非致冷焦平面热成象技术及其应用

９０年代以后，非致冷红外焦平面技术的实用化成为红外热成象技术中最引入注目的突破之一，其在军事和民用领域的广泛应用前景受到国内外的普遍重视。本文综述了非致冷红外焦平面技术的两大技术途径及其特点、发展趋势和应用情况，并讨论了发展我国非致冷红外焦平面技术的途径。

单片式128×1氧化钒微测辐射热计非致冷焦平面的研制

采用氧化钒薄膜、低应力介质膜和CMOS读出电路技术,研制了单片式128×1非致冷焦平面.氧化钒薄膜的制备采用了一种新的方法,焦平面的信号读出采用了CTIA积分方式.应用一种双频PECVD技术制备了低应力氮化硅薄膜,有效改善了微桥的平整度.通过氮化硅和氧化钒薄膜自身的红外吸收,焦平面在8～14μm波段的平均响应率达到8.2×104V/W,平均D*达到2.3×108cmHz1/2/w.焦平面的均匀性需要进一步改善.

具有低噪读出特性的VO_2非致冷焦平面读出电路

介绍了一种针对二氧化钒敏感材料的CMOS读出电路(RO IC).该电路结构简单,适合大规模焦平面阵列,并具有良好的低噪特性,可以有效地降低焦平面衬底温度波动影响和抑制一些低频噪声.该读出电路已成功地应用于32×32元微测辐射热计焦平面阵列原型.

达到理论极限的带光学读出的非致冷焦平面列阵

在2005年5月召开的“红外技术与应用XXXI”SPIE专题会议上，以色列Namal技术有限公司的研究人员介绍了该公司发明的一种基于光学读出的非致冷焦平面列阵新技术。该技术采用一种以顺电相位工作的电光晶体作为温度敏感元件，另外还采用了一种横向读出结构，其一整行像元是通过电触发瞬时读出的。由于光学读出可降低电子噪声，预计其NETD为5mK-7mK。该器件的这种低NETD是由温度起伏噪声决定的，因而可达到非致冷焦平面列阵的理论极限。

用于热红外推帚式成像的512×3元非致冷焦平面列阵

计划中用以执行地球和行星观测任务的热红外成像仪器越来越多。并入这些仪器的非致冷微测辐射热计技术给这些仪器带来了尺寸、重量和功耗方面的优势,这些优势有利于执行小卫星任务,对于微型卫星和纳米卫星来说则更是必不可少的条件。加拿大海洋研究所和标准协会已研究成功一种独特而通用的加拿大微测辐射热计工艺技术。最近,他们用这种技术研制成一个非致冷焦平面列阵以满足基于卫星的热红外成像的特殊要求。列阵由三行并行的像元构成,每行有512个像元,像元的间距为39μm。为了实现在片像元偏差校准并提高对电路小片温度变化的不敏感性,每个像元都包含着有源探测器和参考探测器。读出电路以并行方式对每一个像元进行积分,从而消除了其本身的偏差和低频噪声,并提供14bit的数字输出。一种用以操作512×3元焦平面列阵并使其采集数据的紧凑型电路插件装置已设计并制成。它被装在一个75mm×75mm×50mm的封壳中,其功耗为3．75W。

非致冷红外焦平面阵列的辐射定标模型

为了将非致冷红外焦平面阵列应用于不同环境的辐射定量测量,设计了一种基于标准辐射源的定标试验方法,并在理论分析的基础上,根据定标试验数据,提出了一种考虑探测器工作温度效应的非致冷红外焦平面阵列辐射定标模型。试验数据分析表明,非致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/(m2.sr)。

一种高精度非致冷红外焦平面温度控制系统的设计

非致冷红外焦平面基准温度的稳定性和均匀性直接决定了其应用系统的性能。分析了基于PID算法的温度控制原理,在此理论基础上,设计了针对非致冷红外焦平面的高精度微型温度控制系统,该系统利用专用控制芯片ADN8830对TEC进行PID闭环自动控制,温度恒定范围在0～45℃时,实现了温度稳定度±0.01℃的性能指标。该系统还具有高精度、小型化、低噪声、快速稳定等优点,为提高红外焦平面系统温度稳定性、迅速达到稳定工作状态提供了有益的参考。

