红外成像阵列与系统课件

介绍三方面内容：热电堆红外探测器

128×128像素的热电堆红外焦平面阵列3.总结

介绍三方面内容：1微辐射计可以分成两个大的设计类别：

“一层”微辐射计包括一个与硅衬底等高的微电桥，通过一个硅底上的蚀刻槽进行隔热。微辐射计可以分成两个大的设计类别：2

“两层”微辐射计包括一个高于原始硅表面的微电桥，这样位于下方的硅是无损的。

“两层”微辐射计包括一个高于原始硅表面的微电桥，3测辐射热计式像素大小

硅

电极

传感器

单层像素

两层像素传感器

电极

硅

像素大小

一层和两层的微辐射计结构展示

测辐射热计式像素大小硅电极传感器单层像素4热释电式通过照相平板运算方法移去有机层的一部分，留下有机台以连接探测器的像素倒装焊

信号电极普通电极

混合热隔离结构的进化过程。ROIC,读出集成电路

热释电式通过照相平板运算方法移去有机层的一部分，留下有机台以5非致冷红外探测器机理非致冷红外探测器机理62.非致冷红外探测器设计方案间的比较

2.非致冷红外探测器设计方案间的比较7珀耳帖效应（1834）IT12T2种不同金属或半导体，通电接头处有吸放热现象Π12I

珀耳帖效应（1834）IT12T2种不同金属或半导体，通电接8汤姆逊效应dxTT+dTI存在温度梯度，有电流，则除了产生和电阻有关的焦耳热，导体各部分会变冷变热，原来的温度分布就会改变。为维持原有的温度分布，导体各部分必须吸收或放出热量。汤姆逊效应dxTT+dTI存在温度梯度，有电流93.塞贝克效应

（1821）温差电流温差电动势温差电偶3.塞贝克效应（1821）温差电流10如果存在一个温差，热区有声子浓度增加，声子就会从热接扩散到冷接。由于电子和声子之间的碰撞，电子会受到声子的扩散电流带来的动量的影响，这种效应称为声子牵引效应，它将加速塞贝克效应。如果存在一个温差，热区有声子浓度增加，声子就会从11例子：N型半导体的塞贝克效应（2个机理）费米能级例子：N型半导体的塞贝克效应（2个机理）费米能级12

P型半导体，多数载流子是空穴，因此热电场的极性相反，换句话说，N型半导体的塞贝克系数的符号为正，而P型为负。对于一个本征半导体，电子浓度和空穴浓度都会增加，这样热接和冷接之间的电子和空穴浓度都会不同，而只有电子和空穴之间由浓度差异引起的移动才能产生塞贝克效应，而这个迁移率变化的差异比冻结范围小得多，因此这种情况较非本征情况发生塞贝克效应的几率小得多。P型半导体，多数载流子是空穴，因此热电场的极性13热电堆:响应度和响应时间是测辐射热电偶的两个重要参数。但两者之间是互相制约的，不可能同时得到改善。较好的商品测辐射热电堆的低频探测率为1×109cmHz1/2W-1，响应时间从1---10ms。热电堆:响应度和响应时间是测辐射热电偶的两个重14冷结热结屏板铜引线铜引线冷结热结屏板铜引线铜引线15通常在设计热电偶时，着眼于响应度高，响应时间短和器件阻抗要合适。增加串联热电偶数目，可以提高响应速度，但降低了响应度，同时热电堆的噪声等效功率也会相应增加。不过，在热电堆中，每个热电偶受照面的热容量可以做得很小，而整体受照面比较大，这样可以使热电堆的性能优于热电偶。

通常在设计热电偶时，着眼于响应度高，响应时间16测辐射热电堆可分为两类：

块状材料制成的器件薄膜器件测辐射热电堆可分为两类：174.不同的热电堆红外探测器（1）.密歇更大学,1991

32像素的线性热电堆红外探测器列。（2）.

Sarro等人1988年10像素线性的热电堆红外探测器阵列4.不同的热电堆红外探测器（1）.密歇更大学,18（3）.德国物理技术大学1991,Volkein等人；

P型（Bi1-xSbx）2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜构成一个简单的热电堆.72个结点，500V/W响应率（3）.德国物理技术大学19（4）.TH利用N型和P型PS作热电材料

（5）.Honeywell120像素的线性热电堆红外图像传感器

（6）.日本防御代办处和NEC制备128×128像素的热电堆IRFPA利用N型和P型PS为热电材料（4）.TH利用N型和P型PS作热电材料202.128×128像素的热电堆红外焦平面阵列

2.128×128像素的热电堆红外焦平面阵列

21测得PS的塞贝克系数掺杂浓度（CM-3) 多晶硅的塞贝克系数测得PS的塞贝克系数掺杂浓度（CM-3) 多晶22其他金属的塞贝克系数：在00C的塞贝克系数：铂为4.4

