非制冷红外焦平面阵列

红外技术的一项重要进展是非制冷焦平面阵列，在红外探测和热成像的军、民应用中，大型非制冷焦平面阵列与制冷的光子探测器阵列相比有很多优点。文章评述利用热探测机理的非制冷焦平面阵列的最近发展。其主要技术途径有电阻测射热计和铁电薄膜单片非制冷焦平面阵列和铁电混合式非制冷焦平面阵列。     

非制冷红外焦平面阵列读出电路设计

针对SOI二极管型非制冷红外探测器,设计了一种新型读出电路(ROIC)。该电路采用栅调制积分(GMI)结构,将探测器输出电压信号转化为电流信号进行积分。设计了虚拟电流源结构,消除线上压降(IR drop)对信号造成的影响。电路采用0.35μm 2P4M CMOS工艺进行设计,5V电源电压供电。当探测器输出信号变化范围为0~5mV时,读出电路仿真结果表明:动态输出范围2V,线性度99.68%,信号输出频率5MHz,功耗116mW。     

二极管型红外焦平面阵列的噪声分析及结构优化设计

二极管非制冷红外焦平面阵列(IRFPA)探测器具有广阔的前景,然而它的性能受噪声源的制约,为了得到高性能的探测器,必须研究噪声源并减小其影响。概述了探测器噪声源,量化并研究了不同噪声对探测器的影响,最后得到了二极管IRFPA的性能极限,此外,计算得到了最优的结构参数。理论研究表明温度起伏噪声对应的最小噪声等效温差(NETD)为2.36K,此时探测器热导为辐射热导,其值为2.06nW/K。当单元尺寸为25μm×25μm的探测器的正向偏置电流为33μA,占空比为54%时可得到最优NETD为46.5mK。     

非制冷红外焦平面阵列的定标试验研究

为将非制冷红外焦平面阵列(UFPA)应用于地基云红外被动遥感系统,就非制冷红外焦平面阵列的响应特性进行了试验研究.在定标模型理论分析的基础上,提出了一种考虑探测器工作温度效应的适合于非制冷红外焦平面阵列的辐射定标模型,设计了基于标准辐射源的定标方法.试验结果表明,非制冷红外焦平面阵列响应动态范围大、线性度好,探测器工作温度效应可作线性化处理,辐射定标模型反演标准偏差为0.72 w.m-2.sr-1.     

非制冷红外焦平面阵列进展

非制冷红外成像技术已广泛应用于军事和民用领域,一直是人们关注的焦点之一,其核心部件是非制冷红外焦平面阵列(IRFPA:Infrared Focal Plane Array)。综述了几种具有代表性的非制冷IRFPA的探测原理、发展历史和现状。它们是:热敏电阻型、热释电型、热电堆型、二极管型、热-电容型非制冷IRFPA和应用光力学效应的非制冷IRFPA、基于法布里-珀罗微腔阵列的非制冷IRFPA。     

基于非制冷红外焦平面阵列的全天空红外测云系统

云的地面观测是对本地天气进行实时监测的重要工作.目前,主要采用人工目测方法进行云的地面观测,无法准确提供夜间云的资料.为了实现云的全天空昼夜自动监测,采用非制冷红外焦平面阵列(UIRFPA)和扫描的方式,通过拼图、定标、大气修正、云识别等数据处理,研制成功了全天空红外测云系统.该系统由光学测量单元、扫描单元、环境参数测量单元、采集与控制单元和数据处理单元组成.初步的观测试验表明,该系统所给出的全天空云分布图像以及云量、云族与实际天空状况一致,考虑探测器工作温度效应的非制冷红外焦平面阵列定标模型,可满足全天空云监测的辐射定量测量要求,定标处理以及云识别算法可行.     

低噪声非制冷红外焦平面阵列驱动电路的设计

针对非制冷红外焦平面驱动电路在噪声和可靠性方面的高要求,分析了降低直流偏置电压噪声以降低红外焦平面阵列噪声的可行性,提出了一种新型低噪声的非制冷红外焦平面驱动电路.该驱动电路采用ADI公司的AD8606系列高精度低噪声运算放大器构成一个直流缓冲器,其具有强大的直流驱动能力和低噪声性能,实现了直流偏置电路.采用Altera公司的Cyclone Ⅱ系列可编程逻辑器件,设计红外焦平面的时序驱动电路.测试结果表明:焦平面探测器均方根噪声降低至397.83μV,为后续非制冷红外热像仪的研制奠定了基础.     

