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红外焦平面阵列技术现状和发展趋势

时间:2009-03-02 18:47来源: 作者: 点击:
红外热成像技术是国家安全依赖的主要探测技术手段,已在卫星、导弹、飞机等军事领域获得了广泛的应用。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,其在
  gm)较大,这主要是因积分电流较大的缘故。此时,读出电路输入阻 抗较低,光生电流的注入效率相对较高。在低背景下,因注入管的跨导减小,使读出电路的输入阻抗增大,会降低光生电流的注入效率。在一定的范围内,DI 电路的响应基本上是线性的。但因各象元注入管阈值电压的不均匀性,会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声,因而抑制焦平面阵列的空间噪声是一个非常棘手的 问题。

4、反馈增强直接注入读出电路(FEDI  ROIC)
    反馈增强直接注入电路(FEDI)以 DI 读出电路为基础,在注入管栅极和探测器间跨接一反相放大器(图6),其目的是在低背景下,进一步降低读出电路的输入阻抗,从而提高注入效率和改善频率响 应。视反馈放大器的增益不同,FEDI的最小工作光子通量范围可以比 DI 低一个或几个数量级,响应的线性范围也比 DI 的更宽。但象元的功耗和面积也随之增加了,面积的增加对现在日益发展的光刻技术并非什么大问题,但功耗的增大就很不利。

5、电流镜栅调制读出电路(CM  ROIC)
    电流镜栅调制电路(CM)可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作(图7)。通常,读出电路的积分电容是在象元电路内,因受面积的限制,故不可能做得很 大。在高背景的应用中,很大的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于饱和状态,从而使读出电路失去探测信号的功能。CM 读出电路可避免这种情况的发生,这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系,即随探测器输出电流的增大,电流增益自动减小。但是,CM 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置,其响应也是非线性的。因而,此读出电路的总体性能受限。

6、电阻负载栅调制读出电路(RL  ROIC) \"\"
    电阻负载栅极调制电路(RL)的构造思想和目的与 CM 几乎一样(图8),其效果也差不多,只是因用电阻替代了 MOS 管,可使象元 1/f 噪声更小,并提高了探测器偏压的均匀性。由于大电阻的制造与数字 CMOS 工艺是不兼容的,RL 的阻值不可能很大。此外,因电路结构的原因,当探测器电流很小时,此读出电路的均匀性和线性度都相当差。在大多数的应用中,需要对其输出增益和偏移进行校正才能获得满意的效果,故此类读出电路不见常用。

7、电容反馈跨阻抗放大器(CTIA  ROIC)
    CTIA 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器(图9),探测器电流在反馈电容上积分,其增益大小由积分电容确定。它可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的 探测器偏置电压,在从很低到很高的背景范围内,都具有非常低的噪声。且输出信号的线性度也很好。此电路的功耗和芯片面积较一般的电路大,复位开关也会带来 CKT 噪声,这也许是它众多优良性能中的一点不足之处。

8、电阻反馈跨阻放大器(RTIA ROIC)
    RTIA 和 CTIA 相似,只是由电阻代替了积分电容和复位开关(图10)。此电路无积分功能,故只能提供与探测器电流成比例的连续输出电压,如要提供高的输出增益,需要大的 反馈电阻,但大的电阻占用芯片面积大,且不适宜数字 CMOS 工艺。因此,读出电路阵列几乎不用此电路结构。

以 上是八种典型读出电路的性能和特点,可根据不同的应用和性能需求进行选用。当然,其中某些性能参数也不是一成不变的,可随工艺水平的发展而变化,如单元面 积和成本会随集成电路工艺的进步而得到缓解。最后要指出的是,这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍生出新的性能更好的读出电路。

四、国内外发展状况简述

我 国非致冷焦平面阵列技术已初步取得进展。1995年,中国科学院长春光学精密机械研究所利用微机械加工技术研制成功了低成本线阵32×128象元硅微测热 辐射计阵列,其噪声等效温差(NETD)为0.3K,存储时间为1ms。而由中国科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于 2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定

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