什么是红外焦平面探测器 红外焦平面阵列原理

在攻克多项技术难关后，中国电科11所技术团队成功研制出短波和中波单片2.7Kx2.7K红外焦平面探测器，并进行了成像演示。

该探测器的成功研制，标志着中国电科在三代超大面阵红外探测器研制方面取得了重大突破，填补了国内单片2K×2K以上阵列规模红外探测器空白，代表了国内最高和世界先进水平。

红外焦平面探测器是红外成像系统的核心部件，本次研制成功的短波和中波单片2.7K×2.7K探测器属于高灵敏度制冷型红外焦平面探测器，涉及材料、芯片、集成电路设计、制冷和封装等多个学科，技术难度极大，此前单片2K×2K以上阵列规模红外焦平面探测器仅被个别国家掌握。

红外焦平面阵列技术

自从赫谢尔利第一次发现了红外辐射以来，人们就开始不断运用各种方法对红外辐射进行检测，并根据红外光的特点而加以应用，相继制成了各种红外探测器。

进入20世纪后，红外探测器技术取得了惊人的进展，特别是冷战时期，军备竞赛各方投入巨资进行研究，突破了诸多难题，使红外探测器技术从30年代单一的PbS器件发展到现在的多个品种，从单元器件发展到目前焦平面信号处理的大型红外焦平面阵列。红外焦平面阵列技术作为红外探测技术发展的一个里程碑，正在急速地拓展新的应用领域和市场，渗透到工业监测探测、执法、安全、医疗、遥感、设备等商业用领域，改变了其长期以来主要用于军用领域的状况。

红外焦平面阵列是红外系统及热成像器件的关键部件，是置于红外光学系统焦平面上，可使整个视场内景物的每一个像元与一个敏感元相对应的多元平面阵列红外探测器件，在军事领域得到了广泛应用，拥有巨大的市场潜力和应用前景。

红外焦平面阵列原理 

焦平面探测器的焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。

红外焦平面阵列分类

1、根据制冷方式划分

根据制冷方式，红外焦平面阵列可分为制冷型和非制冷型。制冷型红外焦平面目前主要采用杜瓦瓶快速起动节流致冷器集成体和杜瓦瓶斯特林循环致冷器集成体。由于背景温度与探测温度之间的对比度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提高探测仪的精度就必须大幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz12W-1，而非制冷型的探测器为～109cmHz12W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很大的差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。

2、依照光辐射与物质相互作用原理划分

依此条件，红外探测器可分为光子探测器与热探测器两大类。光子探测器是基于光子与物质相互作用所引起的光电效应为原理的一类探测器，包括光电子发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度高、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光子探测器一般工作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作用的热效应原理的一类探测器，包括利用温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利用物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：无选择性探测（对所有波长光辐射有大致相同的探测灵敏度），但它们多数工作在室温条件下。

3、按照结构形式划分

红外焦平面阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平面阵列可分为单片式和混成式两种。其中，单片式集成在一个硅衬底上，即读出电路和探测器都使用相同的材料，如图1。混成式是指红外探测器和读出电路分别选用两种材料，如红外探测器使用HgCdTe，读出电路使用Si。混成式主要分为倒装式和Z平面式两种，如图2。  

4、按成像方式划分

红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型一般采用时间延迟积分技术，采用串行方式对电信号进行读取；凝视型式则利用了二维形成一张图像，无需延迟积分，采用并行方式对电信号进行读取。凝视型成像速度比扫描型成像速度快，但是其需要的成本高，电路也很复杂。

5、根据波长划分

由于运用卫星及其它空间工具，通过大气层对地球表面目标进行探测，只有穿过大气层的红外线才会被探测到。人们发现了三个重要的大气窗口：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外，由此产生三种不同波长的探测器。

读出电路

读出电路是红外焦平面阵列当中的十分重要的环节。对于周围物体的黑体辐射，被测物体的辐射信号相当微小，电流大小为纳安或者是皮安级，要把这么小的信号读出可不是一件容易的事，尤其这种小信号很易受到其它噪声的干扰，因此，选择和设计电路就成为特别重要的方面。

