InGaAs探測(cè)器熱電制冷方法研究

董長(zhǎng)哲 王宇 李明 丁曉燕

（北京空間機(jī)電研究所，北京100076）

1 引言

近年來(lái)，紅外儀器在空間遙感和探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多。探測(cè)器的性能對(duì)整個(gè)儀器的性能有著關(guān)鍵性的作用。短波紅外譜段是空間遙感和探測(cè)領(lǐng)域一個(gè)很重要的窗口，可以很好的反映各種物質(zhì)信息。這個(gè)窗口透射率很高，很多物質(zhì)例如礦物質(zhì)、氣體在此譜段都有特定的光譜信號(hào)[1]。此外，對(duì)應(yīng)于此譜段的探測(cè)器技術(shù)也日趨成熟。在短波紅外領(lǐng)域，InGaAs探測(cè)器以其探測(cè)性能優(yōu)良、可在常溫條件下工作等優(yōu)勢(shì)，在空間遙感和探測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，法國(guó)的陸地衛(wèi)星SPOT4/SPOT5、歐洲環(huán)境衛(wèi)星ENVISAT、印度環(huán)境衛(wèi)星和資源衛(wèi)星均采用了InGaAs長(zhǎng)線列焦平面器件，用于短波紅外的探測(cè)[2-5]。但是，盡管典型的InGaAs探測(cè)器在室溫下有較高的像元探測(cè)率，已成功地應(yīng)用于部分遙感領(lǐng)域，但對(duì)于探測(cè)靈敏度要求較高的系統(tǒng)，尤其是其在空間領(lǐng)域中的應(yīng)用，進(jìn)一步降低其噪聲非常必要。

在InGaAs探測(cè)器的各種噪聲源中，暗電流噪聲起著主導(dǎo)作用，尤其在弱光、長(zhǎng)積分時(shí)間條件下其影響更為顯著。采用對(duì)探測(cè)器制冷的方法減小其暗電流是提高整個(gè)紅外儀器探測(cè)靈敏度的一個(gè)重要手段，但是制冷的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)體積、質(zhì)量、功耗的增加。因此，在保證探測(cè)靈敏度的前提下如何縮小制冷系統(tǒng)的體積和功耗是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，本文首先分析了InGaAs探測(cè)器的工作原理，然后提出了一種綜合考慮體積、功耗因素的制冷方案——通過(guò)熱電制冷器對(duì)InGaAs探測(cè)器進(jìn)行制冷，有效降低了其暗電流噪聲，提高了InGaAs探測(cè)器的探測(cè)靈敏度，改善了紅外儀器的性能。

2 InGaAs探測(cè)器分析

用于短波紅外領(lǐng)域的探測(cè)器有InGaAs探測(cè)器和HgCdTe探測(cè)器兩種。HgCdTe材料制作的探測(cè)器存在很大的局限性，HgCdTe的晶體制備困難，材料具有較高的本征缺陷密度，且在較高溫度或輻射作用下性能不穩(wěn)定，此外，HgCdTe要求有極為精確的組分控制，精確地確定其禁帶寬度，以控制材料的光響應(yīng)截止波長(zhǎng)，要使整個(gè)晶片有很高的組分均勻性相當(dāng)困難，這使得制備探測(cè)器陣列難度加大。而且HgCdTe材料本身存在著嚴(yán)重的隧道效應(yīng)，為了使其能夠靈敏地探測(cè)出紅外輻射量的微弱變化，必須在非常低的溫度條件下工作，以抑制噪聲的影響，因而裝置復(fù)雜，價(jià)格昂貴，使用不方便，在應(yīng)用方面受到諸多限制。而InGaAs材料具有直接間隙，高電子遷移率，可與InP晶格匹配生長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，由它制作的探測(cè)器量子效率高、探測(cè)率高，在較高的溫度條件下也可以工作，這樣就使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量輕、使用方便，在應(yīng)用方面具有可以減小儀器的體積和質(zhì)量、降低功耗、提高可靠性等明顯的優(yōu)勢(shì)。

