紅外仿真應(yīng)用對電阻陣的性能要求

電阻陣作為一種動態(tài)紅外景象產(chǎn)生器件，在紅外半實物仿真領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。電阻陣可實現(xiàn)的規(guī)模與性能與紅外微輻射像素列陣的設(shè)計有著密切的關(guān)系。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和中國科學(xué)院大學(xué)的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“大規(guī)模電阻陣紅外景象產(chǎn)生器件的像素設(shè)計研究”為主題的文章。該文章第一作者為翟叼豪，通訊作者為陳永平研究員，主要從事電阻陣紅外景象產(chǎn)生器方面的研究工作。

文中從應(yīng)用系統(tǒng)對大規(guī)模電阻陣器件的要求出發(fā)，結(jié)合電阻陣工作原理，提出了像素驅(qū)動電路與MEMS結(jié)構(gòu)一體化的高占空比像素陣列設(shè)計。實驗結(jié)果表明，在較低像素功耗下，像素可實現(xiàn)中波紅外與長波紅外表觀溫度分別超過700 K和600 K。高占空比的微輻射元陣列設(shè)計在提高電阻陣性能方面具有明顯的優(yōu)勢，且在規(guī)模上具有很強的可拓展性。該項研究為國產(chǎn)大規(guī)模電阻陣的研制指明了方向。

紅外仿真應(yīng)用對電阻陣的性能要求

電阻陣由片上CMOS電路和紅外微輻射元陣列組成，其結(jié)構(gòu)框圖詳見圖1(a)。其工作過程是，紅外圖像數(shù)據(jù)通過接口電路輸入到電阻陣芯片，由片上尋址掃描電路將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到每一個像素驅(qū)動電路上，低熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電阻陣MEMS微輻射元在驅(qū)動電路和圖像幀同步信號的控制下加熱升溫，從而產(chǎn)生相應(yīng)的紅外熱圖像出射，如圖1(b)所示。

圖1 (a)電阻陣結(jié)構(gòu)框圖；(b)紅外圖像產(chǎn)生示意圖

目標模擬器的主要性能指標包括：輻射波段、紅外表觀溫度（等效黑體溫度）范圍、圖像幀頻、圖像規(guī)模和圖像灰度等級。對于紅外仿真應(yīng)用來說，目標模擬器的列陣規(guī)模直接決定了圖像的分辨率。目前，國內(nèi)外的紅外成像系統(tǒng)分辨率已經(jīng)普遍達到512×512或640×480，為保證目標模擬器與成像系統(tǒng)的圖像匹配，一般要求目標模擬器的圖像分辨率要達到成像系統(tǒng)分辨率的四倍左右，因此，目標模擬器的規(guī)模達到1024×1024非常有必要。為了保證紅外動態(tài)目標仿真的時效性，一般要求圖像刷新頻率不低于100 Hz，這對數(shù)據(jù)傳輸速度的要求較高，因此大規(guī)模電阻陣一般需要在片上集成DAC陣列，以實現(xiàn)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸以及對圖像灰度等級的精準控制。紅外輻射波段要覆蓋軍事領(lǐng)域常用的中波紅外（3~5 μm）和長波紅外（8~12 μm）波段，以滿足在單波段的高性能仿真或者多波段目標仿真。最低的表觀溫度由器件散熱環(huán)境決定，通常是室溫。最高表觀溫度越高越好，一般要求不低于600 K。除了性能指標外，溫度動態(tài)范圍可調(diào)、幀頻可變、灰度控制曲線可控、圖像同步刷新等芯片功能也同樣重要。

像素列陣的設(shè)計是電阻陣器件設(shè)計的基礎(chǔ)。像素電路決定了圖像的控制方式，但驅(qū)動能力有限，需要高輻射效率的微輻射體補償電路能力的不足，因此有必要進行微輻射元與像素電路的一體化設(shè)計研究。像素列陣的性能直接決定了電阻陣器件的性能上限。可拓展至1024×1024規(guī)模、可工作于200 Hz幀頻和表觀溫度接近600 K的像素陣列是筆者設(shè)計研究的目標。

