（微电子学与固体电子学专业论文）锑化铟红外探测器信号处理电路技术研究.pdf

摘要 红外焦平面阵列( i r f p a ) 是获得红外光辐射的重要光电器件，通 常由红外探测器阵列和红外读出电路( r o i c ) 组成。红外焦平面可以通过 红外探测器阵列和读出电路将光信号转换为电信号并进行积分、放大、 滤波等一系列处理使信号达到我们的要求。目前红外焦平面广泛应用于 军事、科技、工业、生活等各个领域，为我们的生活提供了诸多便利。 随着科技不断进步，红外探测领域对红外焦平面阵列也逐渐提出了更高 的要求，红外读出电路作为其关键部件也得到了各国的重视。 本次论文首先对红外焦平面技术进行了较为全面的分析，对其当今 以及发展趋势进行了概括和预测。然后有侧重点的对红外探测器和红外 读出电路进行了结构和性能上的研究。为了能够更好的理解各种结构红 外读出电路结构和性能，我们又对多种常见的红外读出电路进行结构和 性能进行对比分析。 在此基础上我们完成1 2 8 1 阵列i n s b 红外探测器读出电路的设 计。该读出红外电路采用c t i a 结构，采用相关相采样信号处理方法， 具有低噪声，高线性度，输出动态范围大，积分电容可调等特点，具有 较强的实用价值。在完成对电路设计后，我们对电路又进行测试分析， 确保其性能达到要求，并对该电路进行了版图设计。 关键字：红外焦平面读出电路红外c t i a 结构版图设计 m f p a ( i a f f a r e df o c a lp l a n ea l t a y ) i st h ek i n do fd e v i c ew h i c hi sw i d e l y a c c e p t e d 舔av e r yi m p o r t a n tp h o t o e l e c t r o n i c sd e v i c e m o s t i t p a sa r e c o m p o s e do ft w om a i np a r t s ：t h ei n f r a r e dd e t e c t o ra r r a ya n dt h er e a d o u t i n t e g r a t e dc i r c u i t ( r o i c ) 瓜f i a 啪t r a n s f o r mt h el i g h ts i 衄a li n t o e l e c t r o n i e ss i g n a la n dt h e na c c u m u l a t e 、a m p l i f y 、f i l t r a t et h es i g n a l a f t e r t h a t ，t h es i g n a lw i l lm e e to u rn e e d s i nr e c e n ty e a r s ，t h el r f p a sa x ew i d e l v a p p l i e di nt h e 丘e l do fm i l i t a r ya f f a i r s 、s c i e n c e 、a n di n d u s t r y , p r o v i d i n gg r e a t c o n v e n i e n c et ou s a st h es c i e n c ed e v e l o p i n gf a s t ，t h ef i e l do fi n f r a r e d d e t e c t i o na s kf o rm o r eh i g h - p e r f o r m a n c e 饪翟a s f o rt h i sr e a s o n , m o r e c o u n t r i e sa r ep a y i n gm o r ea t t e n t i o n so ni t sd e v e l o p m e n t a tt h eb e g i n n i n go ft l l i st h e s i s t h e t f p ar o i cw a ss y s t e m a t i c a l l y i n t r o d u c e 正a n dt h e nw ew i l ld i s c u s st h ed e v e l o p m e n tt r e n do fb o t h l f p a a n d 【f ar o l c a f t e rt h a t w ew i l ld i s c u s ss o m ec o n f i g u r a t i o no ft h et h e p r o p e r t yo ft h e t f p ar o i c i no r d e rt oa c h i e v eab e a e rc o m p r e h e n s i o no f a l lk i n d so f t f p ar o l c w ea l s od oac o m p a r i s i o nb e t w e e nt h es e v e r a l m a i nt y p e so f t f p ar o i c o nt h eb