1、自积分型读出电路　

在所有读出电路结构中，自积分（SI）电路（图3）最为简单，仅有一个 MOS 开关元件，其象元面积可以做得很小。在 SI 电路中，光生电流（或电荷）直接在与探测器并联的电容上积分，然后通过多路传输器输出积分信号。此读出电路的输出信号通常是取其电荷而非电压，其后接电荷放大器，在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进行复位。积分电容主要为探测器自身的电容，但也包括与之相连的一些杂散电容。在某些探测器中，此电容可能是非线性的（如光电二极管的结电容），随积分电荷的增加，其会造成探测器的偏置发生变化，可能引起输出信号的非线性。该电路的另一个缺点是无信号增益，易受多路传输器和列放大器的噪声干扰。

2、源随器型读出电路（SFD ROIC）

为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能力，往往在 SI 后加缓冲放大器。实现此功能的通常方法是在每个探测器后接一MOSFET 源随器（SFD），即构成源随器型读出电路(图4）。源随器型读出电路是一种直接积分的高阻抗放大器，探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压初值不均匀的问题，但偏压会随积分时间和积分电流变化，引起探测器偏置变化。SFD电路在很低背景下具有较满意的信噪比，但在中、高背景下，与 SI 读出电路一样，其也有严重的输出信号非线性问题。复位 MOS 开关会带来 KTC 噪声，而源随器 MOS 管的 1f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声源。

3、直接注入读出电路（DI ROIC）

直接注入（DI）电路(图5）是第二代探测器（即探测器阵列）使用最早的读出前置放大器之一。它首先用于 CCD 红外焦平面阵列，现也用于CMOS 红外焦平面阵列。在此电路中，探测器电流通过注入管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的大小主要与积分电容的大小有关，当然也受电源电压的限制。此电路在中、高背景辐射下，注入管的跨导（gm）较大，这主要是因积分电流较大的缘故。此时，读出电路输入阻抗较低，光生电流的注入效率相对较高。在低背景下，因注入管的跨导减小，使读出电路的输入阻抗增大，会降低光生电流的注入效率。在一定的范围内，DI 电路的响应基本上是线性的。但因各象元注入管阈值电压的不均匀性，会在焦平面阵列输出信号中引入空间噪声，因而抑制焦平面阵列的空间噪声是一个非常棘手的问题。

4、反馈增强直接注入读出电路（FEDI ROIC）

反馈增强直接注入电路（FEDI）以 DI 读出电路为基础，在注入管栅极和探测器间跨接一反相放大器（图6），其目的是在低背景下，进一步降低读出电路的输入阻抗，从而提高注入效率和改善频率响应。视反馈放大器的增益不同，FEDI的最小工作光子通量范围可以比DI 低一个或几个数量级，响应的线性范围也比 DI 的更宽。但象元的功耗和面积也随之增加了，面积的增加对现在日益发展的光刻技术并非什么大问题，但功耗的增大就很不利。

5、电流镜栅调制读出电路（CM ROIC）

电流镜栅调制电路（CM）可使读出电路在更高的背景辐射条件下工作（图7）。通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受面积的限制，故不可能做得很大。在高背景的应用中，很大的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于饱和状态，从而使读出电路失去探测信号的功能。CM 读出电路可避免这种情况的发生，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平方根成反比例关系，即随探测器输出电流的增大，电流增益自动减小。但是，CM 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置，其响应也是非线性的。因而，此读出电路的总体性能受限。

6、电阻负载栅调制读出电路（RL ROIC）

电阻负载栅极调制电路（RL）的构造思想和目的与 CM 几乎一样（图8），其效果也差不多，只是因用电阻替代了 MOS 管，可使象元 1f 噪声更小，并提高了探测器偏压的均匀性。由于大电阻的制造与数字 CMOS 工艺是不兼容的，RL 的阻值不可能很大。此外，因电路结构的原因，当探测器电流很小时，此读出电路的均匀性和线性度都相当差。在大多数的应用中，需要对其输出增益和偏移进行校正才能获得满意的效果，故此类读出电路不见常用。

