什么是紅外焦平面探測器 紅外焦平面陣列原理

在攻克多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)后，中國電科11所技術(shù)團(tuán)隊(duì)成功研制出短波和中波單片2.7Kx2.7K紅外焦平面探測器，并進(jìn)行了成像演示。

該探測器的成功研制，標(biāo)志著中國電科在三代超大面陣紅外探測器研制方面取得了重大突破，填補(bǔ)了國內(nèi)單片2K×2K以上陣列規(guī)模紅外探測器空白，代表了國內(nèi)最高和世界先進(jìn)水平。

紅外焦平面探測器是紅外成像系統(tǒng)的核心部件，本次研制成功的短波和中波單片2.7K×2.7K探測器屬于高靈敏度制冷型紅外焦平面探測器，涉及材料、芯片、集成電路設(shè)計(jì)、制冷和封裝等多個(gè)學(xué)科，技術(shù)難度極大，此前單片2K×2K以上陣列規(guī)模紅外焦平面探測器僅被個(gè)別國家掌握。

紅外焦平面陣列技術(shù)

自從赫謝爾利第一次發(fā)現(xiàn)了紅外輻射以來，人們就開始不斷運(yùn)用各種方法對(duì)紅外輻射進(jìn)行檢測，并根據(jù)紅外光的特點(diǎn)而加以應(yīng)用，相繼制成了各種紅外探測器。

進(jìn)入20世紀(jì)后，紅外探測器技術(shù)取得了驚人的進(jìn)展，特別是冷戰(zhàn)時(shí)期，軍備競賽各方投入巨資進(jìn)行研究，突破了諸多難題，使紅外探測器技術(shù)從30年代單一的PbS器件發(fā)展到現(xiàn)在的多個(gè)品種，從單元器件發(fā)展到目前焦平面信號(hào)處理的大型紅外焦平面陣列。紅外焦平面陣列技術(shù)作為紅外探測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，正在急速地拓展新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場，滲透到工業(yè)監(jiān)測探測、執(zhí)法、安全、醫(yī)療、遙感、設(shè)備等商業(yè)用領(lǐng)域，改變了其長期以來主要用于軍用領(lǐng)域的狀況。

紅外焦平面陣列是紅外系統(tǒng)及熱成像器件的關(guān)鍵部件，是置于紅外光學(xué)系統(tǒng)焦平面上，可使整個(gè)視場內(nèi)景物的每一個(gè)像元與一個(gè)敏感元相對(duì)應(yīng)的多元平面陣列紅外探測器件，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，擁有巨大的市場潛力和應(yīng)用前景。

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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)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。

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(dòng)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。由于背景溫度與探測溫度之間的對(duì)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～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探測器為～109cmHz12W-1，相差為兩個(gè)數(shù)量級(jí)。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(jí)而后者是毫秒級(jí)。

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(duì)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(duì)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(duì)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。

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。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?；斐墒绞侵讣t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HgCdTe，讀出電路使用Si?；斐墒街饕譃榈寡b式和Z平面式兩種，如圖2。??

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)間延遲積分技術(shù)，采用串行方式對(duì)電信號(hào)進(jìn)行讀??；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(duì)電信號(hào)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(duì)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(huì)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。

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(duì)于周圍物體的黑體輻射，被測物體的輻射信號(hào)相當(dāng)微小，電流大小為納安或者是皮安級(jí)，要把這么小的信號(hào)讀出可不是一件容易的事，尤其這種小信號(hào)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　

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(hào)。此讀出電路的輸出信號(hào)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(duì)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(huì)造成探測器的偏置發(fā)生變化，可能引起輸出信號(hào)的非線性。該電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是無信號(hào)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(hào)，并增加驅(qū)動(dòng)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(huì)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(hào)非線性問題。復(fù)位 MOS 開關(guān)會(huì)帶來 KTC 噪聲，而源隨器 MOS 管的 1f 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(duì)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(huì)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(huì)在焦平面陣列輸出信號(hào)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，F(xiàn)EDI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(jí)，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(duì)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(hào)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(dòng)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 1f 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(duì)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(hào)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(huì)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。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。

