红外焦平面探测器数字读出电路研究

读出电路是红外焦平面探测器组件的重要组成部分,其性能对探测器乃至整个红外成像系统的性能有重大影响。随着硅CMOS工艺的发展,数字化读出电路以及读出电路片上数字信号处理等功能得以实现,能够大幅度提高红外焦平面探测器的性能。以红外焦平面探测器对读出电路的要求入手,分析了读出电路各性能参数对红外焦平面探测器性能的影响,介绍了读出电路的数字化技术及各种实现方式以及数字积分技术。CMOS技术的发展使得数字积分技术在红外焦平面探测器读出电路中得以实现,有效解决了读出电路的电荷存储容量不足的问题,极大地提高了探测器性能。     

法国SOFRADIR公司推出基于非晶硅技术的非制冷微热辐射计红外探测器

法国SOFRADIR公司最近推出一种基于非晶硅(a-Si)技术的非制冷微热辐射计红外探测器.该探测器包括一个间距为45μm、占空因子高于80%的320×240元红外焦平面列阵,其工作波长为7μm～14μm.与该非晶硅温度计相联的CMOS读出电路是一种标准的0.5 μm CMOS部件.它允许探测器以脉冲偏压模式工作,因而可以提高像元的热响应率并使红外焦平面列阵免受焦平面温度变化的影响.在30℃时,探测器的功耗低于200mW.     

用测辐射热探测器探测红外辐射的器件 美国专利US7288765 （2007年10月30日授权）

本发明提供一种用于探测红外辐射的器件,它包括一个一维或二维的测辐射热探测器列阵、一个读出电路和一个补偿结构。其中的补偿结构是用来转移从每个测辐射热探测器中流过的大部分背景或者共模电流的。该补偿结构为一层至少包含一种测辐射热材料的膜层,它分布在与读出电路相连的两个电连接区之间。     

医用红外多光谱相机

本发明提供一种医用红外多光谱相机,它包括一个长红外电荷耦合器件、一个中红外探测器列阵和一个能使长红外电荷耦合器件及中红外探测器列阵同步操作的控制装置。中红外探测器列阵可以包括碳纳米管,后者可以是探测器元件,例如,可以是已调节好带隙的碳纳米管。该探测器列阵上的每个分辨像元可以包括一个内含一根上述碳纳米管的平衡惠斯通电桥电路。探测器列阵上的相邻像元可以按正交偏振模式排列。这种医用红外多光谱相机可以用来获取患者某一有关部位的多光谱图像,以进行医学试验。患者既可以是人,也可以是动物,既可以是已知的健康人,也可以     

红外焦平面读出电路辐射特性研究

红外焦平面阵列在宇宙空间中使用时,受到各种辐射导致性能退化甚至功能失效。作为红外焦平面阵列的重要组成部分,CMOS读出电路受到各种辐射主要体现为电离辐射效应。通过对红外焦平面CMOS读出电路进行空间模拟辐射实验后,测试读出电路的功能以及性能参数,研究了辐射对读出电路的影响。实验结果为红外焦平面CMOS读出电路的抗辐射设计提供了参考依据。     

采用CMOS N势阱层的低成本红外微测辐射热计焦平面列阵

1引言 非致冷红外探测器由于与光子探测器相比具有成本低、重量轻、功率小、光谱响应宽和工作寿命长的优点,最近已受到了红外成像应用界的广泛关注.为了实现低成本的红外探测器列阵,人们一般都倾向于以单片方式使这些探测器同CMOS读出电子部件形成一体,而这些探测器与读出电子部件的合并通常是用后CMOS表面或块体微切削加工技术来完成的.     

