一、引言
自从1800年赫谢尔利用水银温度计制作的最原始的热敏探测器发现了红外辐射以来[1],人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测,并根据红外光的特点而加以应用,相继制成了各种红外探测器,如热敏型辐射探测器(温差电偶探测器、电阻测辐射热计、热释电探测器)和半导体光电探测器(光电导探测器、光伏型探测器等)。最初,人们只能以单个探测单元通过光机扫描的方式并协同低温制冷器来实现图像探测;后来,则出现了探测单元数目在一万以上,且自带有信号读出电路的二维N×M元焦平面阵列(FPA)探测器;而现今,集成了探测器后续信号处理电路,包括信号读出电路、前放、模数转换器等的第三代被称为“灵巧”(smart)凝视的大阵列焦平面也已开始崭露头角[2]
红外焦平面热像仪是一种可探测目标的红外辐射,并能通过光电转换、电信号处理等手段,将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备,是集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。因其具有较强的抗干扰能力,隐蔽性能好、跟踪、制导精度高等优点,在军事领域获得了广泛的应用。目前许多国家,尤其是美国等西方军事发达国家,都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发,并获得了成功[34]
二、红外焦平面阵列原理、分类
1、红外焦平面阵列原理
    焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列,从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上,探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持,通过输出缓冲和多路传输系统,最终送达监视系统形成图像。
2、红外焦平面阵列分类
    (1)根据制冷方式划分
    根据制冷方式,红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率,所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到~1011cmHz1/2W-1,而非制冷型的探测器为~109cmHz1/2W-1,相差为两个数量级。不仅如此,它们的其他性能也有很大的差别,前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。
2)依照光辐射与物质相互作用原理划分
    依此条件,红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器,包括光电子发射探测器和半导体光电探测器,其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感,但光子探测器一般工作在较低的环境温度下,需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器,包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆,利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是:无选择性探测(对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度),但它们多数工作在室温条件下[6]
3)按照结构形式划分
    红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此,按照结构形式分类,红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种[7]。其中,单片式集成在一个硅衬底上,即读出电路和探测器都使用相同的材料,如图1所示。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料,如红外探测器使用HgCdTe,读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式(图2(a))和Z平面式(图2(b))两种。
4)按成像方式划分
红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种,其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分(TDI)技术,采用串行方式对电信号进行读取;凝视型式则利用了二维形成一张图像,无需延迟积分,采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快,但是其需要的成本高,电路也很复杂。
5)根据波长划分
    由于运用卫星及其它空间工具,通过大气层对地球表面目标进行探测,只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口:1mm3mm的短波红外、3mm5mm的中波红外、8mm14mm的长波红外,由此产生三种不同波长的探测器。
<!--[if !supportEmptyParas]-->   <!--[endif]-->
三、读出电路 
    读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射,被测物体的辐射信号相当微小,电流大小为纳安或者是皮安级,要把这么小的信号读出可不是一件容易的事,尤其这种小信号很易受到其它噪声的干扰,因此,选择和设计电路就成为特别重要的方面。
1自积分型读出电路(SI ROIC) 
在所有读出电路结构中,自积分(SI)电路(图3)最为简单,仅有一个 MOS 开关元件,其象元面积可以做得很小。在 SI 电路中,光生电流(或电荷)直接在与探测器并联的电容上积分,然后通过多路传输器输出积分信号。此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压,其后接电荷放大器,在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要为探测器自身的电容,但也包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中,此电容可能是非线性的(如光电二极管的结电容),随积分电荷的增加,其会造成探测器的偏置发生变化,可能引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益,易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。
