机电一体化论文9204964881.doc

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红外成像阵列器件roic设计与发展院、 系： 机电工程学院 学科专业： 机械工程 学 生： 王默 学 号： 201001017 指导教师： 郑刚 2011年 4月目 录中文摘要3英文摘要41. 绪 论51.1 引言51.2 红外焦平面的工作原理51.3 红外焦平面的分类61.3.1 按制冷方式分类61.3.2 按结构分类71.3.3 按读出方式分类72. 时序驱动电路的设计82.1 红外焦平面读出电路概述82.2 基于 fpga 的时序驱动电路设计92.2.1 fpga 概述92.2.2 verilog hdl 简介112.2.3 时序要求122.2.4 时序驱动设计流程152.2.5 时序设计核心思想152.2.6 小结223.波形调试233.1 fpga 器件编程与配置233.2波形调试与数据计算253.3 小结254.总结26致 谢27参考文献2835红外成像阵列器件roic驱动时序设计摘 要高密度、低成本的非致冷红外焦平面阵列的出现使红外热成像技术发生了第三次变革。由于其无需机械扫描机构，室温工作，从而使非致冷红外热像仪实现了小型化、便携化，并具有可靠性高和使用寿命长的特点，系统成本比致冷型热像仪降低近一个数量级。由于非致冷红外焦平面技术的突破性进展，使得业内提出了将商用和军用的红外系统集成以满足经济和国防的双重需要的复用技术概念。目前，我国在这一领域的研究尚处于起步阶段，因此研制具有自主知识产权的非制冷红外焦平面阵列探测器是十分必要的，同时这也将产生巨大的经济和社会效益。本文阐述了红外焦平面阵列的工作原理及分类，针对本实验室研制的160120 非制冷红外焦平面阵列，实现了基于 fpga 的时序驱动电路设计研制。是用verilog hdl语言在quartus ii 软件上编程实现的。关键词：红外焦平面；fpga；时序驱动电路；verilog hdlthe design for infrared ufpa roic timing drive circuitabstractthe technology of staring uncooled infrared focal plane arrays (ufpa) with high-density and low-cost is the third breakthrough in the developing of infrared imaging technology. the infrared thermal imaging system could be made more small, more flexible, higher reliability,and longer life time in comparison with cooled infrared fpa, because it does not use a mechanism scan part and doesnt require cryogenic cooling. and the cost is only 10% of the cooled thermal imagers. with the great progress of the technology of the infrared ufpa, a dual-use technology concept has been proposed which emphasizes the integration of commercial and military infrared imaging systems to meet the need of economy and defense.now the research of ufpa is still a beginning in our country, so it is necessary to develop ufpa with own intellectual