典型的InGaAs探測(cè)器材料為In0.53Ga0.47As，工作波段為0.8～1.7μm。改變InxGa1-xAs材料中In的組分x可以改變其截止波長(zhǎng)，當(dāng)x從0增加到1時(shí)，其截止波長(zhǎng)也相應(yīng)的從0.871μm增加到3.44μm。隨著截止波長(zhǎng)的增加，探測(cè)器的暗電流噪聲會(huì)隨之增大，像元探測(cè)率D*下降，噪聲等效功率（NEP）增加，信噪比降低。表1為不同截止波長(zhǎng)的探測(cè)器的像元探測(cè)率（探測(cè)器工作頻率為1kHz）。

表1 不同截止波長(zhǎng)的探測(cè)器像元探測(cè)率

由表1可知，對(duì)于一般的要求，截止波長(zhǎng)為1.7μm的探測(cè)器工作在室溫下其像元探測(cè)率D*足夠大；但是對(duì)于2.2μm和2.6μm截止波長(zhǎng)的探測(cè)器，為了得到更好的探測(cè)效果就需要對(duì)其制冷以提高探測(cè)器的噪聲水平從而提高像元探測(cè)率。

本文研究了一個(gè)截止波長(zhǎng)為2.2μm、1×512像元的InGaAs探測(cè)器，其紅外焦平面陣列在結(jié)構(gòu)上包括兩部分：InGaAs光電二極管陣列和CMOS讀出電路。圖1為其焦平面陣列結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，每一個(gè)像元由InGaAs光電二極管和讀出電路組成。讀出電路又包括電容反饋跨阻抗放大器 （Capacitive Trans-impedance Amplifier，CTIA）和相關(guān)雙采樣 (Correlated Double Sampling，CDS)電路。CTIA輸入端接InGaAs光電二極管，輸出端接反饋積分電容Cint和復(fù)位開(kāi)關(guān)INT。CDS電路接在CTIA后端，由采樣開(kāi)關(guān)SH1、SH2及其相應(yīng)的采樣保持電容C1、C2組成。在積分開(kāi)始時(shí)，INT斷開(kāi)，信號(hào)開(kāi)始積分，SH1接通進(jìn)行第一次采樣保持，得到初始信號(hào)VIDEO1；在積分結(jié)束時(shí)，SH2接通進(jìn)行第二次采樣保持，信號(hào)積分結(jié)束，得到最終信號(hào)VIDEO2。VIDEO1和VIDEO2差分后得到信號(hào)量，即相關(guān)雙采樣模式。

圖1 InGaAs紅外焦平面陣列結(jié)構(gòu)圖

在圖1中，偏置電壓VERF通過(guò)一個(gè)內(nèi)置電壓調(diào)整器鉗位至3.25V。理想情況下，陣列中每個(gè)InGaAs光電二極管所對(duì)應(yīng)的VERF都等于3.25V，但實(shí)際中會(huì)有超過(guò)±3mv的偏差。因此每個(gè)像元都會(huì)存在暗電流△I=△V/R0，其中R0為探測(cè)器的零偏電阻。由于△V可能為正或負(fù)，暗電流△I的方向也相應(yīng)會(huì)為正或反。暗電流的大小隨探測(cè)器溫度的變化而變化。試驗(yàn)表明InGaAs探測(cè)器的溫度每降低10℃，其暗電流的大小會(huì)減小至一半。因此，對(duì)探測(cè)器制冷是降低探測(cè)器暗電流噪聲的有效手段，尤其在弱光信號(hào)條件下，探測(cè)器需要在長(zhǎng)積分時(shí)間的條件下工作，積分時(shí)間越長(zhǎng)，暗電流就越大，這就更需要降低探測(cè)器的溫度以提高其靈敏度。對(duì)于此2.2μm截止波長(zhǎng)的InGaAs探測(cè)器，一般探測(cè)器工作時(shí)內(nèi)部溫度需要保持在260K左右其暗電流水平可以接受。