基于电容读出的非制冷红外探测器

介绍了一种基于标准硅工艺的电容读出式微悬臂梁非制冷红外探测器的设计、制作以及集成读出电路的设计。该探测器用于探测室温下物体的红外辐射，其响应波长为8～12 μm 。由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大，用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下会发生弯曲，微悬臂梁和衬底形成一个可变电容，通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲，从而可以探测红外辐射的情况。采用和探测器集成的CMOS读出电路对探测器信号进行读取，微悬臂梁的电容灵敏度可达2.5 fF/K，温度分辨率为0.1 K。     

64×64元InSb阵列CMOS读出电路

根据64×64元InSb红外探测器对读出电路的要求,运用电路模拟和CAD技术,设计并研制了以X-Y寻址方式的64×64元InSb红外探测器用信号读出电路。文章重点介绍了64×64元InSb阵列CMOS读出电路的工作原理和设计考虑。     

用于红外焦平面列阵的高性能读出集成电路的设计（上）

1引言 在研制和生产红外焦平面列阵方面,美国的Raytheon优秀红外中心始终处于国际领先的地位.由小规模探测器列阵和分立的放大电路构成的第一代红外传感器目前仍在生产.这些产品系列为建立生产工厂提供了宝贵的经验基础.具有较大列阵规模和更多芯片功能度的第二代焦平面列阵于20世纪70年代末研制成功,并于80年代末投入生产.自那以后,对具有更大列阵尺寸、更快数据速率、更低功耗、更高操作温度、更高性能和更高片上信号处理能力的先进焦平面列阵的需求量迅速上升.为了满足这些要求,探测器的读出集成电路(ROIC)已成为一种不可或缺的的元件.Raytheon优秀红外中心在这一方面投入了大量的人力和物力,设计并演示成功几种高性能的读出集成电路.     

双波段红外HgCdTe焦平面列阵

本文综述法国原子能委员会LETI红外实验室在双波段红外焦平面列阵方面所做的研究工作.在工艺上,该实验室采用的是通过分子束外延法在晶格匹配的高质量CdZnTe衬底上生长的HgCdTe多层掺杂异质结构.器件的结构是n+ppn,而且在空间上是相干的.长波层是一个平面状的n+/p二极管,它是通过离子注入制成的,而波长较短的p-n二极管则是在分子束外延过程中通过掺铟在原位制成的.最后一个结是通过台面蚀刻而被隔离的,探测器通过铟丘与一个读出效率接近100%的读出电路互连.每个像元有一个或两个铟丘,用来按序或者同时访问两个波长,探测器的间距分别为50μm和60μm.每个波段中的单元探测器所呈现的性能接近用标准工艺制作的单色探测器的性能.为了优化双波段红外焦平面列阵的性能,LETI红外实验室专门为这种列阵设计了一种硅CMOS读出电路.本文介绍了128×128元(间距为50μm)中波红外(2μm～5μm)双色焦平面列阵在77K温度处操作时的光电性能.     

大面阵CMOS快照模式焦平面读出电路设计分析

针对一款大面阵(640×512元)快照模式制冷型红外焦平面用的读出电路进行了初步分析验证.该读出电路采用改进DI结构,先积分后读出的积分控制模式,像素尺寸为25μm×25μm,芯片已在0.5μm双硅双铝(DPDM)标准CMOS工艺下试制.首先对该电路结构及工作原理进行分析,并对输入级等电路的传输特性进行仿真验证,最后给出探测器阵列与读出电路芯片互连后的测试结果.结果表明该读出电路适用于小像素、大规模的红外焦平面阵列.     

红外焦平面器件的信息获取电路技术

红外焦平面阵列器件是现代红外成像系统的关键器件，它包括红外探测器阵列和读出电路两部分。其信号获取电路是处理焦平面输出信号的部分，主要指与读出电路接口的放大电路。本文主要综合了红外焦平面器件的信息获取电路及其相关技术，并就其中的关键技术进行简要分析。     

国外专利介绍

用测辐射热探测器探测红外辐射的器件美国专利US7288765 (2007年10月30日授权)本发明提供一种用于探测红外辐射的器件,它包括一个一维或二维的测辐射热探测器列阵、一个读出电路和一个补偿结构。其中的补偿结构是用来转移从每个测辐射热探测器中流过的大部分背景或者共模电流的。该     

320×240元非制冷红外焦平面阵列读出电路

采用1.2 μm DPDM n阱CMOS工艺设计并研制成功320×240热释电非制冷红外焦平面探测器读出电路.该读出电路中心距为50 μm,功耗小于50 mW,主要由X、Y移位寄存器、列放大器、相关双采样电路等构成,采用帧积分工作方式.经测试,研制的读出电路性能指标达到设计要求.给出了单元读出电路的电路结构、工作过程和参数测试结果.采用该读出电路和热释电红外探测阵列互联后,获得了良好的红外热像.     