非制冷红外焦平面阵列成像系统图像处理软件设计

对自主开发设计的一款非制冷红外焦平面阵列(IRFPA:Infrared Focal Plane Array)成像系统进行了简要介绍.并从应用出发,对其红外图像特性进行了分析,针对性地开发了图像处理软件.结果显示该系统能较好地采集红外图像,并进行处理.     

国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展

非制冷红外焦平面阵列探测器是目前发展最为迅速的红外探测器种类之一,并已广泛渗透到军事和民事应用中.本文重点阐述几种国外具有代表性的非制冷红外焦平面探测器的现状及其发展趋势.     

基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计

这里利用AD公司的热电制冷控制器ADN8830设计出高性能、高稳定性的TEC控制电路.该电路通过简单的电容、电阻构成的外部PID(比例积分微分)补偿网络,能够使探测器温度在10 s内稳定在最佳工作点,温度控制精度可达0.01 ℃.实验结果表明该方案具有效率高、功耗低、体积小等优点,是一种较好的温控设计方案.     

基于光学读出非制冷红外成像系统的无基底FPA等效电学模型

与传统的有基底FPA(焦平面阵列)相比, 基于全镂空支撑框架结构的新型无基底FPA在热学特性上存在显著差异, 传统的基于恒温基底假设的热学分析模型不再适用, 因此, 通过电学比拟方法, 将无基底FPA的热响应特性等效为电学模型.通过该模型, 进一步分析了无基底FPA在非真空环境下的热学性能, 分析表明: 该无基底FPA具有在大气压下优良的红外成像性能, 其NETD(噪声等效温度差)值仅比真空环境下增加了数倍.     

SOI二极管型非制冷红外焦平面结构的改进设计

在绝缘衬底上的硅(SOI)制备的二极管型非制冷红外焦平面是利用单晶硅PN结二极管作为温度探测器,比其它类型非制冷红外焦平面具有自己的独特优势.描述了传统型像素的结构与特性,并提出一种改进型结构.在传统的像素结构中,红外吸收结构直接覆盖于二极管表面,其填充系数仅为21%.改进后的结构将红外吸收层悬空并覆盖整个像素表面,使吸收结构能够达到80%,大大提高了器件的吸收率.计算结果也显示改进后的结构在像素尺寸为35μm×35μm时,器件的灵敏度可达到7.75×10~(-3)V/K,等效功率噪声(NETID)可减小至43 mK(F/10.0).同时,ANSYS的仿真结果也表明改进后的结构在吸收率上的提高,证明了此结构的可行性.     

红外焦平面探测器成像中的重影现象

在一款256×256中波红外探测器成像中,发现了成像重影,这种重影严重影响图像质量。特别是探测微弱目标时,对目标的识别和捕获会产生严重的干扰。本文介绍了专用红外焦平面点源实验平台,对成像重影的数据特性进行了分析,并通过机理分析和实验比较定位了引起成像重影的原因。成像重影是由于测试电路阻抗不匹配及带宽不够造成的,通过改进测试电路消除了这种重影。     

共用桥腿式高性能非制冷红外焦平面探测器研究

研制出一种新型微桥结构的氧化钒非制冷红外焦平面探测器。该微桥结构采用列相邻像素共用桥腿的方式,极大地增加了桥腿长度,减小热导,能有效提高像元响应率并降低噪声等效温差（NETD）。同时该微桥结构采用双层工艺,增加桥面及氧化钒面积,提升填充率,进一步提升探测器性能。探测器器件阵列采用384×288,像素为12 μm,读出电路采用逐行积分、逐列输出模式,封装方式采用高可靠性的金属真空封装。测试结果表明,探测器的NETD不大于15 mK,响应率大于44 mV/K。其性能指标可以满足民用、军用等领域的应用需求。     