a s eo fa b o v ea n a l y s e , w ed e s i g n e dt h e1 3 6 x la r r a yi n s b ：眦 r o l c t 1 l i sr o i ci so f ( m a ( a n 【融r e a d o u ti n t e g r a t e dc i r c u i tw i t hc m o s d i f g e r e n t i a lc a p a c i t o rf e e d b a c kt r a n s i m p e d a n c ea m p l i f i e r ) s t r u c t u r e , a n dw e u s ec d s ( c o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n g ) t oc o l l e c tt h es i g n a l 1 h i sr o i ch a st h e c h a r a c t e r i s t i co fl o wn o i s e 、h i g hl i n e a r i t y 、g r e a to u t p u tb o u n d ，a d i n s t a b l e a c c u m u l a t i o nc a p a c i t a n c e ，s oi th a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u c a f t e rt h ed e s i g n o ft h er o i c ，w ed os o m es i m u l a t i o no ft h ep i x e lt om a k es u r et h er o i cm e e t o u rr e q u i r e m e n t a tl a s tw ed e s i g n e dt h el a y o u to ft h er o i c k e yw o r d s ：i n f r a r e df o c a lp l a n ea r r a y r e a d o u ti n t e g r a t e dc i r c u i t s t r u c t u r eo fc t i a l a y o u td e s i g n m 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，锑化铟红外探测器信号处理 电路技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者签名：器丕丕2 缉年三月丛日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学 位论文版权使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机 构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：拯拯2 坦l 年王月望日 指导导师签名：遍7 抠-缝i ；竺2 年三月望日 第一章绪论 1 1 引言 红外成像技术是近代科技领域的一个重要分支，在红外技术史上有 着悠久的历史，已在卫星、导弹、飞机等军事领域获得了广泛的应用， 它在工业、生活、医疗、侦探等多方面领域都有不可替代的作用。同时 随着非致冷红外成像技术的发展，尤其是制造成本大幅度的降低，促进 了该技术其在工业、医疗、民用方面的推广，可以说红外成像技术正在 不断渗透到我们生活的各个领域，为我们带来更多的利益。 长期以来，人们总是渴望获得不同领域的信息，其中最值得我们 探索的领域之一就是红外辐射波段。在这种探索新领域的渴望的驱动 下，以红外探测器为核心的各种红外成像系统诞生了。借助于这些红外 探测系统的帮助我们更好的了解了平时人类用肉眼无法观察到的红外 辐射波段。红外辐射波段是介于可见光和微波之间的电磁波，波长在 7 5 0 h m 至l o o p m 之间，要观察这种辐射的存在并测量其强弱，必须通过 某些工具把它转换成可以观察和测量的其它物理量，而红外焦平面 ( i r f p a ) 阵列就是帮助我们用来完成这个转变的工具。i r f p a 是利用 红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感 器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应，红外探测器 是将入射的红外辐射信号转换为电信号输出的器件，是红外成像系统的 最前端，也是最核心的部分。 总体来说红外焦平面阵列( i r f p a ) 的具体作用包括：将微弱的光 电信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，滤波等处理，然后在 时钟的控制下，通过输出缓冲和多路传输系统，完成阵列信号的并串 行转换，最终送达监视系统形成图像等一系列信号处理功能。 红外焦平面阵列包括两个主要部分：红外探测器阵列和读出电路部 分。