高性能17mm非制冷氧化釩紅外焦平面探測器的研制

李 煜，方 輝，譚 果，李軍利，郭健海，史 曄，何 熙，馮 濤，張海軍

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高性能17mm非制冷氧化釩紅外焦平面探測器的研制

李 煜1,2，方 輝1，譚 果1，李軍利1，郭健海1，史 曄1，何 熙1，馮 濤1，張海軍1

（1. 北方廣微科技有限公司，北京 100089；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

研制出一款640×512高性能17mm非制冷氧化釩紅外焦平面探測器。讀出電路輸入級采用鏡像電路獲得盲像元（d）和感光像元（s）電流差的積分電流（int），并能夠有效抑制輸入偏壓噪聲；同時采用逐行積分、逐列讀出模式。氧化釩采用單層微橋工藝；像元橋臂間距縮至0.8mm，以盡可能增大橋面及VO面積，有效提高像元響應(yīng)率。器件采用高可靠性的金屬真空封裝。測試結(jié)果表明，器件的噪聲等效溫差（NETD）小于45mK，響應(yīng)率大于15mV/K，熱響應(yīng)時間小于10ms。

非制冷；紅外焦平面；氧化釩；讀出電路

0 引言

自20世紀(jì)90年代，非制冷紅外熱像儀相較于制冷型紅外熱像儀，具有低成本、低功耗、小型化、易使用、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，迅速進(jìn)入軍、民用領(lǐng)域。至今，非制冷焦平面產(chǎn)品已發(fā)展到中、大規(guī)模640×512、1024×768陣列，像素尺寸縮小到17mm甚至到12mm（BAE的TWV640），噪聲等效溫差（NETD）降低到30mK @F/1以下，幀頻提高到60Hz（640×512規(guī)格），以及寬波段（中波和長波），120Hz高幀頻的非制冷探測器也逐漸形成產(chǎn)品[1-8]。

隨著非制冷探測器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷延伸，各大廠商的各種規(guī)格非制冷探測器出貨量猛增，尤其640×512（480）規(guī)格、17mm中心距這款探測器，更是獨(dú)占鰲頭。廠商的工藝穩(wěn)定、成熟，給用戶在性能、數(shù)量、價格等方面提供了保證，這種規(guī)格的產(chǎn)品成為非制冷紅外焦平面探測器的典型產(chǎn)品。國內(nèi)外幾乎所有非制冷探測器廠家，均推出了此款產(chǎn)品。國內(nèi)外該系列產(chǎn)品呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：①規(guī)格上大多是640×480，②熱敏材料VO和a-Si一同發(fā)展，③幀頻一般有30Hz、60Hz可選，以滿足不同應(yīng)用需求，④NETD大都小于50mK，⑤熱響應(yīng)時間大都在12ms以下。同時，由于探測器的用戶需求以及探測器廠家的技術(shù)差異，導(dǎo)致這系列探測器的輸出方式模擬、數(shù)字均有，金屬、陶瓷、晶圓級等封裝方式并存，各廠家產(chǎn)品之間的通用性、兼容性、互換性差。國外640系列中心距為17mm的產(chǎn)品參見表1[1-8]，國內(nèi)640系列中心距為17mm的產(chǎn)品參見表2[9-11]。

北方廣微推出的這款640×512 VO紅外焦平面組件產(chǎn)品，讀出電路輸入級采用鏡像電路模式，采用了像素級、列級片上非均勻校正（OCC）技術(shù)；設(shè)計并開發(fā)了高響應(yīng)的單層VO微橋器件工藝，同時優(yōu)化橋臂寬度、間距，以達(dá)到最大的熱輻射吸收面積，使17mm中心矩的像元獲得了較低噪聲等效溫差（NETD）。組件采用金屬真空封裝，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性，可廣泛用于各種平臺的熱成像系統(tǒng)。

