在攻克多項(xiàng)技術(shù)難關(guān)后，中國(guó)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(cè)器，并進(jìn)行了成像演示。

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

紅外焦平面探測(cè)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(cè)器屬于高靈敏度制冷型紅外焦平面探測(cè)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(cè)器僅被個(gè)別國(guó)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(lái)，人們就開(kāi)始不斷運(yùn)用各種方法對(duì)紅外輻射進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)器。

進(jìn)入20世紀(jì)后，紅外探測(cè)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(jìng)賽各方投入巨資進(jìn)行研究，突破了諸多難題，使紅外探測(cè)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(cè)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(chǎng)，滲透到工業(yè)監(jiān)測(cè)探測(cè)、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(zhǎng)期以來(lái)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(chǎng)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(cè)器件，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，擁有巨大的市場(chǎng)潛力和應(yīng)用前景。

紅外焦平面陣列原理?

焦平面探測(cè)器的焦平面上排列著感光元件陣列，從無(wú)限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線(xiàn)經(jīng)過(guò)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(cè)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(guò)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(lèi)

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(cè)溫度之間的對(duì)比度將決定探測(cè)器的理想分辨率，所以為了提高探測(cè)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(cè)器其探測(cè)率達(dá)到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探測(cè)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(cè)器可分為光子探測(cè)器與熱探測(cè)器兩大類(lèi)。光子探測(cè)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(lèi)探測(cè)器，包括光電子發(fā)射探測(cè)器和半導(dǎo)體光電探測(cè)器，其特點(diǎn)是探測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、對(duì)波長(zhǎng)的探測(cè)選擇性敏感，但光子探測(cè)器一般工作在較低的環(huán)境溫度下，需要致冷器件。熱探測(cè)器是基于光輻射作用的熱效應(yīng)原理的一類(lèi)探測(cè)器，包括利用溫差電效應(yīng)制成的測(cè)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(cè)輻射熱敏電阻探測(cè)器和以熱電晶體的熱釋電效應(yīng)為根據(jù)的熱釋電探測(cè)器。這類(lèi)探測(cè)器的共同特點(diǎn)是：無(wú)選擇性探測(cè)（對(duì)所有波長(zhǎng)光輻射有大致相同的探測(cè)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(cè)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(lèi)，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(cè)器都使用相同的材料，如圖1。混成式是指紅外探測(cè)器和讀出電路分別選用兩種材料，如紅外探測(cè)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(wú)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(zhǎng)劃分

由于運(yùn)用衛(wèi)星及其它空間工具，通過(guò)大氣層對(duì)地球表面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，只有穿過(guò)大氣層的紅外線(xiàn)才會(huì)被探測(cè)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(zhǎng)波紅外，由此產(chǎn)生三種不同波長(zhǎng)的探測(cè)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?chē)矬w的黑體輻射，被測(cè)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(jiǎn)單，僅有一個(gè) MOS 開(kāi)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(cè)器并聯(lián)的電容上積分，然后通過(guò)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(cè)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(cè)器中，此電容可能是非線(xiàn)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(cè)器的偏置發(fā)生變化，可能引起輸出信號(hào)的非線(xiàn)性。該電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是無(wú)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(cè)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(cè)器偏壓由復(fù)位電平?jīng)Q定，故不存在探測(cè)器偏壓初值不均勻的問(wèn)題，但偏壓會(huì)隨積分時(shí)間和積分電流變化，引起探測(cè)器偏置變化。SFD電路在很低背景下具有較滿(mǎn)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(xiàn)性問(wèn)題。復(fù)位 MOS 開(kāi)關(guān)會(huì)帶來(lái) 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(cè)器（即探測(cè)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(cè)器電流通過(guò)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(xiàn)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(wèn)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(cè)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(xiàn)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(wèn)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(cè)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(cè)器輸出電流的平方根成反比例關(guān)系，即隨探測(cè)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(cè)器提供穩(wěn)定和均勻的偏置，其響應(yīng)也是非線(xiàn)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(cè)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(cè)器電流很小時(shí)，此讀出電路的均勻性和線(xiàn)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(mǎn)意的效果，故此類(lèi)讀出電路不見(jiàn)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(cè)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(cè)器輸入阻抗和恒定的探測(cè)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(xiàn)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(kāi)關(guān)也會(huì)帶來(lái) 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(kāi)關(guān)（圖10）。此電路無(wú)積分功能，故只能提供與探測(cè)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(guò)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(lái)，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?huà)呙枘晹z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(zhǎng)期的主要軍事目的擴(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測(cè)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(cè)、車(chē)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(cè)器技術(shù)取得的進(jìn)展。三十年來(lái)，紅外探測(cè)器技術(shù)已從第一代的單元和線(xiàn)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(cè)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(guó)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(mǎn)足以下幾種要求：

1、焦平面上探測(cè)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(cè)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(lái)的芯片應(yīng)更大，高的量子效率，能存儲(chǔ)和利用探測(cè)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(wú)須溫度穩(wěn)定或致冷，用于分布孔徑設(shè)計(jì)，重量?jī)H1盎司，30mW功率，焦平面探測(cè)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(cè)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(chǎng)，其未來(lái)的應(yīng)用將是無(wú)人操作的一次性應(yīng)用傳感器，如微型無(wú)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(zhǎng)、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(guó)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(shì)、組織聯(lián)合攻關(guān)，才能確保此行業(yè)在我國(guó)在的順利發(fā)展。

編輯：黃飛

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