高占空比的紅外微輻射元與像素電路的一體化設(shè)計

像素電路設(shè)計及其工作特性

為實現(xiàn)微輻射陣列的單體驅(qū)動和整體圖像刷新，電阻陣中每一個微輻射元的加熱電阻R須由一個像素電路控制和驅(qū)動，如圖2(a)所示。像素電路主要由信號寄存電路和驅(qū)動電路組成。其中，信號寄存電路采用“乒乓”工作模式，分為AB兩路，每路由兩個傳輸門開關(guān)和一個電容構(gòu)成。在圖像幀同步信號Frame的控制下，AB中的一路由電容控制當前幀的像素驅(qū)動電流，同時另一路從行選列選電路中接收下一幀的圖像驅(qū)動信號并寄存于電容中，從而實現(xiàn)“掃描模式”與“快閃”模式的兼容，如圖2(b)所示。該電路相比于256×256規(guī)模電阻陣像素多了一路控制電路，使得全像素同步刷新得以實現(xiàn)，這得益于微輻射元置于電路上方的MEMS設(shè)計方案，保證占空比的同時留下了更多的電路面積用于放置電容和MOS管。由于像素電容在fF量級，驅(qū)動電壓的刷新時間將遠小于微輻射元的反應(yīng)時間，因此，圖像刷新的主要限制是微輻射元的熱響應(yīng)速度。

圖2 (a)電阻陣像素驅(qū)動電路；(b)快閃模式與掃描模式結(jié)合時序圖

微輻射元內(nèi)電阻R由一個MOS管驅(qū)動，形成源跟隨放大器結(jié)構(gòu)。如圖3所示，最大驅(qū)動效率在不同的CMOS制造工藝以及不同MOS管尺寸下會有較大差異。

圖3 微輻射元電壓VR和MOS管驅(qū)動效率隨柵輸入電壓Vin的變化

MOS管控制電壓VG由信號電壓VS和偏置電壓Vbias共同組成，而VS由圖像數(shù)字信號經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換形成。電阻的γ和α的實際存在，以及加熱功率與電壓的平方關(guān)系，使得驅(qū)動電壓輸入與輻射功率輸出之間的關(guān)系具有較強非線性特性。輻射圖像灰度分辨率的控制也將具有較強非線性特性，其由DAC的分辨率和R的大小共同決定。

此外，由圖3可知：MOS管驅(qū)動效率小于1，其本身也會產(chǎn)生一部分熱量。系統(tǒng)散熱能力決定了微輻射元陣列的總功耗上限，限制了圖像的最高最低紅外表觀溫度。以驅(qū)動效率等于60%為例，以0.6 mW驅(qū)動微輻射元，像素總功耗為1 mW，滿功率運轉(zhuǎn)的極限條件下1024×1024陣列總功耗為1 kW，在大多數(shù)應(yīng)用場景中電阻陣大部分時間工作于極限功率的一半以下，散熱條件較容易滿足。為了保持大規(guī)模電阻陣列的正常運轉(zhuǎn)，微輻射元功率應(yīng)限制在0.6 mW以下。

微輻射元與像素電路的一體化設(shè)計

CMOS電路上垂直集成MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計

像素電路和MEMS電阻共同組成一個像素，其集成方式主要有兩種技術(shù)方案。一種方案是將像素電路與MEMS電阻設(shè)置在一個平面內(nèi)，像素電路與MEMS電阻通過水平金屬線連接，MEMS結(jié)構(gòu)則通過腐蝕硅襯底形成。目前國內(nèi)自研的256×256及512×512電阻陣均采用了這種方案，但這種方案的MEMS微輻射元占空比低，在進一步擴大器件規(guī)模方面面臨諸多困難和限制。另一種技術(shù)方案是在像素電路上方垂直集成MEMS電阻，其結(jié)構(gòu)和剖面示意如圖4所示。