表1 國外640（17mm）系列非制冷紅外探測器

表2 國內(nèi)640系列非制冷紅外探測器

1 640×512（中心距17mm）探測器設(shè)計

1.1 探測器總體設(shè)計

紅外探測器組件主要有：VO微測輻射熱計、硅讀出電路、真空封裝等。熱輻射聚焦到焦平面陣列上，微橋陣列的紅外吸收層吸收紅外能量后溫度發(fā)生變化，從而引起微橋熱敏層電阻值發(fā)生相應(yīng)的改變；讀出電路將像元的電阻變化通過恒壓偏置轉(zhuǎn)換為電流信號，電流信號通過積分器進(jìn)行放大，將放大的信號通過并-串轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過緩沖放大輸出到片外；真空封裝保持微橋陣列在真空環(huán)境、相對穩(wěn)定溫度下工作。VO微測輻射熱計設(shè)計主要涉及橋臂橋面設(shè)計、VO圖形設(shè)計、膜層厚度設(shè)計等；讀出電路設(shè)計主要是像元級、列級等片上非均勻預(yù)校正設(shè)計，偏置電路、鏡像電路、積分電路、輸出級等模塊的低噪聲低功耗設(shè)計；真空封裝設(shè)計主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計、金屬管殼、蓋板、鍺窗、半導(dǎo)體恒溫器（TEC）等部件設(shè)計。示意圖參見圖1。

圖1 探測器組件構(gòu)成示意圖

根據(jù)探測器組件主要指標(biāo)，如陣列規(guī)模、中心距、噪聲等效溫差（NETD）、幀頻、功耗等，進(jìn)一步把指標(biāo)分解到讀出電路、MEMS、封裝等各個部件。探測器陣列規(guī)模、中心距決定了讀出電路芯片尺寸，并制約了讀出電路加工工藝的選取；MEMS的工藝水平?jīng)Q定了MEMS的理論模型與指標(biāo)計算。探測器的噪聲、功耗主要由讀出電路和MEMS兩部分貢獻(xiàn)；為了達(dá)到器件工作的幀頻，讀出電路首先要滿足該幀頻工作，并且輸出通道數(shù)與讀出速率指標(biāo)相互約束，MEMS的最大熱響應(yīng)時間也因此確定；根據(jù)工藝建立的模型及結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿真計算出MEMS的熱容、熱導(dǎo)等指標(biāo)，最后得到器件的噪聲等效溫差。讀出電路、MEMS分解的主要指標(biāo)分別如表3和表4。

1.2 讀出電路設(shè)計

讀出電路用于將MEMS像元感受到輻射轉(zhuǎn)化的電阻變化并讀出。通過把MEMS像元的電阻變化通過恒壓偏置轉(zhuǎn)換為電流信號，采用積分器進(jìn)行積分放大轉(zhuǎn)換成電壓信號，并存儲、選通以及模擬緩沖器輸出。

表3 640×512 (17mm) ROIC分解指標(biāo)

表4 640×512 (17mm)MEMS分解指標(biāo)

在讀出電路片上有高精度、低噪聲的半導(dǎo)體溫度傳感器用于將芯片的溫度反饋到半導(dǎo)體恒溫器控制系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對襯底溫度準(zhǔn)確穩(wěn)定地控制。還包含有傳感器像元非均勻校正電路，通過查找、計算獲得每個探測器像元的合適偏壓，每個像元偏壓確定后將固化成OCC數(shù)據(jù)文檔。器件使用時，通過探測器端口輸入OCC數(shù)據(jù)來校正在傳感器制造過程中不可避免的傳感器像元的不均勻性，包括阻值、TCR、紅外吸收、熱容、熱導(dǎo)等不均勻性。通過片上非均勻校正，使探測器組件滿足NETD、動態(tài)范圍、響應(yīng)率均勻性等性能指標(biāo)。