3 熱電制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制冷技術(shù)主要有制冷劑制冷、機(jī)械制冷、熱電制冷等方式。不同的制冷技術(shù)因其制冷效果、功耗、質(zhì)量需求不同而有不同的應(yīng)用場(chǎng)合。表2為幾種制冷技術(shù)在常溫下制冷其制冷效果及資源需求的比較。

表2 不同制冷技術(shù)的比較

從表2中可以看出，每一種的制冷技術(shù)在達(dá)到一定制冷效果的同時(shí)都有不同的質(zhì)量、功率限制。在實(shí)際應(yīng)用中，紅外儀器的質(zhì)量和功率都有一定的限制，因此，在滿足制冷效果的前提下，選擇質(zhì)量、功耗較小的制冷方法對(duì)儀器的小型化和成本的降低有重要意義。此外，制冷技術(shù)的應(yīng)用還需要考慮諸如制冷劑制冷可能會(huì)帶來(lái)污染，機(jī)械制冷存在振動(dòng)、長(zhǎng)期工作的可靠性不高等問(wèn)題。

圖2 熱電制冷原理圖

由于InGaAs探測(cè)器對(duì)制冷效果要求不高，但是其應(yīng)用于小型紅外儀器中，質(zhì)量、功耗資源的限制大。因此，通過(guò)不同制冷技術(shù)的比較分析，可以看出熱電制冷最適用于小型紅外儀器的探測(cè)器制冷設(shè)計(jì)。

熱電制冷又稱半導(dǎo)體制冷、溫差電制冷、電子制冷，它是一種使用特種半導(dǎo)體材料，以電能為動(dòng)力，珀?duì)柼≒eltier）效應(yīng)為基礎(chǔ)的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程[6-7]。如圖2所示，熱電制冷原理是把一塊N型半導(dǎo)體材料和一塊P型半導(dǎo)體材料聯(lián)結(jié)成一個(gè)電偶對(duì)時(shí)，然后在這個(gè)電路中接通電壓后迫使電子發(fā)生定向的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生電流；當(dāng)電流由N型元件流向P型元件時(shí)，接頭處吸收熱量，成為冷端；另一端則放出熱量，成為熱端。當(dāng)電流反向時(shí)，冷熱端互換。熱電制冷器吸熱和放熱的大小是通過(guò)電流的大小以PN電偶對(duì)的對(duì)數(shù)來(lái)決定的。

熱電制冷不需要復(fù)雜的機(jī)械組件所帶來(lái)的體積要求，在較高工作溫區(qū)的功耗也很小，而且熱慣性非常小，尤其適合于體積和功耗有一定限制的場(chǎng)合。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)熱電制冷系統(tǒng)如圖3所示，包括InGaAs探測(cè)器、熱電制冷器 （Thermoelectric Cooler，TEC）、散熱器以及風(fēng)機(jī)。TEC冷面貼在探測(cè)器背面，熱面貼在散熱器上?？紤]到冷面與熱面的溫差基本為一常量，如果其熱面的溫度太高，將會(huì)影響到冷面的制冷效果，所以最好將其熱面貼到散熱器上并用風(fēng)機(jī)增加對(duì)流，以使其熱面產(chǎn)生的熱量盡快散掉并達(dá)到熱平衡。對(duì)于熱電制冷器，驅(qū)動(dòng)電壓決定驅(qū)動(dòng)電流，而驅(qū)動(dòng)電流又決定其制冷能力。因此，需要根據(jù)探測(cè)器的制冷需求和散熱器的散熱能力，給TEC提供合適的驅(qū)動(dòng)電壓，這樣既可以達(dá)到制冷需求，又能通過(guò)散熱片散出熱量保持熱平衡。