热释电非制冷红外焦平面现状及发展趋势

一维和二维阵列的热释电非制冷红外焦平面非常适合应用于热成像.混合式的BST铁电探测器降低了成本,市场潜力巨大.分析了热释电非制冷红外焦平面阵列探测技术的优势,介绍了热释电非制冷红外探测器工作原理及热释电非制冷红外焦平面阵列对探测材料的要求,指出了混合式及单片式热释电非制冷红外焦平面阵列发展趋势.制备高一致性和高性能的大阵列的探测元是发展非制冷红外焦平面的关键,针对我国在热释电非制冷红外焦平面阵列研究方面存在的问题,提出了下一步研究的方向及重点.     

用于红外焦平面阵列的等效像元电路设计

提出了一种用于300×400红外焦平面阵列读出电路的等效像元电路结构。该电路与氧化钒(VOx薄膜)制成的微机械系统(MEMS)的电特性等效,并能够模拟MEMS像元改变时支路电流的变化。红外面阵探测器读出电路在流片后,生长MEMS物理结构(VOx薄膜)前,该等效像元电路结构用于读出电路的电性能测试,从而剔除不良品,减少封装成本。该电路采用了Global Foundry 0.35μm工艺设计并流片。测试结果表明,当积分电流为0~200nA时,该等效像元电路的电性能与MEMS像元一致。     

非制冷红外焦平面阵列BST铁电薄膜的制备及性能研究

采用改进的溶胶-凝胶方法,在Pt／Ti／SiO2／Si基片上成功地制备出不同组分,具有钙钛矿型结构的BST铁电薄膜。BST5、BST10和BST15铁电薄膜的介电系数εr,分别为375、400和425,介电损耗tgδ分别为0．041、0．024和0．010,剩余极化强度Pt分别为2μc／cm^2、2.5／μc／cm^2和1．7μc／cm^2,矫顽场Ec分别为40kV／cm、50kV／cm和35kV／cm,是制备非制冷红外焦平面阵列的优选材料。     

抑制背景电流的红外焦平面单元读出电路

随着非制冷红外焦平面阵列技术的发展,红外读出电路的设计变得越来越重要。设计了一种带有背景电流抑制功能的红外焦平面单元读出电路,该读出电路在改进后的第一代开关电流电路的基础上实现背景电流抑制功能。详细阐述了该系统电路的整体架构和工作原理,并用Spectre仿真软件实现了电路的仿真。结果表明该方案可以抑制背景电流,实现红外读出功能。     

HgCdTe红外焦平面阵列像素内灵敏度函数仿真

对于<2的欠采样成像红外搜索和追踪系统,点目标能量集中在单像素内。由于焦平面阵列像素内灵敏度（IPS：Intra-Pixel Sensitivity）存在空间非均匀性,会降低目标的能量和质心测量精度。传统的光点扫描实验测试和数值仿真方法可有效表征和分析IPS,但系统和模型复杂度高、效率低,且实验测试无法分析IPS空间非均匀性与探测器参数的关系。针对上述问题,提出基于蒙特卡洛方法的HgCdTe红外焦平面阵列IPS仿真模型,分析了IPS空间非均匀性的影响因素。结果表明,减小像素中心距或增大吸收层厚度,IPS的空间非均匀性减小;随波长增大,IPS的空间非均匀性增大。该仿真和分析对高能量集中点目标测量精度的提升具有重要参考意义。     

Process simulation for HgCdTe infrared focal plane array flexible manufacturing

The strategy and status of a process simulator for the flexible manufacture of HgCdTe infrared focal plane arrays is described. It has capabilities to simulate Hg vacancy and interstitial effects and cation impurity diffusion, for various boundary conditions in one dimension. Numerical complexity of these problems stems from the necessity of solving diffusion equations for each defect that are coupled to each other via nonlinear interaction terms. The simulator has already led to the prediction of heretofore unexplained experimental data. Current extensions of the one-dimensional simulator planned over the next few years include the addition of Te antisites, antisite-Hg vacancy pairs, and In-Hg vacancy pairs, ion implantation, and various energetic processes (such as ion milling). The sequential effect of various processes will be possible with the input to the simulator looking much like a process run sheet.