此款非制冷讀出電路是低功耗、低噪聲的混合電路，采用全定制設(shè)計方法設(shè)計。

1.2.1 模擬信號通道設(shè)計

640×512讀出電路的模擬信號通道如圖2所示。主要包括3部分：鏡像電路、積分器和輸出buffer。鏡像電路的功能主要是將盲像元（d）和感光像元（s）的電流相減得到積分電流（int），同時能夠?qū)Y(jié)點(diǎn)sk、eb和gnd輸入偏置電壓的噪聲進(jìn)行一定抑制。鏡像電路包括d、s、多個盲像元級聯(lián)（dm）和多個感光像元級聯(lián)（sm）等4個氧化釩電阻以及對應(yīng)的飽和管1、2、1m和2m。s是探測單元電阻，能夠隨外界目標(biāo)的紅外輻射變化而變化。d和dm是盲像元，其溫度約等于襯底溫度，與目標(biāo)溫度無關(guān)。

讀出電路需要對MEMS傳感器進(jìn)行恒壓偏置，進(jìn)而讀出相應(yīng)的電流變化，并在偏置過程中不產(chǎn)生額外的噪聲和干擾，采用鏡像電路這種結(jié)構(gòu)對偏置電壓的噪聲和干擾有一定的抑制作用。

積分器的作用是將電流積分，轉(zhuǎn)化成電壓，起到了放大和濾波的作用。每列一個，一共640個。輸出buffer的作用是通過列選開關(guān)，將一行積分器的電壓按順序輸出，可多列共用一個buffer。

模擬輸出o的表達(dá)式(1)為：

式中：bd是d的偏壓；bs是s的偏壓。

1.2.2 總體架構(gòu)設(shè)計

圖3給出了640×512讀出電路的結(jié)構(gòu)框圖，此ROIC 主要由以下幾部分組成：640×512陣列電路、列積分電路模塊、列級緩存器、輸出級、偏置電壓產(chǎn)生模塊、中央控制器模塊、行/列選通器、OCC控制及轉(zhuǎn)換模塊等。

讀出電路不僅具有像素級偏置補(bǔ)償功能，可對焦平面陣列中的每一個像素進(jìn)行校正，使輸出信號達(dá)到比較好的一致性；而且具有探測器偏置調(diào)節(jié)器，可在焦平面校正后偏置漂移時及時校正。同時，配置字輸入口，可輸入串行配置字，修改芯片的工作模式，可以方便地修改積分時間、積分電容、偏置電壓等，增加了讀出電路應(yīng)用的靈活性。

1.2.3 版圖布局設(shè)計

640×512讀出電路版圖設(shè)計基于0.5mm DPTM標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝，讀出電路屬于典型的數(shù)?；旌霞呻娐罚质谴笠?guī)模陣列電路，如何保證陣列的一致性、行列之間的均勻性，是設(shè)計的重點(diǎn)和難點(diǎn)。由于陣列中心矩為17mm，因此每行、列的寬度也只有17mm，如此窄的寬度無法讓所有連線都通過，如何規(guī)劃各個電路模塊的位置更是一個挑戰(zhàn)。

在保證陣列行列版圖完全一致，優(yōu)化進(jìn)入陣列、行電路、列電路的關(guān)鍵偏置電源線，采用類似二叉樹的方式，避免偏壓在、方向的宏觀趨勢。特別是高阻點(diǎn)最容易受數(shù)字時鐘干擾，采用電源或地線立體屏蔽。同時增加保護(hù)環(huán)，降低數(shù)字電路對模擬電路的干擾。

為了提高電路的成品率，以及電路的抗干擾、抗靜電釋放（ESD）的能力。強(qiáng)化冗余度的設(shè)計，加強(qiáng)ESD及峰值電流的保護(hù)設(shè)計，增加電源和偏壓的去耦能力。同時，合理布局使電路的功耗盡量均勻分布。

圖4為整體電路版圖，布局與圖3一致，方向從下到上依次是OCC電路、氧化釩電阻陣列、積分器和buffer?？偟男酒叽缡?4.6mm×15.7mm。

1.3 VOx微橋結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計

根據(jù)探測器組件的技術(shù)指標(biāo)要求，結(jié)合目前的工藝水平，進(jìn)行17mm像元的橋臂、橋面設(shè)計，再根據(jù)NETD、熱響應(yīng)時間模型對VO面積和厚度進(jìn)行優(yōu)化，并對橋臂、橋面其他各層厚度進(jìn)行優(yōu)化。具體設(shè)計流程如圖5所示。