圖4 微輻射元垂直集成結(jié)構(gòu)（a）和截面示意（b）

與非制冷焦平面不同的是，雖然都是在像素電路上集成MEMS結(jié)構(gòu)，但電阻陣作為一種功率型高溫輻射器件，其像素電流的大小比非制冷焦平面高一個量級以上。因此，MEMS電阻與像素電路之間可靠的垂直電學(xué)連接非常重要。在電阻陣MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用了兩端金屬柱與CMOS電路的頂層金屬連接的方案，將電阻陣復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)懸置于電路之上形成高架式“微橋”結(jié)構(gòu)。兩端金屬柱既起到力學(xué)支撐作用，也起到電學(xué)連接作用。金屬柱與襯底的接觸面積設(shè)計為8 μm×8 μm，較大的面積保證了微輻射元與襯底金屬的良好電連接。微橋細長的橋腿則起到熱隔離作用，寬度為2~4 μm，需根據(jù)仿真結(jié)果輔助設(shè)計最優(yōu)值。器件在工作時，微橋中部大塊區(qū)域為主要紅外輻射面。輻射面內(nèi)部的S型電阻阻值較大，通過橋腿內(nèi)的阻值較小的電極與金屬柱連接。由于MEMS電阻直接架設(shè)在像素電路之上，器件的占空比得到了大幅提升。在像素大小46 μm × 46 μm情況下，器件的占空比可達到51%。

微橋的主要結(jié)構(gòu)材料采用氮化硅薄膜。氮化硅薄膜不僅耐高溫，殘余應(yīng)力的工藝控制也較簡單，楊氏模量較大，加工過程中和工作過程中均不易發(fā)生形變。同時，氮化硅還具有熱導(dǎo)系數(shù)較低、長波紅外輻射率高等優(yōu)點。電極材料可采用熱導(dǎo)率相對較低的鈦。電阻材料可采用金屬鉑或鎳鉻薄膜，兼顧耐高溫和低電阻溫度系數(shù)的要求。碳化硅等薄膜的加入可起到MEMS紅外輻射特性的調(diào)控作用。

由于電阻陣通常工作于真空環(huán)境中，空氣熱對流和熱傳導(dǎo)均可忽略。輻射功率占比通常在5%以下，計算物理溫度變化時可忽略該項。物理溫升最大值為P/GL，P決定于CMOS電路的設(shè)計。微輻射元的最高溫度決定了紅外輻射量。

對于紅外探測系統(tǒng)來說，電阻陣紅外圖像的紅外表觀溫度（等效黑體溫度）是像素內(nèi)所有紅外輻射通量綜合的平均等效值。假設(shè)MEMS微橋的平均溫度為T，襯底的平均溫度為Ts，電阻陣像素在λ?~λ?波段內(nèi)的輻射能量可用公式(10)表達，單位為W·sr?1。

決定電阻陣紅外輻射特性的關(guān)鍵因素有MEMS微輻射元的占空比、比熱容、熱導(dǎo)和表面發(fā)射率等。在達到同樣等效黑體溫度的情況下，高占空比像素設(shè)計可以顯著緩解MEMS微橋的溫升壓力。通過MEMS微橋結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，可以使電阻陣的像素功率、占空比、溫升、輻射波段等特性達到最優(yōu)化的平衡，同時，這種垂直集成的電阻陣MEMS設(shè)計在規(guī)模上具有較強的可擴展性。