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，在入射的位 置上会产生一个与入射红外辐射强度相关的响应信号，探测器再将该信 号传送给读出电路进行处理。读出电路则负责将所接收到电信号进行积 分、放大、滤波、采样，最后整形输出。红外焦平面的性能除了与探测 器的性能如量子效率、光谱响应、噪声谱、均匀性有关外，还与红外信 号读出电路有关系，如电荷存贮量、均匀性、线型度噪声谱、注入效率、 电荷转移效率等。随着c m o s 技术和工艺的不断进步，读出电路在红外 成像系统中正在发挥正更重要的作用，而本次论文将重点研究红外读出 电路的方面相关技术，如像元结构改进以及积分放大器性能提高等方面 进行研究，力争在该领域作出自己的一份贡献【。 图1 1红外焦平匝阵列结构示意图【，1 1 2 红外探测技术发展概况 到今天为止，人们对红外辐射领域的探索已经有了近两百年的发展 史，自从1 8 0 0 年赫谢尔利用水银温度计制作的最原始的热敏探测器发 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，如 热敏型辐射探测器( 温差电偶探测器、电阻测辐射热计、热释电探测器) 和半导体光电探测器( 光电导探测器、光伏型探测器等) 。最初，人们 只能以单个探测单元通过光机扫描的方式并协同低温制冷器来实现图 像探测；后来，则出现了探测单元数目在一万以上，且自带有信号读出 电路的二维n m 元焦平面阵列( f p a ) 探测器；而发展到今天，红外探测 技术水平已经达到了一个新的高度。更加精确，更高工作温度，更大扫 描范围，更小的功耗等将成为红外探测技术不可阻挡的发展趋势。我们 可以看到，集成了探测器后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、 模数转换器等的第三代被称为“灵巧”( s m a r t ) 凝视的大阵列焦平面 也己开始崭露头角。可以说红外探测器的发展史是一部历时近两百年， 涉及光学、材料学、精密机械、微型制冷机及电子学等学科的发展史。 1 2 1 红外探测器分类 发展到今天为止，红外探测技术所利用的主要是红外热效应和光电 效应。所以按所利用的效应，红外探测器可分为两大类：热型探测器和 光型探测器i 州。利用热释电材料的自发极化强度随温度的变化而变化 的特性，研制出了热释电型探测器：利用半导体的内光电效应制成了红 外光探测器，内光电效应分为光电导和光生伏特两种效应，利用光电导 效应制成了光导型红外探测器；利用光生伏特效应制成了光伏红外探测 器( 如光子型红外探测器) 。下面列举了几种常用的红外探测器及性能 参数。 热探测器 热辐射引起材料温度变化产生可度量的输出，有多种热效应可用于 红外探测器。 ( 1 ) 热胀冷缩效应的液态的水银温度计、气态的高莱池( g o l a y c e l l ) ； ( 2 ) 温差电( s e e b e c k ) 效应，可做成热电偶和热电堆，主要用于测量 仪器； ( 3 ) 共振频率对温度的敏感可制作石英共振器非致冷红外成像阵 列； ( 4 ) 材料的电阻或介电常数的热敏效应一辐射引起温升改变材料电 阻用以探测热辐射- n 辐射热计( b o l o m e t e r ) ：半导体有高的温度系数而 应用最多，常称”熟敏电阻”。利用转变温度附近电阻巨变的超导探测器 引起重视。如果室温超导成为现实，将是2 1 世纪最引人注目的探测器； ( 5 ) 热释电效应：快速温度变化使晶体自发极化强度改变，表面电 荷发生变化，可作成热释电探测器1 7 - 9 。 光电探测器 红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子( 电子或空穴) ，引 起电学性能变化。因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。量子光 电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。光探 测器的主要优点是：载流子不逸出体外，且量子光电效应灵敏度高，响 应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。 为了达到最佳性能，一般都需要在低温下工作。 光电探测器可分为： ( 1 ) 光导型 又称光敏电阻。入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进 入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。从禁带中的 杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。截止波 长由杂质电离能决定。量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温 度。 ( 2 ) 光伏型 主要是p n 结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在 结区及其附近激发电子空穴对。