紅外焦平面陣列技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

跨入二十一世紀(jì)以來，紅外熱攝像技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了三十多個(gè)年頭。其發(fā)展已從當(dāng)初的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)發(fā)展到了目前的全固體小型化全電子自掃描凝視攝像，特別是非致冷技術(shù)的發(fā)展使紅外熱攝像技術(shù)從長期的主要軍事目的擴(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測溫、執(zhí)法緝毒、安全防犯、醫(yī)療衛(wèi)生、遙感、設(shè)備先期性故障診斷與維護(hù)、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船的駕駛員夜視增強(qiáng)觀察儀等廣闊的民用領(lǐng)域。

紅外熱攝像技術(shù)的發(fā)展速度主要取決于紅外探測器技術(shù)取得的進(jìn)展。三十年來，紅外探測器技術(shù)已從第一代的單元和線陣列發(fā)展到了第二代的二維時(shí)間延遲與積分 （TDI）8～12μm的掃描和3～5μm的640×480元InSb凝視陣列，目前正在向焦平面超高密度集成探測器元、高性能、高可靠性、進(jìn)一步小型 化、非致冷和軍民兩用技術(shù)的方向發(fā)展，正在由第二代陣列技術(shù)向第三代微型化高密度和高性能紅外焦平面陣列技術(shù)方向發(fā)展。這次中國電科11所發(fā)布的就屬于這第三代技術(shù)。

第三代紅外焦平面陣列技術(shù)要滿足以下幾種要求：

1、焦平面上探測器像元集成度為≥106元，陣列格式≥1K×1K，至少雙色工作，

2、高的工作溫度，以便實(shí)現(xiàn)低功耗和小型輕量化的系統(tǒng)應(yīng)用，

3、非致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的性能達(dá)到或接近目前第二代致冷工作紅外焦平面陣列傳感器的水平，

4、必須是極低成本的微型傳感器，甚至是一次性應(yīng)用的傳感器。

第三代紅外焦平面陣列傳感器有下列三種，即：

（1）大型多色高溫工作的紅外焦平面陣列，探測器像元集成度≥106元，陣列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18μm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未來的芯片應(yīng)更大，高的量子效率，能存儲(chǔ)和利用探測器轉(zhuǎn)換所有的光電子，自適應(yīng)幀速（480Hz），雙色或多色工作，使用斯特林或熱電溫差電致冷器，工作在120～180K，光響應(yīng)不均勻≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，結(jié)構(gòu)上單片或混合集成，可以是三維的。

（2）非致冷紅外焦平面陣列，無須溫度穩(wěn)定或致冷，用于分布孔徑設(shè)計(jì)，重量僅1盎司，30mW功率，焦平面探測器元集成度≥106元，陣列格式1000×1000元，像元尺寸為25μm ×25μm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔徑設(shè)計(jì)中獲取實(shí)用信息。

（3）非致冷工作的微型傳感器，焦平面探測器像元集成度僅160×120元～320×240元，像元尺寸50μm ×50μm～25μm ×25μm，NETD＜50mK(f/1.8)，輸入功率10mW以下，重量1盎司，尺寸＜2立方英寸，低成本。

最終的第三代紅外焦平面陣列將是極低成本的微型傳感器，將占領(lǐng)整個(gè)紅外市場，其未來的應(yīng)用將是無人操作的一次性應(yīng)用傳感器，如微型無人駕駛航空飛行器，頭盔安裝式紅外攝像機(jī)和微型機(jī)器人等。

紅外成像屬于技術(shù)密集度高、投資強(qiáng)度大、研究周期長、應(yīng)用前景廣泛的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，因此，只有相關(guān)單位打破單位界限和行業(yè)界限，分工協(xié)作，集中國內(nèi)已有的技術(shù)力量和充分利用先進(jìn)技術(shù)、發(fā)揮優(yōu)勢、組織聯(lián)合攻關(guān)，才能確保此行業(yè)在我國在的順利發(fā)展。

編輯：黃飛

?