圖3 熱電制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型圖

此外，對(duì)于某些InGaAs探測(cè)器芯片，由于探測(cè)單元和TEC集成在一個(gè)封裝中，受散熱限制，不能將探測(cè)器制冷到很低的溫度。這時(shí)可采用圖3所示的制冷系統(tǒng)，在探測(cè)器背面再貼一片TEC，根據(jù)制冷需求調(diào)節(jié)內(nèi)外TEC的驅(qū)動(dòng)電壓，這樣不但提高了制冷系統(tǒng)的可控性，同時(shí)又進(jìn)一步增加了制冷深度。

由于熱電制冷器和探測(cè)器緊貼在一起，探測(cè)器信號(hào)很微弱，而制冷器的驅(qū)動(dòng)電流很大，制冷器的驅(qū)動(dòng)電流通斷瞬間就有可能對(duì)探測(cè)器產(chǎn)生干擾。為使驅(qū)動(dòng)電流緩慢增加，避免制冷器工作在開(kāi)關(guān)溫控狀態(tài)，因此，采用PID控制方法使制冷器處于連續(xù)溫控狀態(tài)。如圖4所示，將探測(cè)器的溫度模擬量傳輸?shù)紸D中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將溫度數(shù)字量傳送給PID控制器，控制器根據(jù)連續(xù)采樣溫度的高低發(fā)出控制信號(hào)給制冷驅(qū)動(dòng)電路，從而達(dá)到更好的制冷效果。

圖4 溫控系統(tǒng)框圖

4 探測(cè)器制冷試驗(yàn)結(jié)果分析

利用圖3所示的熱電制冷系統(tǒng)對(duì)InGaAs探測(cè)器進(jìn)行制冷，采集探測(cè)器內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，其溫度值與時(shí)間的關(guān)系如圖5所示?？梢钥闯?，制冷系統(tǒng)在很短時(shí)間內(nèi)將溫度降低到260K左右，并且能夠保持穩(wěn)定。制冷系統(tǒng)內(nèi)部制冷器供電電壓為3.3V，電流為0.85A；外部制冷器供電電壓為2.5V，電流為0.43A，因此制冷功耗約為3.88W，也可以接受。

圖5 熱電制冷效果

然后，對(duì)InGaAs探測(cè)器在不制冷和制冷條件下分別進(jìn)行暗電流噪聲測(cè)試。探測(cè)器的暗電流測(cè)試需要在完全無(wú)光條件下多次測(cè)量探測(cè)器的輸出信號(hào)，對(duì)其求平均值，得到每個(gè)像元輸出的平均信號(hào)。圖6和圖7分別為探測(cè)器在不制冷和制冷條件下輸出信號(hào)（測(cè)試條件：探測(cè)器工作頻率35kHz，積分時(shí)間5ms）。對(duì)比圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，制冷以后探測(cè)器輸出信號(hào)暗電流噪聲得到明顯降低。因此，此熱電制冷系統(tǒng)對(duì)InGaAs探測(cè)器的探測(cè)性能有很大的提升。

圖6 不制冷時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)

圖7 制冷時(shí)探測(cè)器輸出信號(hào)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用熱電制冷的方法對(duì)紅外儀器中的InGaAs探測(cè)器進(jìn)行制冷，以提高紅外儀器的性能。通過(guò)測(cè)試可以得到如下結(jié)論：1）熱電制冷能夠以相對(duì)較小的體積功耗代價(jià)快速穩(wěn)定的對(duì)InGaAs探測(cè)器進(jìn)行制冷；2）制冷后隨著溫度的降低，InGaAs探測(cè)器的噪聲得到明顯降低，從而提高了紅外儀器的探測(cè)靈敏度。因此，熱電制冷方法對(duì)于紅外儀器在空間遙感和探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用有很大價(jià)值。

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