非致冷红外焦平面阵列读出电路的设计和SPICE模拟

读出电路是非致冷红外焦平面阵列的核心部件之一,对电路进行SPICE模拟是验证电路的重要手段。针对近年来得到迅猛发展的微测辐射热计(VOx)非致冷红外焦平面阵列的特点,提出了相应CMOS读出电路的设计方案,并用PSpice9.2给出了4×4CMOS读出电路的实现和精确的模拟结果。模拟结果表明,该方案是适合微测辐射热计非致冷红外焦平面阵列读出电路一种较为理想的形式,同样也适合于大阵列(如160×120和320×240)的CMOS读出电路。

热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的研究

采用改进的溶胶-凝胶(sol-gel)技术,在Pt/Ti/SiO2/Si3N4/SiO2/Si基片上研制出具有优良热释电性能的BST,PLT和PZT铁电薄膜,它们是制备单片式非致冷红外焦平面阵列的优选探测材料。解决了制备热释电薄膜单片式非致冷红外焦平面阵列的关键技术,成功研制出8元、9元、10元线列和8×8元阵列,器件电压响应率(RV)达8.6×103V/W。

非致冷红外焦平面成像系统辐射测温技术研究

为了消除由非致冷红外焦平面自身温度变化造成的辐射测温偏差,提出了一种基于G-t(黑体辐射灰度-探测器工作温度)标准曲线进行辐射测温的新方法。该方法从热辐射理论和热像仪测温原理出发,利用实验测得的G-t标准温度关系曲线,并结合灰体表面真实温度的计算公式,最终实现了非致冷红外焦平面成像系统的高精度辐射测温。实验结果表明,当探测器的工作温度在26℃～35℃、黑体温度在35℃(308K)～45℃(318K)时,绝对温度偏差低于1K,有效地消除了非致冷红外焦平面自身的温度变化对辐射测温精度的影响。

非致冷红外焦平面阵列VO_2薄膜结构和性能研究

采用射频磁控反应溅射方法,通过精确地控制氧分压、基底温度等关键工艺参数,沉积出满足非致冷红外焦平面阵列使用的VO2薄膜。解决了以往其它方法制备过程中薄膜相成份较为复杂、薄膜不均匀和电阻温度系数达不到使用要求的问题。利用X射线衍射和X射线光电子谱,分析了薄膜的成分、相结构、结晶和价态情况,用原子力显微镜表征了薄膜的微观结构,分光光度计分析了薄膜在可见到红外波段(500～2500nm)高低温透射率变化情况,对薄膜的电学性能也进行了测量和分析。结果表明VO2薄膜纯度高,结晶好,薄膜的光透射率在波长2000nm处相变前后改变了42%,室温下的方块电阻为26.8kΩ/□,电阻温度系数为2.2%/℃。同时给出了利用X射线光电子谱中钒的V2p3/2特征峰位表征氧化钒相结构的方法。

横向多晶硅p^＋P^-n^＋结非致冷红外焦平面

应用标准CMOS工艺，同时结合体硅微机械加工技术，研制成功横向多晶硅p^+P^-n^+微测辐射热计单元；基于研制成功的微测辐射热计，设计了规模为128×128面阵的非致冷红外焦平面。采用标准CMOS工艺制作横向多晶硅p^+P^-n^+结热敏响应元和读出电路；在CMOS工艺完成后，辅以与CMOS工艺兼容的体硅微机械加工工艺，制备微桥形式的热绝缘结构，从而方便地实现了CMOS读出电路与探测器阵列的单片集成。在3～5μm红外波段，微测辐射热计的电压响应率为5．7×10^3V／W，黑体探测率D^*为1．2×10^8cm·Hz^1/2·W。焦平面采用行读出模式的结构，信号读出采用栅调制积分电路，输出级采用外接负载电阻的源极跟随电路，将探测器单元产生的信号按顺序串行单端输出。