電阻陣微橋結(jié)構(gòu)的紅外光學(xué)特性

熱平衡下，電阻陣微橋的紅外吸收率等于紅外發(fā)射率。設(shè)計上可通過增強吸收的設(shè)計方法增強發(fā)射。通過調(diào)整厚度變量組(d?、d?、d?、h)以及增加襯底表面反射層，可形成特定波段高吸收的光學(xué)諧振腔。襯底表面反射層可通過CMOS電路的金屬走線布局實現(xiàn)。采用(d?、d?、d?、h) = (100 nm, 400 nm, 500 nm, 1700 nm)的厚度設(shè)計，根據(jù)各層薄膜的折射率（n）和消光系數(shù)（k）的測試數(shù)據(jù)，利用光學(xué)薄膜特征矩陣法計算得到其在4~14 μm的表面吸收率、透過率和反射率，如圖5所示。其在4~5 μm中波紅外和8~12 μm長波紅外波段的平均表面發(fā)射率分別達到0.7和0.8。碳化硅在4~5 μm中波紅外波段消光系數(shù)較大，使得微輻射元的中波紅外表面發(fā)射率有明顯提升，由此實現(xiàn)了雙波段均具有高表面發(fā)射率的設(shè)計。若想在不增加厚度情況下達到更高發(fā)射率，則需應(yīng)用在中長波紅外波段擁有更高消光系數(shù)的薄膜。

圖5 SiC和SiNx薄膜的折射率(n)（a）和消光系數(shù)(k)（b）數(shù)據(jù)；包含、不包含SiC薄膜的微輻射元紅外光學(xué)特性仿真結(jié)果（c）

熱力學(xué)仿真

通過熱力學(xué)仿真，獲得了不同功率下微輻射元的物理溫度、熱響應(yīng)時間、紅外表觀溫度和形變等工作特性，建立圖像數(shù)據(jù)輸入到紅外輻射輸出的函數(shù)關(guān)系。表1為仿真所用材料的各項參數(shù)。

表1 微輻射元仿真參數(shù)

圖6顯示了不同橋腿形狀的微輻射元在0.6 mW功率驅(qū)動下的熱平衡溫度分布特性和力學(xué)特性。兩端金屬柱所接觸襯底溫度為20 ℃。可見不同功率下橋面溫度分布均勻，溫差不超10 ℃，絕大部分溫差落在兩側(cè)橋腿上。由仿真可見，低應(yīng)力氮化硅的應(yīng)用使得微輻射元的形變量極小，主要為翹曲，最大位移量小于300 nm，平行于襯底面的位移量極小，可忽略不計，表明占空比仍有提升空間。高頻狀態(tài)下工作時，橋體會反復(fù)形變積累動能，小形變量有助于延長器件的壽命，同時避免輻射面與其他部分接觸形成熱短路導(dǎo)致輻射能量大幅下降。

圖6 0.6 mW功率下微輻射元的溫度分布（a）和形變（b）仿真結(jié)果

在同樣的功率驅(qū)動下，不同長度組設(shè)計的微輻射元的熱導(dǎo)、熱容、熱響應(yīng)時間以及中波和長波紅外表觀溫度的仿真結(jié)算結(jié)果如表2所示。可見三種設(shè)計均能滿足紅外表觀溫度的性能要求，L?=2 μm時，中波紅外和長波紅外表觀溫度分別超過了800 K和700 K，但犧牲了熱響應(yīng)速度，熱響應(yīng)時間超過了5 ms。L?=4 μm時，熱響應(yīng)時間不足2 ms，但紅外表觀溫度較小。取中間值L?=3 μm作為最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足性能要求的同時擁有較好的容錯率。

表2 微輻射元的熱屬性與性能

取橋腿寬度為3 μm，根據(jù)公式(9)可計算得到像元在不同功率下的紅外表觀溫度，仿真結(jié)果如圖7所示。驅(qū)動功率與紅外表觀溫度成近線性關(guān)系，0.6 mW功率驅(qū)動下，像素最高中波紅外表觀溫度可達658 K，最高長波紅外表觀溫度可達582 K，均超過了目前在用的國產(chǎn)電阻陣器件所能達到的紅外表觀溫度。圖7中間子圖是紅外輻射亮度與控制電壓關(guān)系的仿真結(jié)果。輻射亮度的控制特性直接反映了紅外圖像的灰度控制性能。由電壓驅(qū)動MOS管電流，電流使電阻溫度變化，繼而反映到輻射亮度的變化，該過程中的多個轉(zhuǎn)換使得控制曲線具有較明顯的非線性。以采用12 bit DAC輸出為例，明顯可見在低等級段輻射亮度分辨率較高，而高等級段分辨率較低，且在中波紅外波段非線性更強，這對于圖像灰度控制和非均勻性校正來說均是一個挑戰(zhàn)。由于文中所設(shè)計的像素CMOS驅(qū)動電路的功能簡單，為陣列外圍驅(qū)動電路的設(shè)計留下了很大的設(shè)計空間，在設(shè)計芯片時可考慮在片上直接集成現(xiàn)場非線性校正電路。熱響應(yīng)特性的仿真結(jié)果顯示，不同功率驅(qū)動下的升降溫熱響應(yīng)時間幾乎無區(qū)別，均小于5 ms，微輻射元可工作于200 Hz以上。