2、源随器型读出电路(SFD ROIC
为了给多路传输器提供电压信号,并增加驱动能力,往往在 SI 后加缓冲放大器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一MOSFET 源随器(SFD),即构成源随器型读出电路(图4)。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器,探测器偏压由复位电平决定,故不存在探测器偏压初值不均匀的问题,但偏压会随积分时间和积分电流变化,引起探测器偏置变化。SFD电路在很低背景下具有较满意的信噪比,但在中、高背景下,与 SI 读出电路一样,其也有严重的输出信号非线性问题。复位 MOS 开关会带来 KTC 噪声,而源随器 MOS 管的 1/f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。
3、直接注入读出电路(DI ROIC
    直接注入(DI)电路(图5)是第二代探测器(即探测器阵列)使用最早的读出前置放大器之一。它首先用于 CCD 红外焦平面阵列,现也用于 CMOS 红外焦平面阵列。在此电路中,探测器电流通过注入管向积分电容充电,实现电流到电压的转换,电压增益的大小主要与积分电容的大小有关,当然也受电源电压的限制。此电路在中、高背景辐射下,注入管的跨导(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 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200012月通过中国科学院上海分院鉴定[8]。该项目采用新工艺制备的BaxSr1-xTiO3铁电薄膜材料性能达到国际领先水平。1987年,美国TI公司演示的第一代非致冷热释电探测器所使用的就是这种铁电薄膜材料。这些研究成果表明,我国的非致冷热成像技术还有很大的潜力。
目前,我国在非致冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究。而众多的经营非致冷红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发一些软件的业务上。
 在美国、法国和英国等发达国家,单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟,以 288×4 长波和 256×256中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件。256×256 元碲镉汞焦平面探测器已经装备美国AGM-130 空对地导弹,320×256 元碲镉汞焦平面探测器在欧洲 Storm Shadow/Scalp E-G 空对地巡航导弹上开始应用,256×256 InSb 焦平面装备了以色列箭-2 反导系统及美国标准Ⅱ-A 导弹,640×512 InSb 美国战区高空区域防御系统拦截弹(THAAD)640×480 InSb 热成像仪则装备了 F-22V-22F18-E/F 等战机。
在上个世纪 90 年代中期,发展多色焦平面列阵(MSFPAs)的概念得到了美军方的高度重视,其投入大量资金开展 MSFPAs 技术研究,预计到 2010 年,新型大规模焦平面列阵 MSFPAs 将成为美军提高信息获取能力的主要手段之一。
在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中,长波器件已达到 640×480 元的规模,中、短波器件达到了 2048×2048 的规模,长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到了高度地重视。美国预警卫星采用了 6000 元的超长线列双色中、短波焦平面器件,美国大气红外深度探测仪采用了 4000元长波扫描焦平面器件[9],法国的 SPOT4 卫星采用了 3000 元的短波扫描焦平面器件。法国 Sofradir 公司研制成了 1500 元长线列中长波焦平面器件[10]2000 年, Raytheon/Hughes 研制了长波/长波双色焦平面器件,该器件采用分子束外延碲镉汞异质结材料,用反应离子刻蚀(RIE)技术形成光敏元,规模达到128×12840mm 中心距,读出电路(ROIC)采 0.8 mm CMOS 计规则,采用 foundry 加工模式,实现了同时光谱积分。
2001 年,美国Rockwell公司研制出了128×128元长波/短波、中波/中波双色焦平面器件。该器件采用了分子束外延碲镉汞多层材料,为单极型探测器结构,其探测率分别为6.0×1011 cmHz1/2W1 (长波)1.6×1012 cmHz1/2W-1(短波)
2000 年法国 Leti/LIR公司研制出了短波/中波双色焦平面器件,DRS 公司用“via-hole”的独特技术获得了双色探测器,而 Leti/Sofradia 公司也已经获得了碲镉汞双色探测器焦平面列阵。
五、展望
根据红外焦平面阵列在军事、民用等方面的要求,未来红外焦平面阵列的主要发展方向为:
    (1)集成化—探测器材料与电路集成,杜瓦与制冷、光..电的集成;
    (2)长线列如6000×1(美国已经用于高空预警机),大面阵如2048×2048(中短波)、640×480(长波);
    (3)小型化、重量轻、容易携带;
    (4)双色、多光谱;
    (5)高温化(300K常温使用)
    (6)智能化—对于不同的目标能自动调节窗口。
    红外成像属于技术密集度高、投资强度大、研究周期长、应用前景广泛的高技术产业,因此,只有相关单位打破单位界限和行业界限,分工协作,集中国内已有的技术力量和充分利用先进技术、发挥优势、组织联合攻关,才能确保此行业在我国在的顺利发展。



[1] 汤定元,糜正瑜等.光电器件概论[C]. 上海科学技术文献出版社, P298-473.