非致冷热电型红外焦平面阵列用探测材料的研究进展

归纳了非致冷红外焦平面阵列(UFPA)技术自提出、发展直至趋于成熟以来,国内外曾研究报道过的近百种热电型探测材料,对其中前景看好的Si、Ti、VO_x等微测辐射热计材料和(Ba、Sr)TiO_3等热释电材料进行了重点评述。

TMOS红外非致冷传感器及焦平面列阵

非致冷焦平面列阵的常规设计均包含一块CMOS读出电路芯片，该芯片上的牺牲层和传感器材料层是先摹制然后再用表面微机械加工方法消除的。由于这种芯片不能完全用标准的CMOS生产线制备，在进行标准的CMOS制备之后，还需要接受后续加工。这样便会由于工艺的不兼容性而对CMOS器件的性能产生影响，而且成品率和成本也是个问题。

一种高精度非致冷红外焦平面偏置电压系统的设计

非致冷红外焦平面偏置电压的稳定性直接决定了其应用系统的性能。分析了偏置电压控制原理,在此理论基础上,设计了针对非致冷红外焦平面的高精度微型偏置电压控制系统,该系统利用单片机AT89c2051,可调电位器ADN2850,运放AD8606,A/D转化器TLV2544一起组成一个系统完成对电压进行闭环自动控制,实现了电压高稳定度的性能指标。该系统还具备高精度、小型化、低噪声、快速稳定等优点,为提高红外焦平面系统电压稳定性、迅速达到稳定工作状态提供了有益的参考。

非致冷红外焦平面使用的CMOS读出电路噪声分析

从微测辐射热计的红外辐射响应特性入手,分析其焦平面阵列的CMOS读出电路工作原理,指出读出电路的主要性能指标要求,讨论影响性能的重要因素噪声的特点,为微测辐射热计焦平面阵列CMOS读出电路的设计奠定必要的理论基础.

非致冷红外焦平面阵列用探测材料

非致冷红外焦平面阵列以其高密度、高性能和低成本,成为当前红外热成像技术的研究重点;而探测材料是非致冷红外焦平面阵列的基础。本文重点介绍了目前比较成功的三类非致冷红外焦平面阵列——热电堆型、热敏电阻型和热释电型,在开发过程中所采用的各种探测材料。

基于FPGA的非致冷红外焦平面偏压稳定电路

温度变化对非致冷红外焦平面成像的均匀性有一定的影响。其中一个原因是,受温度影响后,非致冷红外焦平面的偏置电压会变得不稳定,使焦平面输出产生微小偏差,从而降低成像质量。针对以上问题,利用FPGA接收ADN2850输出反馈的方法,将数据与预设值进行比较,从而可以不断校正与预设值的差值,使偏压电路保持了稳定,提高了红外焦平面的成像质量。该方法具有精度高和反应快的特点。

非致冷型焦平面阵列设计特性分析

文章重点分析了根据热释电效应工作的热释电探测器,包括主要组成结构,探测源、热绝缘结构和IC读出电路。从响应度、噪声等效温差NETD以及归一化探测度三个方面的因素分析了制造研究探测源应注意的问题,并且讨论了怎样选取合适的热释电材料。论述了选择热绝缘结构的原则,最后简单介绍了将红外光信号转化为电信号的流程,给出了等效电路。

基于CPLD的非致冷红外焦平面阵列驱动电路的设计

分析了非致冷红外焦平面阵列的各项参数及接口,根据焦平面的接口要求设计了驱动电路。其中包括时序逻辑驱动电路、直流偏置电压电路及单芯片焦平面温度控制电路。使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述,采用ModelSim对所设计的驱动时序进行了仿真。仿真与实验结果表明此方案满足非致冷红外焦平面阵列的驱动要求。