存在的结电场使空穴进入p 区，电子迸 入n 区，两部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测 器比较，光伏探测器背影限探测率大于4 0 ；不需要外加偏置电场和 负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。这些特性给制备和使用焦平面阵 列带来很大好处。 ( 3 ) 光发射一肖特基势垒探测器 金属和半导体接触，典型的有p t s i s i 结构，形成肖特基势垒，红 外光子透过s i 层为p t s i 吸收，电子获得能量跃上费米能级，留下空穴 越过势垒进入s i 衬底，p t s i 层的电子被收集，完成红外探测。该技术 充分利用s i 集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可 做成大规模( 1 0 2 4 1 0 2 4 甚至更大) 焦平面阵列来弥补量子效率低的缺 陷。有严格的低温要求。用这类探测器，国内外己生产出具有像质良好 的热像仪。p ts i s i 结构f p a 是最早制成的i r f p a 。 ( 4 ) 量子阱探测器 将两种半导体材料a 和b 用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在 其界面，能带会有突变。电子和空穴被限制在低势能阱a 层内，能量量 子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。 9 0 年代以来发展很快，已有5 1 2 5 1 2 、6 4 0 4 8 0 规模的q w i p g a a s a i g a a s 焦平面制成相应的热像仪诞生。人们正深入该领域努力研 究加以改进，可望与碲镉汞探测器一争高低。1 “。 我们研究的i n s b 红外读出电路主要针对光伏型光子探测器，它主 要是利用p - n 结的光生伏特效应。能量大于禁带宽度的红外光子在结区 及其附近激发电子空穴对。结电场使空穴进入p 区，电子进入n 区，两 部分出现电位差。外电路就有电压或电流信号。与光导探测器比较，光 伏探测器不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。 这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。 表卜1 目前主流的几种红外探测器及性能参数川 1 3 红外焦平面发展现状 目前，红外焦平面读出电路其阵列集成规模已高达2 0 4 8 x 2 0 4 8 元， 从极低温工作发展到了目前的7 7 k 或室温工作阵列，特别是近年的发展 已接近于可见光c c d 、a p s 和c m o s 图像传感器的水平。同时红外探测技 术正在急速地拓展新的应用领域和市场，迅速地渗透到广阔的商用领 域，改变其长期以来主要用于军用领域的状况1 1 1 “川。 根据不同的应用需求，目前红外焦平面在以下四个方向都取得了快 速的进步。 ( 1 ) 超高集成度的焦平面探测器像元 与可见光c c d 之类的成像阵列一样，要提高系统成像的分辨率和目 标别能力，大幅度地提高系统焦平面红外探测像元的集成度是一种重要 的途径。各公司厂家都在尽力增加焦平面阵列的像元数，发展各种格式 的大型或特大型红外焦平面阵列。 在1 3 u m 的短波红外焦平面阵列方面：目前的i n g a a s 红外焦平面 阵列规模已达到2 0 4 8x2 0 4 8 像素。其主要应用目的是天文方面和低背 景应用的1 3 u m 波段工作的h g c d t e 焦平面阵列2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素的阵 列，还有正在计划研制4 0 9 6 x 4 0 9 6 像素的特大型阵列。 在3 5 u m 的中波红外焦平面阵列方面，中波红外焦平面阵列技术 的发展一直是红外焦平面中发展最快的，主要有p t s i 、i n s b 和h g c d t e 三种阵列，其阵列规模已达到2 0 4 8 2 0 4 8 像素。i n s b 阵列是这个波段 应用中深受重视的器件，主要是低背景天文应用阵列规格达1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素，典型阵列还有6 4 0 4 8 0 像素和6 4 0 5 1 2 像素。 在长波红外焦平面阵列方面，主要集中于h g c d t e ，g a a l a s g a h s 量 子阱阵列，s i g e 异质结构阵列和非致冷红外焦平面阵列四种。 g a h l a s g a h s 阵列是最近几年来发展最快的，目前的阵列尺寸已达到 6 4 0 x 4 8 4 像素。g e s i s i 异质结构红外焦平面阵列，其工作机理类同于 p t s i 阵列，目前的阵列规模己达到了5 1 2 x 5 1 2 像素，只是目前g e s i s i 阵列工作温度明显低于7 7 k 。 非致冷红外焦平面阵列，由于近几年来取得的突破性进展，器件和 整机系统应用技术的发展均很迅速，主要用于8 1 4 p u n 的长波红外波段 探测，许多发达国家公司都竞相发展这种技术，竞争几乎遍及全球，发 展甚为迅猛，目前常用商用阵列为3 2 0 x 2 4 0 像素，6 4 0 x 4 8 0 像素阵列 即将问世【1 ”。 ( 2 ) 高性能 由于用采用诸如m b e 、m o c v d 这样的高精度控制制作工艺，微机械 加工技术和c m o s 这样的大型或特大型集成多路传输器，不但实现了如 1 0 2 4 x 1 0 2 4 ，2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素这样的大型二维凝视红外焦平面阵列的 高速大容量的信号处理，而且获得了高度均匀性的阵列焦平面响应特 性，进一步提高了阵列的性能。 短波红外焦平面阵列，迅速实现了商用化。美国新泽西州传感器无 限公司的1 2 8 1 2 8 和3 2 0 x 2 4 0 像素i n g a a s 焦平面阵列在2 5 0 k 工作时， 1 3 1 6 1 a n 的量子效率接近9 0 ，洛克威尔国际科学中心的p a c e l 型h g c d t e 短波红外焦平面1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素阵列和h a w a 一2 型2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素阵列，平均量子效率6 5 4 ，光响应不均匀性为4 - 3 。 中波红外焦平面阵列器件中，p t s i 阵列经过二十来年的发展改进， 性能大幅度提高，噪声等效温差( n e t ) 已很小，三菱8 0 1 5 1 2 像素 阵列填充因子达到了6 1 。三菱1 0 4 0 x1 0 4 0 像素p t s i 阵列不均匀性 2 ，洛克威尔国际科学中心p g m 6 0 0 - 0 0 3 型6 4 0 x 4 8 0 像素h g c d t e 阵 列在7 7 k 下的量子效率为6 8 ，n ea t 平均值为0 0 1 3 k ，该中心的1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素和2 0 4 8x2 0 4 8 像素阵列也都具有良好的性能。 长波( 8 1 4 u 丑1 ) 红外焦平面阵列，h g c d t e 阵列发展时间最长，但 阵列尺寸不大，目前的性能是非常好的，阵列工作温度7 7 k 8 8 k ，量 子效率7 0 7 5 ，n e t 为1 3 l n i ( ，双波段工作阵列量子效率为6 0 ；非 致冷的红外焦平面阵列技术是长波红外焦平面阵列技术发展的重要方 向之一，近几年在技术上取得了突破，投入批量生产，正在加紧推广应 用【1 1 ”9 1 。 ( 3 ) 高密度小尺寸像元 大型或特大型高密度集成，特别是如1 0 0 万和1 0 0 万像素以上探测 器的集成焦平面阵列要求高精度的超大规模集成电路加工技术( 如亚微 米) 和微机械加工技术，焦平面阵列技术的发展很大程度上取决于超大 规模集威电路的进展。d r a m 每个单元仅要求一个晶体管，而红外焦平 面阵列读出电路则需三个或更多的晶体管，而且其中有一个必须是低噪 声模拟的，目前d r a m 生产水平设计规格为0 2 5 岬，预生产设计规格已 是0 1 8 w a ，在这样先进加工条件下，焦平面阵列多路传输器和探测器 像素尺寸都可进一步缩小，阵列像素数集成度更高。目前的红外焦平面 阵列由于采用亚微米加工技术，像元尺寸大为缩小，实现了小像元高密 度的红外焦平面集成的进一步发展。由于微细加工技术的发展，p t s i 阵列的像元尺寸已小达2 0 2 0 邮2 和1 7 1 7 “m 2 ，如柯达k i r - - 3 9 0 0 型 1 9 6 8 1 9 6 8 像素阵列和日本三菱1 0 4 0 1 0 4 0 像素阵列，h g c d t e 阵列己 小达1 8 1 8 u m 2 ，如洛克威尔科学中心的h a w a i i 一2 型2 0 4 8 x 2 0 4 8 像素 阵列，其设计规格为0 8 u m ，洛克希德马丁红外摄像公司的6 4 0 4 8 0 像素非致冷红外焦平面阵列的像元尺寸缩小为2 8 x2 8 n n 2 ，雷声和喷气 式推进实验室的8 9 p a n 和1 4 1 5 p a n 波段工作的双色g a h i h s g a b s 量 子阱阵列像元尺寸小达2 5x2 5 w n 珥“。 ( 4 ) 多色工作 红外焦平面阵列制作技术的迅速发展和许多实际应用的需要，极大 地推动了双色或多色红外焦平面阵列技术的发展。如美国加州理工学院 喷气式推进实验室空间微电子中心、雷声先进红外中心和空军研究实验 室最近研制出的8 9 w n 和1 4 1 5 | l l 的双色6 4 0 4 8 6 像素g a a s a 1 g a a s 量子阱红外焦平面阵列及其摄像机，雷声、美国陆军研究n a s ag o o d d a r d 航天飞行中心和洛克威尔科学中心共同研制的1 1 2 岬和1 6 2 i n 截止 波长的2 5 6 2 5 6 像素g a a s g a a l a s 量子阱红外焦平面阵列，这些机构 都是在加紧发展这种二色和多色焦平面阵列，都是在原来单色焦平面阵 列取得极大进展的基础上迅速地研制出了这种双色阵列【4 1 - 4 2 。但这种技 术目前的工作温度尚不到7 7 k ，同时探测器像元要求二种工作电压，长 波敏感区需极高的偏压( 8 v ) 实现长波红外探测，虽然电压可调，但 不能同时提供二个波段的数据1 1 2 - 1 3 , 1 7 - 2 0 。 