property, meanwhile it can bring much economic and social benefit.the thesis expatiated classifying and principle of the infrared ufpa. a complete test and analysis solution for 160120 infrared ufpa developed by own lab was presented. timing drive circuit based-on fpga was fulfilled. that is use verilog hdl language make program to achieve ,which based onquartus ii software.keywords: infrared ufpa;fpga; timing drive circuit; verilog hdl1 绪 论1.1 引言自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度（0 k），就总是在不断地发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器的信号形成与景物辐射分布相对应的热图像。这种热图像再现了景物各部分的辐射起伏，因而能显示出景物的特征。红外探测器从根本上决定着红外系统的发展水平。过去的红外探测系统基本上是将单个的红外探测器放在红外光学系统的焦点位置上，从而被动的接收、探测来自人、物、地球表面等目标的红外辐射信号。若要获得目标的红外图像，则需要用光机等方法扫描目标，这就严重影响探测的灵敏度和分辨力。于是，人们开始通过增加探测器数目从而延长探测器积分时间的方法来提高探测器响应的信噪比。在 20 世纪 70 年代，借助于成熟的 lsi 和 vlsi 工艺技术，工作于可见光谱区的硅 ccd 摄像器件取得了飞速的进展。采用类似的技术研制出具有多种读出功能的集成二维探测器列阵，即红外焦平面列阵（irfpa），这是二十多年来光电子领域最为显著的成就之一。所谓红外焦平面阵列（irfpa），就是把大量探测器单元按照一定规则用先进的微电子工艺高密度地集成到一块对红外透明的材料芯片上，同时将其它必要的信号读出及处理电路(如前放)集成到同一芯片或另一其他材料的芯片上，构成一个既接收光辐射又将光电信号转变为可用数据输出的整体焦平面阵列技术使得探测器在焦平面上的数目提高了若干个数量级。通过采用焦平面器件，凝视探测系统可以得到很高的灵敏度，信噪比在理论上是单元系统的 n 1/2倍；单元面积的减小使空间分辨率得以提高；以电子扫描代替光机扫描减小了系统的体积、重量、功耗和装配的复杂性；提供了更大的瞬时视场、更高的帧频、更强的抗干扰能力和目标识别能力。焦平面阵列已开始应用于制导、搜索、预警、夜视、空间技术、工业和医学等各个领域，正成为红外成像系统的核心器件。1.2 红外焦平面的工作原理常见的红外焦平面阵列的工作原理是：焦平面上的红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在红外辐射的入射位置上产生一个与入射红外辐射性能有关的局部电荷，通过扫描焦平面阵列的不同部位或按顺序将电荷传送到读出器件中来读出这些电荷。每一个局部称做一个像元。最常见的焦平面有光导器件 (pc)、光伏器件 (pv)、金属、绝缘体、半导体器件 (mis)和肖特基势垒器件。1.3 红外焦平面的分类1.3.1 按制冷方式分类(1) 制冷型焦平面阵列目前所有工作于 35m 和 814m 波段制冷型焦平面阵列（fpa）都是基于光子探测原理，即依赖入射红外光子在探测器中激发的光生载流子，定向生产的光生电荷产生正比于入射红外辐射通量的信号。采用 hgcdte、insb、ptsi 等材料制作 fpa 阵列在趋于较高工作温度下10，探测器材料固有的热激发迅速增强，而暗电流和噪声的增大会严重降低探测器的性能，故这一类光子探测器通常工作在 200k 温度。