòu)。

　　以上是八種典型讀出電路的性能和特點(diǎn)，可根據(jù)不同的應(yīng)用和性能需求進(jìn)行選用。當(dāng)然，其中某些性能參數(shù)也不是一成不變的，可隨工藝水平的發(fā)展而變化，如單元面積和成本會隨集成電路工藝的進(jìn)步而得到緩解。最后要指出的是，這些基本電路形式通過某些變化和組合可衍生出新的性能更好的讀出電路。

　　四.國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r簡述

　　我國非致冷焦平面陣列技術(shù)已初步取得進(jìn)展。 1995年，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所利用微機(jī)械加工技術(shù)研制成功了低成本線陣32×128象元硅微測熱輻射計(jì)陣列，其噪聲等效溫差(netd)為0.3k，存儲時(shí)間為1ms。而由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所承擔(dān)的鈦酸鍶鋇鐵電薄膜材料研究項(xiàng)目已于2000年12月通過中國科學(xué)院上海分院鑒定 [8] 。該項(xiàng)目采用新工藝制備的baxsr1-xtio3鐵電薄膜材料性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。1987年，美國ti公司演示的第一代非致冷熱釋電探測器所使用的就是這種鐵電薄膜材料。這些研究成果表明，我國的非致冷熱成像技術(shù)還有很大的潛力。

　　目前，我國在非致冷紅外熱成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。這些研究單位主要進(jìn)行探測器陣列及其工藝的研究。而眾多的經(jīng)營非致冷紅外熱像儀的公司大部分只停留在制作一些外圍設(shè)備和開發(fā)一些軟件的業(yè)務(wù)上。

　　在美國、法國和英國等發(fā)達(dá)國家，單色紅外焦平面器件的技術(shù)已經(jīng)基本成熟，以 288×4 長波和 256×256中波為代表的焦平面器件已基本取代了多元光導(dǎo)線列通用組件。256×256 元碲鎘汞焦平面探測器已經(jīng)裝備美國agm-130 空對地導(dǎo)彈，320×256 元碲鎘汞焦平面探測器在歐洲 storm shadow/scalp e-g 空對地巡航導(dǎo)彈上開始應(yīng)用，256×256 元 insb 焦平面裝備了以色列箭-2 反導(dǎo)系統(tǒng)及美國標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ-Ⅳa 導(dǎo)彈，640×512 元 insb 美國戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御系統(tǒng)攔截彈(thaad);640×480 元 insb 熱成像儀則裝備了 f-22、v-22、f18-e/f 等戰(zhàn)機(jī)。

　　在上個(gè)世紀(jì) 90 年代中期，發(fā)展多色焦平面列陣(msfpas)的概念得到了美軍方的高度重視，其投入大量資金開展 msfpas 技術(shù)研究，預(yù)計(jì)到 2010 年，新型大規(guī)模焦平面列陣 msfpas 將成為美軍提高信息獲取能力的主要手段之一。

　　在向更大規(guī)模的凝視型面陣焦平面探測器、雙色探測器發(fā)展的歷程中，長波器件已達(dá)到 640×480 元的規(guī)模，中、短波器件達(dá)到了 2048×2048 的規(guī)模，長線陣的掃描型焦平面因其在空間對地觀測方面的需求受到了高度地重視。美國預(yù)警衛(wèi)星采用了 6000 元的超長線列雙色中、短波焦平面器件，美國大氣紅外深度探測儀采用了 4000元長波掃描焦平面器件[9]，法國的 spot4 衛(wèi)星采用了 3000 元的短波掃描焦平面器件。法國 sofradir 公司研制成了 1500 元長線列中長波焦平面器件[10]。2000 年， raytheon/hughes 研制了長波/長波雙色焦平面器件，該器件采用分子束外延碲鎘汞異質(zhì)結(jié)材料，用反應(yīng)離子刻蝕(rie)技術(shù)形成光敏元，規(guī)模達(dá)到128×128，40mm 中心距，讀出電路(roic)采 0.8 mm 設(shè)cmos 計(jì)規(guī)則，采用 foundry 加工模式，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)光譜積分。