1 4 红外读出电路发展现状 红外读出电路( r o i c ) 是红外焦平面的关键部件，也是本次论文研 究对象，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，它的主要功能是对红外探测器微弱信号进行预处理( 如积分、 放大、滤波、采样等) 和阵列信号的并串行转换，以在i r f p a 和随后 的信号处理级之间提供一个好的接口。 在r o i c ( 读出集成电路) 问世之前，红外信号的处理是由分离电 子元件完成的。可以想象，在给定的光学视场中，其单位面积实现的像 元数目是有限的。上世纪7 0 年代，随着集成电路工艺和技术的发展， 尤其是m o s 集成电路制造和技术的日益成熟，是r o i c 产于上世纪7 0 年 代末，限于当时的工艺和技术水平，它属于单片式器件，即光敏元件和 r o i c 各占焦平面的一部分面积。这样一定程度上解决了集成度和对光 敏元件的电磁干扰闯题。稍后，由于铟柱技术的成功运用，使红外焦平 面阵列的性能发生了历史性的转变。此技术将光敏元件阵列和r o i c 分 别制作，然后通过两阵列的铟柱将其互相连接。这样，可使光敏元件阵 列和r o i c 阵列分别选用最佳材料和最佳工艺制作，且分别测试以确保 各自的性能，从而提高互怜后焦平面阵列的整体性能。而且，此技术可 使r o i c 从m o s 技术转向c m o s 技术，故大大提高了r o i c 的设计灵活性 和综合性甜1 。2 6 】。 最初的读出电路部件是用分立的电阻、电容、晶体管等元器件制作 的前置放大器混合电路，由于高阻抗的探测器对电磁干扰十分灵敏，为 了将电磁干扰的影响减少到最低限度，常将探测器固定在靠近前置放大 器的地方，这占用了读出部件的大量面积，限制了能实现的通道数，随 着微电子技术的发展，出现了r o i c ，通过与探测器混合( 常是利用锢 柱互连技术) 而成混成式焦平面【1 3 】。r o i c 技术为探测器提供了热机械 接口和信号处理，将光电二极管与第一级放大器之间的引线或互连线的 长度减至最小，这样不但有助于减少电磁干扰和其它由长引线引入的噪 声，而且综合了电荷转换与增益以及多路传输与输出驱动等功能【1 - 2 , 1 3 】。 发展到今天，根据制造工艺和读取信息方式不同，目前主要有c c d 和c m o s 型的r o i c 。c c d 型r o i c 发展较早，自上世纪1 9 7 0 年代提出c c d 概念不久，它就成功地应用到红外焦平面中。然而，随着c m o s 工艺的 不断成熟、完善和发展，c m o s 机车国内电路在低电压、低功耗、低成 本、抗辐射能力、像元数据的随机读取( 即焦平面上任意开窗) 、以及 在硅片上与其它集成模块( 如a d 和其它时序逻辑) 有着良好的兼容性 等一系列优点，在上世纪9 0 年代取得了迅猛发展。该技术在西方发达 国家已趋成熟，大有取代c c d 型r o i c 的趋势。 作为本次论文研究项目，c m o s 锑化铟焦平面读出电路( i n s bi r f p a ) 技术多年来一直深受重视，美、英、日等国竟相发展此技术。今年来， 其规模已经从6 4 0 x 4 8 0 发展到1 0 2 4 1 0 2 4 元，甚至更高的水平，所有 这些i r f p a 均是带硅读出电路的混合式阵列【1 6 l 。对这些大型的和特大 型的f p a ，除了红外探测阵列有高的要求之外，对相应的r o i c 的性能提 出了更高的要求，为了适应高性能、高分辨率i r f p a 这一发展趋势，对 r o i c 要求更加苛刻：如具有足够大的电荷存贮能量、噪声低、动态范 围大、对探测器偏压控制稳定，功率低等。针对于此，通过本次论文实 践，希望能研制一种性能好，工艺难度低的c m o sr o i c 有所启发。 1 ：5 红外焦平面未来发展趋势 从目前看，焦平面列阵的重要发展方向之一是提高其工作温度。当 前，大部分红外焦平面探测器要在7 7 k 以下的低温下工作，因此，一方 面要设法将器件的工作温度提高到热电致冷温度范围，另一方面在硅读 出电路上单片集成非致冷红外焦平面芯片是重要的努力方向。研制非致 冷红外焦平面可以在常温下实现近红外、中红外和远红外波段的红外探 测成像，在未来2 0 年将会得到广泛应用。 同时，红外焦平面阵列制造和生产技术正在向可见光硅c c d 和c m o s 图像传感器阵列的规模水平发展，未来5 1 0 年间将是这种技术发展的 关键时期。多色阵列技术将是未来值得关注的新课题，以微测辐射热计 为主的非致冷红外焦平面阵列传感器将成为未来红外焦平面阵列的主 流传感器。由于器件制造和生产技术取得的迅速进展和军事与商用应用 的强劲推动，未来2 0 年将是红外焦平面阵列技术广泛拓展应用的时期， 其每年产量将保持持续增长的势头，在今后几年内年增长率将至少达 3 0 。由于生产和应用的持续升温，红外焦平面阵列技术将迎来其灿烂 的时期。 