圖2 640×512讀出電路信號通道示意圖

Fig.2 Schematic Diagram Signal Channel of the 640×512 ROIC

圖3 640×512讀出電路結(jié)構(gòu)框圖

Fig.3 Architecture of the 640×512 ROIC

圖4 640×512（17mm）讀出電路版圖

Fig.4 Layout of 640×512 ROIC

圖5 MEMS設(shè)計的流程

Fig.5 Process of MEMS Design

設(shè)計除考慮技術(shù)指標(biāo)外，還同時兼顧環(huán)境適宜性、可靠性、可測試性、工藝可行性、成本，以及與讀出電路接口等原則。

1.3.1 探測單元版圖設(shè)計

該款17mm像元探測器的MEMS采用單層結(jié)構(gòu)，其沖擊和振動特性優(yōu)于雙層結(jié)構(gòu)，單層結(jié)構(gòu)的可靠性已在多種型號的探測器上得到驗(yàn)證。根據(jù)工藝規(guī)則，將像元橋臂間距縮至工藝允許尺寸，以盡可能增大橋面面積和VO面積，最后得到的圖形如圖6所示。

圖6 中心距17mm像元示意圖

1.3.2 橋臂、橋面厚度設(shè)計

對于單層結(jié)構(gòu)，橋面為SiN/VO/SiN夾層結(jié)構(gòu)，用于吸收紅外輻射并轉(zhuǎn)化為焦耳熱，引起VO層溫度的升高及阻值變化。橋臂為SiN/Ti/SiN夾層結(jié)構(gòu)，連接橋面與橋墩到讀出電路（ROIC），讀出VO阻值變化。

由于橋面大小受限，吸收面積上難再提高，只有通過提高單位面積吸收率使像元吸收功率得到提高。根據(jù)VO和Ti等材料參數(shù)，通過建模、仿真，計算出橋臂Ti、橋面VO的厚度，可以分別計算出像元的橋臂熱導(dǎo)、橋面熱導(dǎo)和橋面熱容，最終得到像元的熱響應(yīng)時間。根據(jù)像元結(jié)構(gòu)、各層厚度和膜系紅外吸收譜可估算探測單元在20℃和35℃黑體輻射下的吸收功率差。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的橋臂長度、寬度，選取合理的膜層厚度，可實(shí)現(xiàn)較高的響應(yīng)率以及較低的噪聲等效溫差。

1.3.3 MEMS像元噪聲計算

Sensor的噪聲主要由Johnson噪聲（Johnson）、Flick噪聲（Flick）、Thermal噪聲（Thermal）組成[12]。Sensor的總噪聲為：

式中：

式中：為玻爾茲曼常數(shù)；2＝1/(2×i)、1＝0.01Hz；i為積分時間；為像元熱容參數(shù)。K為VO材料結(jié)構(gòu)參數(shù)；b為像元偏壓。初步估算，MEMS總噪聲小于0.4mV。

1.4 可測試設(shè)計

由于640×512讀出電路是復(fù)雜的模數(shù)混合電路，為了判斷各個具體功能模塊是否按設(shè)計要求工作，以及分析電路失效部位、失效原因等，方便改進(jìn)設(shè)計和修正錯誤，提高可靠性。整個讀出電路設(shè)計了正常工作模式、電路測試模式、半成品測試及篩選模式等。

讀出電路的測試性設(shè)計包括兩方面，數(shù)字部分的測試性設(shè)計和模擬電路的測試性設(shè)計。數(shù)字部分的測試通過操作模式數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的譯碼器實(shí)現(xiàn)，能將多個感興趣的數(shù)字信號通過開關(guān)連接到數(shù)字測試引腳，方便用戶調(diào)試。模擬部分的測試也可以通過操作模式數(shù)據(jù)及譯碼器實(shí)現(xiàn)，將感興趣的模擬信號通過開關(guān)連接到模擬測試引腳。

讀出電路芯片的邊緣做有PCM區(qū)，可作為MEMS設(shè)計、MEMS工藝的驗(yàn)證測試單元，并可測試熱響應(yīng)時間和電阻等。

1.5 封裝設(shè)計

640×512（中心矩17mm）探測器使用金屬管殼、TEC和吸氣劑的封裝方式，直接使用小鍺窗與蓋板焊接好后再和管殼釬焊。金屬殼體主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選擇、制備工藝等方面開展研制工作。不僅在理論上能夠達(dá)到最優(yōu)的高強(qiáng)度性能，而且在工藝實(shí)現(xiàn)方面，通過改善金屬殼體的焊接手段、健全焊點(diǎn)檢測工藝、提高零部件的加工精度及裝配精度來保證金屬殼體的高強(qiáng)度性能。通過小體積多層布線陶瓷引線塊和高強(qiáng)度集成式陶瓷金屬管殼的研究，開發(fā)出滿足使用要求的陶瓷金屬封裝。

TEC由冷片、熱片、PN結(jié)例子和引線組成；窗片使用全通小鍺窗，其窗片大小由Sensor區(qū)域面積決定，內(nèi)外都鍍增透膜；蓋板采用鐵鎳合金制成，蓋板鏤空區(qū)域的中心點(diǎn)和貼片后的Sensor的中心點(diǎn)重合。將焊接好的鍺窗和蓋板平行縫焊至半成品的管殼上，經(jīng)過后續(xù)工藝，得到封裝好的探測器。探測器封裝示意圖如圖7。

圖7 小鍺窗封裝探測器示意圖

2 器件制備及半成品篩選

2.1 器件制備

讀出電路通過測試后，經(jīng)過清洗、反射層制備、犧牲層涂膠、氮化硅沉積、VO薄膜沉積、干法刻蝕、犧牲層釋放等工藝，制備出微橋結(jié)構(gòu)的MEMS器件。VO薄膜不僅具有高的TCR、合適的方塊電阻，還要有致密的微觀相結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定的加工重復(fù)性和平滑的電阻溫度特性。由于釩呈現(xiàn)多種穩(wěn)定的化學(xué)價態(tài)，其氧化物在自然界有多達(dá)13種不同的相結(jié)構(gòu)[13]，半導(dǎo)體性質(zhì)的VO薄膜沉積工藝窗口非常窄，薄膜性質(zhì)很容易在金屬-半導(dǎo)體-絕緣介質(zhì)間變化，VO薄膜的厚度和方阻的非均勻性是生長過程中的核心工藝參數(shù)，直接與最終產(chǎn)品的非均勻性、盲元、NETD指標(biāo)相關(guān)聯(lián)。紅外輻射的吸收主要在橋面區(qū)域（SiN/VO/SiN）的三明治結(jié)構(gòu)，作為微機(jī)械支撐和熱絕緣的SiN薄膜的應(yīng)力對MEMS結(jié)構(gòu)的光、熱、電、機(jī)械等性能影響較大。橋面、橋臂等圖形的特征尺寸及邊緣刻蝕質(zhì)量也會嚴(yán)重影響器件的電學(xué)、機(jī)械性能。

因此，在工藝過程中重點(diǎn)解決低應(yīng)力SiN薄膜、高質(zhì)量VO薄膜、低缺陷犧牲層的制備，以及氧化釩及橋墩刻蝕、高精度光刻等工藝。同時，依據(jù)工藝模型仿真來優(yōu)化、平衡各膜系厚度，實(shí)現(xiàn)了器件高響應(yīng)率、低NETD，并具有較高的成品率和批次一致性。主要工藝流程如圖8。17mm像元MEMS照片如圖9。像元的熱響應(yīng)時間大約為8.5ms，如圖10所示。

圖8 MEMS（17 mm）主要工藝流程

圖9 640×512（17mm）MEMS照片

圖10 像元熱響應(yīng)時間

2.2 半成品篩選

MEMS制備好后，就要裂片、封裝，最后制備出探測器組件。其中，有一個重要環(huán)節(jié)，就是半成品測試篩選，挑出性能合格的管芯，進(jìn)入封裝工藝。半成品測試主要是MEMS微橋在非真空環(huán)境下的電性能測試。選取合理的測試參數(shù)、判斷標(biāo)準(zhǔn)，以便快速篩選出可以封裝成合格器件的芯片。封裝后的探測器組件照片如圖11所示。

3 性能及成像

依據(jù)國標(biāo)GB/T 13584-2011和GB/T 17444-1998對640×512（17mm）氧化釩紅外探測器的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試，從中抽取5支探測器統(tǒng)計如表3。

圖11 640×512（17mm）非制冷焦平面探測器

表3 非制冷型640×512（17mm）氧化釩紅外探測器參數(shù)測試統(tǒng)計表

圖12 探測器無效像元分布圖

圖13和圖14是隨機(jī)抽取一支探測器的響應(yīng)率和時間噪聲分布圖。噪聲的分布接近高斯分布，但響應(yīng)率的分布與高斯分布有些偏差，還需要進(jìn)一步提高工藝控制。

圖13 探測器響應(yīng)率直方圖（5pF, 25ms）

圖14 探測器時間噪聲直方圖（5pF, 25ms）

圖15是探測器對人臉的成像圖片，僅僅只做了去壞點(diǎn)和直方均衡操作。畫面比較細(xì)膩，人的五官、頭發(fā)和眉毛以及手掌殘留的熱量都清晰可見，邊緣銳利，對比度高，整體成像效果很好。

圖15 640×512（17mm）非制冷探測器成像圖片

圖16是隨機(jī)抽取一個生產(chǎn)批的探測器NETD的直方圖統(tǒng)計，可以看出產(chǎn)品的批次一致性較好，NETD主要分布在43mK～47mK之間。

圖16 非制冷640×512（17mm）紅外探測器生產(chǎn)批的NETD的直方圖

4 結(jié)論

研制出的640×512（17mm）氧化釩紅外探測器具有低NETD、較高響應(yīng)率。而且實(shí)現(xiàn)批量化訂單生產(chǎn)，成品率較高，產(chǎn)品性能分布集中。該探測器可適用于各個軍民領(lǐng)域，同時該探測器的系列技術(shù)可擴(kuò)展到1024×768等更大規(guī)格，及14mm像素及以下的探測器組件開發(fā)，有效地提升了非制冷VO焦平面探測器開發(fā)的設(shè)計和工藝能力。

致謝

衷心感謝李璟、李中偉、馬麗麗、劉國輝、李帥、楊躍等北方廣微科技有限公司“640×512（17mm）氧化釩紅外探測器”項目組成員給予的支持和卓越的工作。

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Development of High-Performance 17mm Uncooled VOInfrared Focal Plane Array

LI Yu1,2，F(xiàn)ANG Hui1，TAN Guo1，LI Junli1，GUO Jianhai1，SHI Ye1，HE Xi1，F(xiàn)ENG Tao1，ZHANG Haijun1

(1.,100089,; 2.,650223,)

A 640×512 high-performance 17mm uncooled VOinfrared focal plane detector is developed. A readout integrated circuit (ROIC) in the input stage uses mirror circuits to obtain the difference between the currents flowing through the blind pixel (d) and photosensitive pixels (s), which is the integrating current (int), and can effectively reduce the noise contribution of input bias voltages; furthermore, the ROIC adopts a rolling-shutter mode for integration and a pixel-by-pixel mode for readout. In order to increase the responsivity and decrease the negative electron-transfer dissociation (NETD), the pixel bridge arm spacing is reduced to 0.8mm and the sensitive area of VOis maximized. The device uses a high-reliability metal vacuum package. The experimental results show that the NETD of the device is less than 45mK, the corresponding responsivity is greater than 15mV/K, and the thermal time constant is less than 10ms.

uncooled，IRFPA，VO，ROIC，NETD

TN215

A

1001-8891(2017)09-0785-09

2016-06-23；

2017-09-04.

李煜（1975-），男，四川武勝人，研究員級高工，主要從事紅外焦平面探測器及系統(tǒng)信號處理技術(shù)研究。E-mail：yu.li@gwic.com.cn。