(2) 非制冷型焦平面阵列目前的非制冷型焦平面阵列（ufpa）从传感器的材料上看，分为热释电和微测辐射热计两种类型。不需要制冷器、杜瓦瓶是这二类 ufpa 的共同点，也是整机成本明显低于制冷型 fpa 的原因。另外，从机理上看，目前的 ufpa 属于热探测器，制冷型 fpa属于光子探测器。ufpa 的灵敏度目前比制冷型的光子探测器阵列如 insb、hgcdte 低 2至 3 个数量级，但对许多应用，特别是监视与夜视而言已经足够。在相同的阵列单元数和观察条件下，ufpa摄像机的目视像质与使用制冷型fpa的摄像机所得像质基本一致，不过，ufpa 的单元间距略大，随着热绝缘技术的提高可望进一步降低。目前研制非制冷焦平面阵列 (ufpa)的两大代表是以德克萨斯仪器公司 (ti 公司)为首的热释电 ufpa和霍尼威尔公司为首的微测辐射热计 ufpa。1) 热释电 ufpa：热释电非制冷焦平面阵列开拓者是美国 ti 公司，现已形成产品，并在军事和民用方面得到应用。热释电材料具有对应外界入射辐射温差的自发电极化特性，需要以适当的频率交替改变入射的场景温度和参考温度，才能不断地获得目标探测信号，其很明显的一个特征是需要使用调制器；另外热释电 ufpa 具有很宽的红外响应波段11。ti 公司开发的钛酸锶钡 (bst)陶瓷材料，通常不仅有内在的热释电特性，还具有能被电场增强的热电特性。即在电场增强的情况下，响应率有很大的提高。所以每一探测单元都工作在一定的偏压下，并通过与硅工艺的读出电路混成在一起，铟柱将探测器阵列与分离的读出电路 (由传统的 cmos 硅技术制作 )连接起来，其中探测元间的热绝缘是技术关键之一。目前 bst 的组分通常是 ba0.66、 sr0.34、ti0.3。在实际应用中，阵列的温度应被控制和保持一定，才能使探测器的性能最佳，这一工作由热电制冷器来完成 (这有别于制冷型 fpa 的低温制冷器)。2) 微测辐射热计 ufpa：90 年代初期，霍尼威尔公司 (honeywell 公司 )电光中心(eoc)的研究人员研制和论证了一种新型红外焦平面阵列微测辐射热计 ufpa。制作微测辐射热计的材料的电阻值随辐射温升的变化而灵敏地改变，且不需要调制器。微测辐射热计阵列中的每一像元即是一个微小的测辐射热计，这种热敏电阻型的材料是一种氧化钒 (vo2 )的多晶薄膜，其电阻率的变化小于 10 2103m，并且由薄膜的制备条件和原材料的使用来决定。这种材料对 312m 波段的辐射特别敏感。矩形氧化钒 (vo2)薄膜沉积在一块电绝缘板上，电绝缘板由侧面细长支柱支撑 (所谓微桥技术)，并连接像元和 cmos 读出集成电路，如图 1.2 所示。该图表示了 ufpa单个像元的结构，光敏区由 vo2热敏电阻膜和 si3n4保护膜组成。8-12m 的红外光透过 si3n4保护层后被 vo2光敏层吸收，引起温度升高，并伴随着电阻变化。左右两边的两个支撑腿将光敏区和 cmos 电路读出区分开，同时又起支撑和信号传输线的连续作用。和热释电 ufpa 一样，微测辐射热计 ufpa 也需要一个热电制冷器来提供合适的工作温度，以使其性能最佳。由于这种硅集成工艺和微细机械加工技术的结合，使其以硅读出电路为衬底的单片式 ufpa 的制造由标准的硅集成电路加工设备即可完成，再加上不需要对入射辐射进行调制的调制器，使单片式微测辐射热计阵列以及整机的成本都降下来。其技术关键之一也是热绝缘。不久的将来，其灵敏度可能会提高几倍，途径是调整 vo2组分，以提高 tcr 值，但这又会增加控制材料均匀性的难度。1.3.2 按结构分类(1) 混合式结构在混成技术中，光子探测和多路传输分别利用单独的基片实现，由于探测器和信号处理器分别制备，故能使两者性能均满足最佳化。(2) 单片式结构单片式红外焦平面列阵是在同一种材料上制备光敏元件和信号处理器，同时具有探测和读出功能。1.3.3 按读出方式分类(1) 电荷耦合器件（ccd）ccd 是一种以电荷包形式存贮和传输信息的器件，它由一系列相邻且有间隙的mos 电容组成，利用加在相邻电容上的脉冲，将电荷包由一个地方转换到另一个地方，具有模拟延迟和移位寄存功能。