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 ) 长线列如6 0 0 0 1 ( 美国已经用于高空预警机) ，大面阵如 2 0 4 8 x 2 0 4 8 ( 中短波) 、6 4 0 x 4 8 0 ( 长波) ； ( 3 ) 小型化、重量轻、容易携带； ( 4 ) 双色、多光谱； ( 5 ) 高温化( 如3 0 0 k 常温使用) ； ( 6 ) 智能化一对于不同的目标能自动调节窗口f 1 捌。 1 6 红外读出电路未来发展趋势 我国读出电路的研制已进行了相当国研制成功了达到国外同类产 品水平的5 7 6 x 6c c d 读出电路。目前国内研制成的红外焦平面读出电 路主要有2 8 8 x 4 c c d 读出电路和6 4 6 4 c m o s 读出电路，t d i 方式的c m o s 读出电路在型谱计划中安排了2 8 8 4 。总的来说，我国的读出电路水 平与国外相比，无论从电路的规模和种类上仍有很大的差距，还需要从 设备和资金上进一步加大投入1 2 5 j 。 由于红外焦平面读出电路基本模块的发展已经成熟，所以人们研究 的重点正日益转向增强整个红外焦平面和降低读出电路的复杂程度。就 细分而言，重点有以下几个方面： ( 1 ) 片上的模拟数字转换 在过去的几年中，模拟数字转换技术有了很大的发展，特别是与 红外焦平面读出电路有关的读出带宽相似的声频带宽模拟数字转换用 的低功率电路技术已按常规达到了16 位的水平，一种在5 0 k h z 分辨率 为1 8 位的4 阶增量模拟，数字己被推荐应用于空间技术。 ( 2 ) 光子计数 光子计数技术式探测微弱信号采用的一种新技术，当探测器输出电 流小于1 0 “a 时，就必须使用光子计数技术。在红外焦平面阵列中光子 计数可以通过两种方法实现：第一种方法是在读出电路之前将光电子放 大；第二种方法是用晶胞电子部件中的高增益计算单个的光电子。虽然 目前已经为一些专门的低背景长波长应用部件研制了固态光电倍增管 ( s s p m ) 部件，但是类似的放大在一个较宽的波长范围内还是有用的i 捌。 ( 3 ) 背景抑制 背景抑制被用于改善探测器的灵敏度、动态范围和应用范围。高的 背景电荷能使有限积分电容饱和，并可能导致红外探测系统失灵。在战 术红外焦平面阵列读出的基脉冲的消除已通过几种方法得到解决。假如 背景的抑制不会将大的附加噪声引入接近背景性能( b l i p ) 的信号的话， 则敏感器还可以从背景信号的抑制中收益。在没有背景抑制的情况下， 大的电荷积分必须在晶胞内完成，这意味着需要一个大的积分电容，这 是目前红外焦平面阵列面临的一个问题。由于典型的基准脉冲消除电路 在背景抑制之前需要对整个信号进行积分，因而不能解决这个问题。如 果背景抑制在电荷域内进行，则它必须在比总的积分时间短的时间内完 成。 ( 4 ) 光学读出 由于典型的杜瓦瓶连接伴随有电容和热负载，为此人们已经开始探 索焦平面阵列的光学读出。有些公司已提出用光学信号为低温焦平面阵 列提供计时和功率。喷气推进实验室已经开始调查焦平面上的光学调制 器在焦平面阵列模拟光学读出电路的使用方法闭。 ( 5 ) 巧型焦平面 从原理上讲，增加焦平面处理背景可以降低空间科学遥感器的数据 传输要求。一般来说，科学是不赞赏在焦平面上改变原始的探测器阵列 信号的。然而，未来的一些光谱绘图飞行任务可能会在仪器或者焦平面 本身积分特征萃取电路中获得好处，从而可以降低空间通讯带宽要求。 神经网络电路在焦平面上或许能得到有效的使用，它可以用于识别某些 光谱特征和对用体数据进行分类或加标记，以减小传输带宽或启用其它 更高级的功能【1 + ”2 叫。 通过以上资料可以看出，我国乃至世界对红外探测系统要求正在不 断提升，我们有足够的理由不断努力去提高红外焦平面读出电路的各方 面性能，以适应各个领域的需求。只有提高了其读出电路的性能，才能 真正上提高红外电子成像系统探测质量。目前，常用的锑化铟红外焦平 面读出电路在性能、成本控制、设计简约化等多方面有着较大的发展前 景，而本次论文课题就围绕锑化铟红外焦平面读出电路展开。希望通过 不断的实践和探索，我们能够为该设计领域作出应有的一份贡献。 1 7 课题研究工作的目的和意义 红外热成像技术作为精确打击、反导预警、夜视和用高新技术改造 传统武器装备的有效手段，在现代武器平台中得到了广泛应用。几十年 来，西方发达国家投巨资对其进行研制，于八、九十年代相继推出高性 能的致冷型和非致冷型红外焦平面阵列成像设备，并将其应用于海湾战 争和科索沃战争，使之取得了战争的主动权。至今，西方发达国家仍把 红外技术作为国防敏感技术加以控制，所以，加速发展我国自己的红外 焦平面阵列技术已成为当务之急。 红外焦平面( i r f p a ) 是新一代的红外热成像技术二代热成像 技术中的关键技术。i r f p a 的出现为红外系统在增加灵敏度和空间分辨 率方面带来了许多新的可能性。除此之外，它还有许多很重要的优点， 如简单性、可靠性和低成本等。与微波雷达不同的是，红外探测系统属 被动探测系统，探测系统并不向目标主动发出探测信号，而只是通过接 受目标红外辐射来完成识别目标任务的。所以，它因不辐射电磁波而极 具隐蔽性，因工作于光波段而不易受电磁干扰，能在强电磁辐射环境下 生存，这正是现代战争所急切盼望的技术。 红外焦平面阵列成像技术是集红外材料、光学技术、制冷技术和微 电子技术于一体的高科技综合技术。目前，红外成像技术已广泛应用于 工业和民用诸领域，如红外资源探测、红外热分析、以及包括人体组织 在内的备类红外成像和红外故障诊断，等等。