V/0C，铁为15.0

V/0C，铋为110

V/0C，锑为47

V/0C。其他金属的塞贝克系数：23多晶硅热电堆红外探测器

热电堆IRFPA像素结构硅底层制备在硅表面单片集成结构提高填充因子，67%80×84um×

450nm气隙腐蚀1um牺牲层32对多晶硅热电堆红外探测器 热电堆IRFPA像素结构硅底层制24

热结点位于隔膜中心，冷结点位于隔膜外延，该处的热传导很厉害，故冷结点的温度总是与底座相等，因此可认为它是一个热存储器。热结点和冷结点被Al层挡住以减小接触电阻。热结点位于隔膜中心，冷结点位于隔膜外延252.热电堆红外探测器的特性

响应率V/W 斩波频率

Hz 斩波频率与响应率的关系

真空里带有金黑体的500K黑体2.热电堆红外探测器的特性响应率V/W 斩波频率Hz 263.信号读出电路

热电堆读出晶体管便置电压积累电容 信号读出电路。CCD，电荷耦合器件

3.信号读出电路热电堆读出晶体管便置电压积累电容 信号读27将来自于热电堆的电势差施加到读出的金属氧化物半导体晶体管（MOS）的栅极上，从而控制漏电流。源极接地，而漏极电流与存储电容器相连，即CCD本身。CCD容量是2×107个电子。热电堆的另一端和偏置电压相连。将来自于热电堆的电势差施加到读出的金属氧化物半284.电荷耦合器件扫描器成像区存贮区水平CCD4.电荷耦合器件扫描器成像区存贮区水平CCD29扫描部分由扫描成像的垂直CCD以及扫描存储区的垂直CCD和水平CCD组成，以及带有一个源跟踪放大器的漂流扩散输出。这种器件的帧速是120Hz。垂直CCD和水平CCD的时钟频率分别为17KHz和2.6MHz。该芯片垂直方向尺寸19.5mm，水平方向15.2mm。因为CCD扫描器和漂流扩散输出几乎没有噪声，因此主要噪声源是来自读出晶体管的散粒噪声。扫描部分由扫描成像的垂直CCD以及扫30

CCD扫描器制备在一个（100）P型Si衬底上，垂直CCD和水平CCD都设计成埋沟型。它们具有重叠双层PS电极。用于图像和存储区的垂直CCD由四相时钟脉冲驱动，水平CCD由二相时钟脉冲驱动。CCD扫描器制备在一个（100）P型315.封装热电堆红外焦平面阵列的封装5.封装热电堆红外焦平面阵列的封装32封装直径大小为41mm，高度14mm。在2～15μm波长由于作为红外吸收体的金黑体的吸收率大于90%，因此光谱响应由光学透镜和封装窗口的透射率决定。封装窗口由带有透射10μm波长增透膜的Ge构成，光学透镜的增透膜层也设计在为10μm波长左右。封装直径大小为41mm，高度14mm。336.性能由128×128像素的热电堆红外焦平面阵列拍摄

6.性能由128×128像素的热电堆红外34热区是白色区域。输出位移分布为22%，该值通过模拟和数字位移校正电路校正，但没有进行增益校正。阵列的平均噪声等效温差（NETD）在f/1.0透镜下为0.50C。分辨率主要受到垂直CCD和水平CCD上的电荷迁移效率低的限制热区是白色区域。35在这个器件里，拍摄到的16384个像素中有162个死点。可成像运动目标，因此我们可以认为对于非致冷红外成像，128×128像素的PS热电堆红外焦平面阵列FPA的热电堆技术是可行的。在这个器件里，拍摄到的16384个像素中有367.改进措施1．灵敏度一般来说又与电荷存储能力的平方根成正比。如果用CMOS扫描器，其电荷存储能力将是CCD的10倍或更多。7.改进措施1．灵敏度一般来说又与电荷存储能力的平方根成正比372．

即使在热电偶的个数减少的情况下也应该降低光阑的热传导率。据估计，如果热电偶的对数从32降到1，热传导率就会降至原来的1/100，而灵敏度会扩大3倍，PS的热传导率也会降低，而塞贝克系数却提高了。2．

即使在热电偶的个数减少的情况下也应该降低光阑的热传导383．

为了提高分辨率，CCD的传输效率应该提高。与5—15

m的可见光CCD图像传感器相比，100

m的像素间距是很大的。如果每次传输的电荷传输长度很大，那么有助于电荷传输的干涉区域就会变小。因此，可以通过优化CCD通道的掺杂剖面结构来提高干涉区域。3．

为了提高分辨率，CCD的传输效率应该提高。与5—1539总结优点

：1）PS用作热电材料，整个制备过程就可在硅的集成电路制备厂中生产，从而该技术可以实现低价和大规模生产

2）使用冷接作为温度基准，因此不需要温度控制

总结优点：40

器件的规格说明和性能参数

成像区128×128mm（V）象素数128（H）×128（V）象素尺寸