(2) 电荷注入器件（cid）红外辐射si3n4和 vo2膜cmos 读出电路支撑腿y 轴金属电极x 轴金属电极它的基本单元是由金属绝缘体半导体组成的 mis 电容器，电容器既是光电转换存贮元件，又是读出元件。光生信号电荷在势阱中积分、存贮，将电荷注入进衬底，实现电荷读出。(3) 金属氧化物半导体（mos）在单片式器件中，mos 电容作为光电转换器件，又是信号读出开关及 x、y 选址器件；而在混合式器件中，则主要利用 mos 多种传输器的开关特性及 x、y 寻址功能。(4) 电荷成像矩阵（cim）cim 是 cid 和 mos 方式的改进形式，只作一个 mis 电容器，既是光电转换元件，又是读出元件。其结构比 ccd 简单。2 时序驱动电路的设计2.1 红外焦平面读出电路概述焦平面读出电路是红外焦平面探测器组成的一部分，它不直接参加红外辐射信号的探测，但它参加红外探测信号的传输过程（如图 2.1 所示），满足红外探测信号的准确传输是读出电路设计的基本要求。探测器阵列输入电路读出电路光阵列 输出电信号图 2.1 红外焦平面阵列信号传输过程常见的焦平面读出电路的主要评价指标有：电荷处理能力、电荷转移效率、数据率、串扰和噪声。读出电路的电荷处理能力直接控制焦平面的动态范围它的电荷转移效率影响焦平面的非均匀性、数据率、串扰和噪声，这些都综合影响焦平面的空间、时间和辐射能量的极限分辨能力以及空间和时间频率传递特性。读出电路的主要设计要求为：高电荷容量、高转移效率、低噪声和低功率耗散；其次还要考虑抗光晕控制和降低交叉串扰。目前，红外焦平面阵列的读出电路已研究了多种类型，最通用的类型是电荷耦合器件(ccd)、电荷注入器件(cid)、电荷成像矩阵(cim)和 mosfet 开关。对于能将读出电路制作在硅上的混合阵列来讲ccd 和 mosfet 开关是很好的选择。在红外材料上而不是在硅上制作高性能的读出电路是一个技术上的挑战。然而不管怎样，总算可以用insb 和 hgcdte 制作 ccd 了。在使用 ccd 时，要进行多次的电荷转移，为了避免红外材料转移效率低这一情况，研究了 cid 和 cim 方法。最近几年，随着先进的 cmos 工艺过程的出现。高密度、多功能的 cmos 多路传输器已能够设计出来。这种多路传输器能够执行稠密的线阵和面阵红外焦平面阵列的信号积分、传输、处理和扫描。因此具有 cmos 多路传输器读出装置的红外焦平面阵列也得到了迅速的发展。一般来说，人们都喜欢将硅 cmos 用于所有的应用，但是有关工作温度、噪声、热膨胀效应、速度以及辐射硬度等问题会促使人们去考虑像 gaas之类的可供选用的技术。将硅 cmos 用于红外焦平面阵列的主要问题是：焦平面阵列工作温度往往会低于 77k，这使载流子的冻结成了问题。对于低于 50k 的温度，加工技术必须从常规的 cmos 转变成低温 cmos。低温 cmos 指的是低温操作已达到最佳化的硅 cmos 技术。目前，已报道了在 10k 和 5k 温度下获得了 70nvhz1/2，这已被视为一个硅记录，目前正在将这一技术运用于空间红外望远镜设备中。gaas 技术作为一种潜在的焦平面阵列读出技术是有意义的，理由有三：第一，gaas的热膨胀系数与 hgcdte 的匹配要比硅好得多，这样便有可能可靠地制备大型混合焦平面阵列；第二，gaas 技术的辐射硬度比硅好得多；第三，n 型 gaas 器件的施主能级比硅更接近导带边缘，这就使得 gaas 器件在 4k 时更不受冻结效应的影响。对于读出应用来说有多种 gaas 技术可以考虑，它们包括金属半导体场效应晶体管(mesfet)、结场效应晶体管(jfet)以及两维电子气(2deg)器件（也称作高电子迁移率晶体管(hemt)或异质结场效应晶体管(hfet)）；kirschman 对商用的 gaas mesfet 作了广泛的测量, 在 4k 下工作时，噪声级大致为 50nvhz1/2。洛克韦尔公司演示过一个 264 多路传输器，8k 时，在 10hz 处测得的噪声为 1v/hz1/2。对于更大的焦平面阵列，功耗成为一个关键的参数。在较高的温度下，在绝大多数应用中可以采用硅互补型金属氧化物半导体(cmos)电路。喷气推进实验室(jpl)介绍了为超低温应用而发展的用 gsas制备类似 cmos 的互补型异质结 fet(chfet)。