[2]吴诚苏君红. 非制冷红外焦平面技术述评[J]. 红外 技术1999Vol.21,(1P6-9.
[3] 邢素霞,张俊举等. 非制冷红外热成像技术的发展与现状[J]. 红外与激光工程,2004 Vol.33(5):P441-444.
[4]李熙莹, 倪国强, 蔡娜. 红外探测系统在反巡航导弹中的应用[J]. 激光与红外. Vol.33 No.1 Feb.2003 P8-12.
[5] 于小兵. 微型杜瓦瓶及致冷器在红外系统中的应用[J].应用光学 No.1 2000 P38-41.
[6] 李琼花,杨家德等. 非致冷凝视红外焦平面阵列的特点及应用[J]. 重庆工学院学报, ol.17 No.1 Feb.2003 P48-50.
[7]甘文样. 红外焦平面器件读出电路技术[J]. 红外, No.9 2003 P1-8.
[8]陈海生. 非致冷红外焦平面热成像技术的进展[J]. 红外技术与器,Vol.3 2002 P14-17.
[9] 蔡毅. 红外系统中的扫描型和凝视型FPA[J]. 红外技, Vol.23 No.1 Jan.2001 P3-8.
[10]刘武, 孙国正. 多色红外焦平面器件的现状、发展趋势及军事应用分析[J]. 红外技术, Vol.26 No.3 May 2004 P1-5.
[11]Eric R. Fossum. CMOS image sensors:electronic Camera-On-A-Chip [J]. IEEE Transactions on electron devices, Vol.44,No.10,Oct. 1997 p1689-1698
[12] R. H. Nixon,et al. 256×256 CMOS active pixel sensor camera-on-a-chip [J]. IEEE journal of solid-state circuits, Vol.31,No.12,Dec. 1996 p2046-2050
[13] Notton P R.. Status of infrared detectors[J], SPIE, 1998.3379:102-114
[14] Tsung-Hsin Yu, et al. A new CMOS readout circuit for uncooled bolometric infrared focal plane arrays [J]. ISCAS 2000-IEEE international symposium on circuits and systems, May. 2000 p:493-496
[15] Stuart Kleinfelder,et al. Four million frame/s CMOS image sensor prototype with on-focal-plane 64-frame storage[J],SPIE,2003.5210:1-8
[16] Sunetra K. Mendis,et al. CMOS active pixel image sensors for highly integrated imaging systems[J]. IEEE journal of solid-state circuits, vol. 32, No. 2, Feb. 1997 P187-197
The Present Development And Status Of Infrared Focus Plane Array Technology
Abstract : Infrared thermal imaging technology is main detection method for country security, which has been widely applied in satellite, missile, fighter plane and so on. At one time, the uncooled infrared image technology is applied in industry, medical treatment and others more and more with the development of technology and the deep decrease of production cost especially. The theory. structure and sort of infrared focus plane array are described in this paper in wich the emphasises are analyzing all kinds of characteristics of read-out circuit and comparing world-wide research and production works .
Keywords: uncooled; thermal image; infrared focus plane array
作者简介
张华斌,四川成都电子科技大学硕士研究生,研究方向为微电子电路及应用。
通讯地址:四川成都电子科技大学微电子与固体电子学院   |
邮编:610054
联系电话:02883202564   13668253634
张庆中,四川成都电子科技大学微电子与固体电子学院副教授,导师,从事高频大功率器件、半导体传感器、特种半导体器件、微电子工艺技术研究。
参考文献: