高光譜用長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器組件

于小兵,岳冬青,王成剛,寧 提,李敬國(guó),李艷紅

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

高光譜紅外成像探測(cè)技術(shù)將紅外成像技術(shù)和光譜測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起,可以在紅外波段范圍內(nèi),獲取連續(xù)0.01λ左右光譜寬度的影像數(shù)據(jù),收集上百個(gè)非常窄的目標(biāo)光譜波段信息,能夠精確探測(cè)目標(biāo)光譜分布特征,形成 “數(shù)據(jù)立方體”,具有“圖譜合一”的指紋識(shí)別目標(biāo)能力,使本來(lái)在寬波段遙感中不可探測(cè)的物質(zhì),在高光譜遙感中能被探測(cè),是世界紅外領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一[1]。

高光譜用紅外焦平面探測(cè)器組件是高光譜紅外成像的核心,世界發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)近二十年的競(jìng)相研制,高光譜用短波紅外探測(cè)器組件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天對(duì)地觀測(cè)的高光譜遙感領(lǐng)域,具軍民用途雙重功效,高光譜用長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器組件尚未廣泛應(yīng)用。

采用長(zhǎng)波紅外焦平面探測(cè)器組件的高光譜紅外成像系統(tǒng)在晝夜均具備快速精確的鑒別能力,可應(yīng)用于隱身目標(biāo)探測(cè)、化學(xué)氣體探測(cè)與識(shí)別、水下目標(biāo)探測(cè)、地下礦物勘探、地雷探測(cè)等[2]。本文介紹了針對(duì)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)波紅外高光譜探測(cè)相機(jī)使用的長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器的研究結(jié)果。

2 高光譜用長(zhǎng)波碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)

在紅外高光譜成像應(yīng)用中,紅外焦平面探測(cè)器接收到的目標(biāo)光輻射比較小,必須提高增益,擬制噪聲,并采用較長(zhǎng)的積分時(shí)間,獲得微弱信號(hào)的高信噪比。由于目標(biāo)不同紅外波段的能量差距較大,探測(cè)器輸出相應(yīng)譜段信號(hào)差異比較大,探測(cè)器應(yīng)具有更高的動(dòng)態(tài)范圍、響應(yīng)線性度、較低的暗電流、高量子效率等特點(diǎn)。

本文介紹的高光譜用長(zhǎng)波碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器采用在幾百微米厚碲鋅鎘襯底上液相外延大尺寸碲鎘汞薄膜材料,離子注入n-on-p型平面同質(zhì)pn結(jié)碲鎘汞光電二極管陣列芯片,硅讀出電路采用CMOS型集成電路,探測(cè)器芯片與硅讀出電路芯片采用微型銦柱倒裝互連形成混成探測(cè)器芯片。通過(guò)開(kāi)發(fā)不降低探測(cè)器性能前提下的長(zhǎng)波碲鎘汞探測(cè)器底部填充和背減薄技術(shù),即在碲鎘汞芯片與讀出電路倒裝互連的銦柱間隙灌入環(huán)氧樹(shù)脂膠,然后去除探測(cè)器CdZnTe襯底技術(shù),僅剩余10 μm左右厚的碲鎘汞芯片,大大降低了碲鎘汞芯片與硅讀出電路低溫狀態(tài)下的應(yīng)力,混成探測(cè)器芯片可以經(jīng)受幾千次開(kāi)關(guān)機(jī)制冷工作循環(huán),具有較長(zhǎng)的使用壽命。探測(cè)器像元排列如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器像元分布及尺寸Fig.1 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detectorpixel distribution and size

3 讀出電路設(shè)計(jì)

讀出電路基于0.35 μm CMOS 5V工藝設(shè)計(jì),采用快拍模式(Snapshot),對(duì)來(lái)自光伏二極管的瞬時(shí)信號(hào)進(jìn)行積分、存儲(chǔ)、行選通以及信號(hào)的采樣保持,以多路傳輸?shù)姆绞酵瓿?024列×256行共計(jì)262144個(gè)光伏二極管的信號(hào)輸出。輸入級(jí)為直接注入(DI)結(jié)構(gòu),積分時(shí)間可調(diào),調(diào)整步長(zhǎng)為1個(gè)MC；四檔增益可調(diào)；輸出通道4、8、16路可選。

讀出電路設(shè)計(jì)包括五個(gè)主要部分:輸入級(jí)電路、列處理運(yùn)算放大器、輸出級(jí)、數(shù)字控制電路以及版圖設(shè)計(jì)[3]。讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，原理圖如圖3所示。

圖2 讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of readout circuit structure

圖3 讀出電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of readout circuit

輸入級(jí)采用DI(直接注入)結(jié)構(gòu),ITR(先積分后讀出)工作方式。輸入級(jí)設(shè)計(jì)有抗暈管和電注入測(cè)試管,抗暈管VAB默認(rèn)情況下接1.2 V,當(dāng)光電流過(guò)大或積分時(shí)間超長(zhǎng),積分節(jié)點(diǎn)的電位低到使VAB管打開(kāi)時(shí),VAB管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)多的積分電荷進(jìn)行撇除,實(shí)現(xiàn)抗暈功能。

圖4 輸入級(jí)Fig.4 Input stage

列處理電路采用乒乓結(jié)構(gòu),即采用兩路處理電路,分別對(duì)兩行的信號(hào)進(jìn)行傳輸放大和讀出處理。

輸出級(jí)電路設(shè)計(jì)默認(rèn)為16通道輸出,通過(guò)時(shí)序控制開(kāi)關(guān)切換可選擇8通道或4通道輸出,讀出速率為8 MHz。

數(shù)字控制電路的時(shí)序電路利用不同的外部時(shí)鐘和偏壓產(chǎn)生讀出電路工作所需要的所有內(nèi)部信號(hào),所有內(nèi)部產(chǎn)生的脈沖都是主時(shí)鐘周期的整數(shù)倍。數(shù)字輸入脈沖有INT和MC兩個(gè)脈沖,輸出脈沖一個(gè)datavalid,代表有效信號(hào)輸出時(shí)間。

4 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器采用金屬結(jié)構(gòu)非真空封裝設(shè)計(jì),集成于相機(jī)低溫光學(xué)和制冷系統(tǒng)。封裝結(jié)構(gòu)主要由基板、多層陶瓷框架、冷屏、柔性電路板、電連接器、窗座、窗口等部分組成,基板采用高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)的鉬銅材料,連接多層陶瓷框架結(jié)構(gòu)、相機(jī)結(jié)構(gòu)和制冷機(jī)冷鏈,保證探測(cè)器低溫工作的溫度均勻性,降低結(jié)構(gòu)間低溫?zé)崾鋺?yīng)力。長(zhǎng)波1024×256探測(cè)器電學(xué)管腳連接多層導(dǎo)線陶瓷框架,連接聚酰亞胺柔性電路板實(shí)現(xiàn)探測(cè)器長(zhǎng)距離電學(xué)輸出,柔性電路板一端與多層陶瓷框架連接,一端連接51針電連接器。

圖5 長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器組件Fig.5 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detector assembly

5 研究結(jié)果

研究出的長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器混成芯片見(jiàn)圖6,性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1,相對(duì)光譜響應(yīng)見(jiàn)圖7,實(shí)物照片見(jiàn)圖8。

圖6 長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器Fig.6 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detector

圖7 長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)曲線Fig.7 Relative spectral response curve of the long-wave1024×256 infrared focal plane detector

圖8 長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器組件照片F(xiàn)ig.8 The long wave 1024×256 infrared focal planedetector assembly photo

表1 長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器組件主要性能檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié) 論

高光譜用長(zhǎng)波1024×256紅外焦平面探測(cè)器組件后截止波長(zhǎng)達(dá)到12.8 μm,4檔增益的讀出噪聲得到較好控制,平均峰值探測(cè)率達(dá)到7.56×1010cmHz1/2W-1,響應(yīng)率不均勻性達(dá)到6.03 %,平均量子效率達(dá)到42.6 %,暗電流達(dá)到4.4×1010e-/pixel/s,組件功能正常,性能良好,具有較廣泛的應(yīng)用適用性。