7、电容反馈跨阻抗放大器（CTIA ROIC）

CTIA是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器（图9），探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定。它可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声。且输出信号的线性度也很好。此电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开关也会带来 CKT 噪声，这也许是它众多优良性能中的一点不足之处。

8、电阻反馈跨阻放大器（RTIA ROIC）

RTIA和 CTIA 相似，只是由电阻代替了积分电容和复位开关（图10）。此电路无积分功能，故只能提供与探测器电流成比例的连续输出电压，如要提供高的输出增益，需要大的反馈电阻，但大的电阻占用芯片面积大，且不适宜数字 CMOS 工艺。因此，读出电路阵列几乎不用此电路结构。

以上是八种典型读出电路的性能和特点，可根据不同的应用和性能需求进行选用。这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍生出新的性能更好的读出电路。

红外焦平面阵列技术的发展现状

跨入二十一世纪以来，红外热摄像技术的发展已经历了三十多个年头。其发展已从当初的机械扫描机构发展到了目前的全固体小型化全电子自扫描凝视摄像，特别是非致冷技术的发展使红外热摄像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船的驾驶员夜视增强观察仪等广阔的民用领域。

红外热摄像技术的发展速度主要取决于红外探测器技术取得的进展。三十年来，红外探测器技术已从第一代的单元和线阵列发展到了第二代的二维时间延迟与积分 （TDI）8～12μm的扫描和3～5μm的640×480元InSb凝视阵列，目前正在向焦平面超高密度集成探测器元、高性能、高可靠性、进一步小型 化、非致冷和军民两用技术的方向发展，正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术方向发展。这次中国电科11所发布的就属于这第三代技术。

第三代红外焦平面阵列技术要满足以下几种要求：

1、焦平面上探测器像元集成度为≥106元，阵列格式≥1K×1K，至少双色工作，

2、高的工作温度，以便实现低功耗和小型轻量化的系统应用，

3、非致冷工作红外焦平面阵列传感器的性能达到或接近目前第二代致冷工作红外焦平面阵列传感器的水平，

4、必须是极低成本的微型传感器，甚至是一次性应用的传感器。

第三代红外焦平面阵列传感器有下列三种，即：

（1）大型多色高温工作的红外焦平面阵列，探测器像元集成度≥106元，阵列格式1000×1000，1000×2000，和4096×4096元，像元尺寸18×18μm2，目前芯片尺寸22×22mm2，未来的芯片应更大，高的量子效率，能存储和利用探测器转换所有的光电子，自适应帧速（480Hz），双色或多色工作，使用斯特林或热电温差电致冷器，工作在120～180K，光响应不均匀≤0.05%，NETD≤50mk(f/1.8)，结构上单片或混合集成，可以是三维的。

（2）非致冷红外焦平面阵列，无须温度稳定或致冷，用于分布孔径设计，重量仅1盎司，30mW功率，焦平面探测器元集成度≥106元，阵列格式1000×1000元，像元尺寸为25μm ×25μm，NETD＜10mK(f/1)，或60mK(f/2.5)，低成本、低功耗、中等性能，用于分布孔径设计中获取实用信息。

（3）非致冷工作的微型传感器，焦平面探测器像元集成度仅160×120元～320×240元，像元尺寸50μm ×50μm～25μm ×25μm，NETD＜50mK(f/1.8)，输入功率10mW以下，重量1盎司，尺寸＜2立方英寸，低成本。

最终的第三代红外焦平面阵列将是极低成本的微型传感器，将占领整个红外市场，其未来的应用将是无人操作的一次性应用传感器，如微型无人驾驶航空飞行器，头盔安装式红外摄像机和微型机器人等。

红外成像属于技术密集度高、投资强度大、研究周期长、应用前景广泛的高技术产业，因此，只有相关单位打破单位界限和行业界限，分工协作，集中国内已有的技术力量和充分利用先进技术、发挥优势、组织联合攻关，才能确保此行业在我国在的顺利发展。

编辑：黄飞