这种 chfet 包含 p 沟道和 n 沟道两个三极管，用它可发展星载天文物理应用的低功率低温焦平面电路。从表面看，chfet可能与 cmos 结构相似，由于缺少像 sio2这样的绝缘体，导致 chfet 中的栅极漏电流比 cmos 器件的栅极漏电流高。为了能滤除线阵 ccd 输出信号的复位噪声，提高视频信号的信噪比，目前在读出电路技术中又引入了相关双采样（cds）技术30，并且也引入了其它多种新型的读出电路结构。热释电探测器具有以下特点：它属电容性高阻抗器件；只有在探测器的温度变化时才有热释电效应；热释电的热时间常数视材料的不同可能比电时间常数大很多。这些特点使得该焦平面阵列的成像系统必须包括一个斩波器，用以周期地改变热释电探测器阵列的温度，进而周期地产生热释电效应。同时，也必须用该斩波器提供同步信号对温度变化引起的热释电信号进行检测读出。读出电路就用以检测并放大探测器产生的微弱信号，它是探测器电信号到热成像整机的信号传输通道，其性能直接影响焦平面探测器的性能指标，在很大程度上决定了探测器的性能。读出电路接收斩波器提供的同步信号，开启场扫描，将探测器阵列所采集的电信号按一定顺序输出并对输出信号进行必要的处理。其基本功能是把红外探测器列阵敏感的电信号进行适当转换，然后进行前置放大、高低通滤波、缓冲，最后进行多路传输。2.2 基于 fpga 的时序驱动电路设计2.2.1 fpga 概述由于半导体技术的飞跃发展，数字系统应用基本经历了分立元件、小规模集成电路(ssi)，中规模集成电路(msi)和大规模集成电路(lsi)乃至超大规模集成电路(vlsi)的应用过程。数字系统应用的基本特征是由中小规模集成度的标准通用集成电路向用户定制的专用集成电路(asic)过渡。特别对于现代较复杂的数字系统,若采用 ssimsi 器件来设计某个特定的应用，不仅要占用很大的物理空间，而且功耗较大、可靠性差；而采用lsivlsi 器件的专用电路设计，则具有相当高的系统集成度和相对小的功耗，但其开发周期长、开发费用高、具有较大的投资风险性，且有时仍需 ssimsi 器件来设计实现相应的接口逻辑。80 年代出现的可编程逻辑器件(pldprogrammable logic devices)，在一定的程度上，为数字系统设计工程师的快捷、灵活设计提供了可能性。pld 器件的应用使一系列功能强、速度高、灵活性大的积木式系统设计得以成功。但是，随着现代数字系统设计的发展，pld 器件无论在集成容量、功耗、速度乃至逻辑设计的灵活性上，均不能满足现代数字系统的大容量、高速度、现场灵活编程设计的要求。fpga器件的产生正是由此而来，其作为一种新型的用户现场可编程的专用集成电路，显示了诱人的应用前景。有人预言，未来的许多电子系统将以 cpu 十 ram 十 fpga 的构成为特征，反映了现代数字系统设计的一种趋势。fpga 即用户现场可编程门阵列器件，是一种可由用户根据所设计的数字系统的要求，在现场由自己配置，定义的高密度专用数字集成电路。fpga 由掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件演变而来的，将它们的特性结合在一起，使得 fpga 既有门阵列的高逻辑密度和通用性，又有可编程逻辑器件的用户可编程特性，是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设计积木块。fpga 一般由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的 sram 组成，这三种可编程电路是：可编程逻辑块clb（configurable logic block）、输入/输出模块iob（i/o block）和互连资源 ir（interconnect resource）。目前 fpga60以上的市场份额由 altera 和xilinx 两家公司所占据，在日本和亚太地区用 altera 器件的人多。本文所论述的时序设计也是基于 altera 的 fpga 实现的。altera 的 fpga 器件包括 cyclone、