红外焦平面阵列简介

红外焦平面阵列简介自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进 行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器进入20世纪后， 红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突 破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单 元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列红外焦平面阵列技术作为红外探 测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执 法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上， 可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军 事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景目前许多国家，尤其是美国等西 方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功下面依次介绍其原工作原理、分类以及读出电路，并简述国内外发展情况以及展望其发 展方向一、 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。

二、 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 大幅度的降低背景温度当前制冷型的探测器其探测率达到〜1011cmHz12W-1，而非制冷 型的探测器为〜109cmHz12W-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，读出电路使用Si混成式主要分为倒装式和Z平面式两种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 ： 1mm〜3mm的短波红外、3mm〜 5mm的中波红外、8mm〜14mm的长波红外，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、 自积分型读出电路在所有读出电路结构中，自积分（SI）电路最为简单，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， 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。

源随器型读出电路是一种直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1f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（电路是第二代探测器（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）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，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，其效果也差不多， 只是因用电阻替代了 MOS管，可使象元1f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CMOS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，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这些 基本电路形式通过某些变化和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，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在美法等发达国家，单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟上世纪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，并投入大量资金开展 MSFPAs技术研究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640x480元的规模，中、短波器件达到了 2048x2048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五、 展望根据红外焦平面阵列在军事、民用等方面的要求，未来红外焦平面阵列的主要发展方向 为：1、 集成化一探测器材料与电路集成，杜瓦与制冷、光.机•电的集成；2、 长线列，大面阵3、 小型化、重量轻、容易携带；4、 双色、多光谱；5、 高温化;6、 智能化。