圖7 性能仿真結(jié)果。（a）表觀溫度與功率關(guān)系；（b）輻射亮度與電壓控制關(guān)系；（c）熱響應(yīng)曲線

樣品制備與工藝驗證

制備方案

采用在CMOS晶圓上方繼續(xù)加工，垂直集成MEMS工藝的方案。MEMS工藝與CMOS集成電路制造工藝分離，可對芯片設(shè)計和微輻射元陣列設(shè)計分別驗證，降低試錯成本。微輻射元陣列制備工藝流程如圖8所示，依次為：犧牲層制備（圖8(a)）；氮化硅薄膜沉積（圖8(b)）；金屬柱制備（圖8(c)）；電學(xué)薄膜沉積與圖形化（圖8(d)）；氮化硅薄膜沉積（圖8(e)）；碳化硅薄膜沉積與圖形化（圖8(f)）；氮化硅薄膜沉積與微橋形狀刻蝕（圖8(g)）；犧牲層去除（圖8(h)）。

圖8 MEMS工藝流程圖

小陣列制備與測試

設(shè)計了640×410微輻射元陣列，在帶有金屬網(wǎng)絡(luò)的8 in(1 in=2.54 cm)晶圓上進行了MEMS工藝流片實驗。圖9為微輻射元陣列的微觀圖像，圖中單元結(jié)構(gòu)清晰可見，圖形均勻，在去除犧牲層后，金屬柱與橋腿可支撐橋面，且無明顯形變，與預(yù)測一致。證明MEMS工藝方案可行且一致性良好。

圖9 640×410微輻射陣列樣品的SEM顯微圖

陣列樣品下方金屬網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計可對陣列進行抽樣點亮，圖10為陣列樣品的角落區(qū)域與中間區(qū)域的4×1 pixel在空氣中驅(qū)動的長波紅外圖像，結(jié)果顯示電學(xué)連接正常，微輻射元可正常驅(qū)動。在驅(qū)動加熱功率0.6 mW條件下，空氣中像素在8~12 μm波段的表觀溫度約為400 K。考慮到大氣環(huán)境和真空環(huán)境中像素熱導(dǎo)相差約有3倍，測試結(jié)果與設(shè)計仿真結(jié)果基本相符。嚴格的性能測試需要集成CMOS電路并將陣列進行真空封裝方可進行。初步測試結(jié)果證明了設(shè)計的可行性。

圖10 640×410陣列樣品的角落（a）與中間（b）處的4×1 pixel在空氣中驅(qū)動的長波紅外圖像

結(jié)論

針對大規(guī)模高輻射效率電阻陣紅外景象產(chǎn)生器的研制設(shè)計需求，提出了CMOS像素驅(qū)動電路與高占空比微輻射元陣列一體化的設(shè)計方案。驅(qū)動電路兼容掃描模式和快閃模式。微輻射元占空比達51%。設(shè)計仿真表明，在0.6 mW功率驅(qū)動下，熱響應(yīng)時間小于5 ms，陣列像元的最高中波紅外表觀溫度達658 K，最高長波紅外表觀溫度達582 K，應(yīng)力翹曲小于300 nm。本文提出了完整的MEMS工藝制備方案，通過小陣列流片驗證了制備方案可行性，并通過初步測試驗證了樣品的功能完整性。該設(shè)計實現(xiàn)了高輻射效率和強可拓展性，為大規(guī)模電阻陣的研制指明了方向。

審核編輯：彭菁