可以预见，随着制造成本 的进一步降低，其应用领域还会迅速扩大，其广阔的市场前景是勿庸置 疑的。 1 8 课题研究目标和内容 本次论文设计目标为适用于i n s b 红外探测器的l x l 3 6 线列红外读 出电路，其主要预期指标为： ( 1 ) 工作温度：7 7 k ； ( 2 ) t 作电压：5 v ： ( 3 ) 采用工艺类型：c m o s ： ( 4 ) 性能特色：低噪声、高线性度、大的输出动态范围： ( 5 ) 积分电容：可编程； ( 6 ) 功耗：读出速率5 m h z 时， 5 0 栅每片。 其他具体参数根据研究进程随时进行调节，但前提是要保证电路逻 辑功能的准确，并要求该电路具有较高的实用价值。 1 8 1 研究内容包括 ( 1 ) 设计技术研究 包括整体电路设计、各部分电路功能模拟、性能参数模拟、符合要 求的版图设计技术、低噪声放大器和可测试性设计技术。 ( 2 ) 工艺技术研究 研究的内容有：低温状态下c m o s 电路工艺研究、大面积c m o s 电路工 艺均匀性研究、微细加工技术研究、器件工艺评价技术研究。 ( 3 ) 测试技术研究 读出电路测试评价方法研究、低噪声时钟脉冲和直流电压技术研 究、高速低噪声信号采集技术研究。 1 8 2 研究方法： 我国的红外焦平面阵列c m o s 读出电路的研制尚处于预研和起步阶 段，其水平与西方发达国家有很大差距，再加上红外成像技术属于军事 敏感技术，许多问题需要我们自己去解决。 红外读出电路属于数模混合电路，电路复杂，设计精度高。通常的 设计流程为先进行电路设计，在验证电路逻辑功能正确性的前提下用 e d a 软件进行仿真。如果仿真结果达到标准，再进行后端的版图设计工 作。本次设计是在借鉴反向提取的i n s b 红外读出电路芯片的基础上加 入自己的设计思路，结合理论反复修改，不断对电路进行优化。本次论 文电路设计工具c a d e n c e c o m p o s e r ，电路仿真工具为c a d e n c e h s p i c e ， 版图设计工具为v i r t u o s o 。 第二章红外焦平面相关技术概论 2 1 红外焦平面阵列工作原理 就其本质而言，红外焦平面阵列是一个带前置信号处理器的传感 器，读出电路就是前置信号处理电路。在红外焦平面系统中，焦平面上 的红外探测器在接收到入射的红外辐射后，在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，所产生的信号被注入读出电路，再进 行多路传输，读出电路的输出信号再进入放大电路进行放大，然后进入 后续电路进行处理。 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。读出电路的 基本功能就是对探测器阵列产生的光生电荷进行积分、放大、采样保持 和串并转换等，将信号进行必要的处理并按一定的顺序输出，实现红 外探测信号的准确传输。红外焦平面阵列信号传输过程如图2 1 所示。 黼一园一国一固一一 图2 1 红外焦平面阵列信号传输过程【硼 红外焦平面阵列中有成千上万个探测器同时工作，受限于引线数 目，阵列中的探测器一般采取电荷存贮( 积分) 工作方式而非连续方式。 所谓积分工作方式，就是在给定的帧频时间内对目标场中各点的空间信 号同时进行积分并保持，然后依次从一根或几根输出线连续读出。电荷 存贮工作方式不但克服了引线困难，同时也大大提高了信噪比，降低了 对读出电路增益带宽积的要求，从而减小了读出电路的设计和制造难 度。从另一角度来看，积分工作方式是以时间为代价换取了输出信号的 高信噪比。正是因为积分工作方式，使读出电路在电路结构和输出信号 上都有别于一般的电子线路，所涉及的信号有模拟的也有数字的，输出 的信号是离散的而不是连续的。 凝视型红外焦平面阵列能连续地探测、跟踪和测量在背景中的目 标，特别是高速或超高速目标。它主要由光学系统、红外焦平面阵列和 计算机系统等几部分组成( 当然，图中的校正和a d 等部分也可以集成 在焦平面阵列内) 。因目标在焦平面阵列上直接成像，故不需光机扫描 系统，从而使其结构大为简化，不但减小了体积、降低了成本、提高了 可靠性，还因目标辐射在探测器上驻留时间的增加，极大地提高了输出 信号的信噪比( s n r ) ，高信噪比的输出信号必然会使系统的成像质量大 为提高。 图2 2 红外焦平面阵列成像示意图 2 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。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1 0 “c m h z t a w l ，而 非制冷型的探测器为1 0 9 c m h z l 2 旷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熬释屯探测器。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h g c d t e ，读出电路使用s i 。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( t d i ) 技术，采用串行方式对电信号进行