1280 × 1024，10 μm数字红外焦平面读出电路设计（特邀）

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280 × 1024, 10 μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157 μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。     

具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路

甚长波红外(VLWIR)波段富含大气湿度、CO2含量及云层结构和温度轮廓等大量信息,是大气遥感的重要组成部分。为了满足现阶段甚长波红外探测器对读出电路高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、长积分时间等需求,设计了一种具有记忆功能背景抑制结构的共享型读出电路。该电路采用22四个相邻的探测器像元共用一个读出电路单元的共享缓冲直接注入级(SBDI)结构,增大了单元电路的面积,在单元内实现了具有记忆功能背景抑制结构的设计,其总积分电容达到8.8 pF,有效延长了积分时间和红外焦平面的信噪比(SNR),并改善了动态范围和对比度。基于HHNEC CZ6H 0.35 m 1P4M标准CMOS工艺,完成了电路的流片制造。仿真及测试结果表明:在50 K温度下电路功能正常,其动态范围大于90 dB,线性度优于99.9%,积分时间可达74 s,达到了设计要求。该读出电路适用于甚长波红外探测器。     

红外焦平面读出电路技术及发展趋势

从红外焦平面技术的发展背景出发,论述了读出电路在红外焦平面信号传输中的作用并介绍其基本框图,讨论了CCD读出电路和CMOS读出电路各自的特点,并分析了国内外红外焦平面读出电路的现状,最后提出了红外焦平面阵列读出电路今后的研究方向.     

可见光／近红外图像传感器列阵

本发明提供一种可在包括红外谱段在内的宽光谱范围内进行高性能成像的MOS或CMOS传感器。由于这些宽光谱范围可能还包括可见光的一部分或者全部光谱,所以该传感器还具有日光成像和夜视的能力。该传感器由一个多元MOS或CMOS读出列阵和做在该读出列阵上面的连续多层光电二极管结构组成,其中的光电二极管结构是用来敏感红外辐射的。     

基于自偏置电流镜的CMOS红外焦平面读出电路

针对高精度红外焦平面阵列应用设计了一种具有高注入效率、大动态范围、稳定的探测器偏压、小面积和低功耗的自偏置电流镜注入CMOS读出电路.所设计的电路结构包括一种由自偏置的宽摆幅PMOS共源共栅电流镜和NMOS电流镜构成的反馈结构读出单元电路和相关双采样电路.对所设计电路采用Chartered 0.35 μm CMOS工艺进行了流片.测试结果显示:电路线性度达到了99%,探测器两端偏压小于1mV.电路输入阻抗近似为0,单元电路面积为10μm×15μm,功耗小于0.4μW.电量存储能力3108电子.测试结果表明:电路功能和性能都达到了设计要求.     

横向多晶硅p+p-n+结非致冷红外焦平面

应用标准CMOS工艺,同时结合体硅微机械加工技术,研制成功横向多晶硅p p-n 微测辐射热计单元;基于研制成功的微测辐射热计,设计了规模为128×128面阵的非致冷红外焦平面.采用标准CMOS工艺制作横向多晶硅p p-n 结热敏响应元和读出电路;在CMOS工艺完成后,辅以与CMOS工艺兼容的体硅微机械加工工艺,制备微桥形式的热绝缘结构,从而方便地实现了CMOS读出电路与探测器阵列的单片集成.在3～5 μm红外波段,微测辐射热计的电压响应率为5.7×103 V/W,黑体探测率D·为1.2×108 cm·Hz1/2·W-1.焦平面采用行读出模式的结构,信号读出采用栅调制积分电路,输出级采用外接负载电阻的源极跟随电路,将探测器单元产生的信号按顺序串行单端输出.