周振林

（哈爾濱鐵路局科學技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150006）

HgCdTe紅外探測器信號抑漂與一致性研究

周振林

（哈爾濱鐵路局科學技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150006）

對三級半導體制冷HgCdTe紅外探測器信號輸出不一致性和信號漂移產(chǎn)生原因進行深入分析與研究，并說明使其輸出一致與信號穩(wěn)定的必要性，著重論證了調(diào)整偏置電流對探測器輸出的影響，并采用校零技術(shù)，信號合成與還原技術(shù)等對抑制漂移的基本方法。

半導體恒溫制冷；紅外探測器；漂移；校零

1 引 言

目前，在已知的各種紅外探測器材料中，HgCdTe依然是重要和首選的紅外探測器件，其突出性能是在整個紅外波段（1～20μm）具有很高的光子吸收率；與其他材料相比，同樣的溫度下，HgCdTe熱激發(fā)載流子產(chǎn)生的暗電流最小［1］；紅外信號響應速度快（時間常數(shù)在2μs）等特點。半導體三級制冷下的HgCdTe充氮封裝，制成的紅外探測器具有靈敏度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢。

當然在制作HgCdTe合成材料過程中［2］，由于生產(chǎn)工藝的因素，往往導致HgCdTe元件靜態(tài)物理特性和輸出特性的差異，從而使器件信號響應率隨元件不同而產(chǎn)生一定變化，另外，在半導體制冷器恒溫過程中，因電流穩(wěn)定性原因，探測器輸出信號放大后會產(chǎn)生一定的漂移，隨著時間的增加漂移也不斷加大，甚至漂移信號最終會淹沒實際熱電信號，因此，解決因電制冷和元件自身因素產(chǎn)生的漂移尤為重要［3］。

本文著重分析了HgCdTe的性能，調(diào)整偏置電流的方法，信號校零技術(shù)及溫度校準電壓技術(shù)，實現(xiàn)在三級半導體制冷下HgCdTe紅外探測器抑漂和信號輸出一致，這對大量使用該探測器領(lǐng)域具有非常重要的意義。

2 半導體制冷HgCdTe元件信號放大一致性

2.1 HgCdTe元件生產(chǎn)背景

目前國內(nèi)使用較為普遍的HgCdTe元件均為手工制作，鑒于制造工藝和材料切割差異，每個HgCdTe元件的非制冷阻抗是不一樣的，光波響應率也不一樣，也就造成每個封裝后的HgCdTe器件會出現(xiàn)相同目標溫度溫升，而不同的熱電敏感效應結(jié)果，因此，在實際應用中，或大量使用該探測器的領(lǐng)域，每個探測器一般選取一個標準熱源（簡稱熱靶）作為溫度量化中介，首先把熱靶在環(huán)溫基礎(chǔ)上加熱一定高度，并記錄熱源加熱過程中HgCdTe元件的輸出電壓和熱靶的熱力學溫度，形成熱電效應曲線，當探測實際發(fā)熱物體時，取得探測器的輸出電壓，在熱電效應曲線中查找對應的熱力學溫度，以此來達到整個系統(tǒng)輸出熱力學溫度的目的，依照這樣的方法，三大缺點影響探測效果：①環(huán)境溫度變化對其影響較大；②系統(tǒng)輸出熱力學溫度會產(chǎn)生波動且不穩(wěn)定；③所探測目標溫度范圍受限（一般130℃溫升，因熱靶不可能加熱過高）。如果找到一條適合所有探測器的曲線，那么這個熱靶就沒有存在必要了，優(yōu)點就明顯顯現(xiàn)，尤其在探測更高溫和較大溫升范圍的領(lǐng)域更加有效。實現(xiàn)這樣的目的，唯一要求就是做成輸出一致的HgCdTe紅外探測器。

2.2 HgCdTe熱電信號一致性調(diào)整

HgCdTe元件本身的特性差異已無法改變，只有借助于外圍電路來改變其最終輸出大小，圖1為可調(diào)探測器輸出初級信號放大電路。R1為HgCdTe元件接入偏置電流保護電阻；R2為HgCdTe元件微調(diào)電阻；R3，R4電壓參考點B電位值設(shè)置電阻；R5為初級放大倍數(shù)設(shè)置電阻；AD620為高精度放大器；ID為元件的偏置電流。

圖1 HgCdTe元件信號輸出一級放大Fig.1 First amplification of the output voltage of HgCdTe detector

偏置保護電阻R1起到保護HgCdTe元件的目的，通過HgCdTe元件電流過大會燒壞該器件，該偏置電流一般小于3mA，電位器R2使HgCdTe元件工作在3 mA以內(nèi)。

根據(jù)HgCdTe元件的固有特性，其信號輸出大小除其與本身內(nèi)效應阻值變化大小有關(guān)外，由通過偏置電流ID大小也決定著輸出信號增量，雖然元件個體有一定差異，內(nèi)阻不能任意調(diào)整，但通過精密調(diào)整該偏置電流ID，使其輸出一致變得可行，調(diào)整前要借助于高低溫標準黑體來完成。圖1可見，設(shè)置高低溫標準黑體低溫段溫度T0，調(diào)整R2使A點電壓為Va0，設(shè)置高低溫標準黑體高溫段溫度T1，得到A點電壓為Va1，Va的電壓增量與偏置電流調(diào)整關(guān)系計算如下：

式（5）中，Rt0為黑體低溫下HgCdTe元件的阻值；Rt1為黑體高溫下HgCdTe元件的阻值。

根據(jù)HgCdTe元件的波長諧振特性，不同的目標溫度段，ΔVa是不一樣的，高端溫度溫升的ΔVa與低端溫度溫升相差很大，因此，調(diào)整偏置電流的同時，兼顧R5大小的選取，避免輸出出現(xiàn)溢出飽和。

對于不同元件，通過調(diào)整R2，來滿足公式（3）中的ΔVa的大小一致性，從而使HgCdTe元件輸出經(jīng)過放大后保持一致，一般需要幾次調(diào)整，方能做到高低端溫度的兼顧，當HgCdTe元件的工作溫度需要變更時，還需要再加一組偏置電流調(diào)整電路，通過模擬開關(guān)選取需要哪組電路起作用。

3 元件恒溫與抑制漂移

3.1 半導體制冷恒溫控制與漂移產(chǎn)生的原因

HgCdTe元件必須工作在恒溫環(huán)境，圖2為HgCdTe元件恒溫控制電路，Ty為HgCdTe元件內(nèi)工作溫度標稱電壓信號，044 N為大功率驅(qū)動管。

圖2 HgCdTe元件恒溫控制電路框圖Fig.2 HgCdTe detector′s cooling control circuit diagram

經(jīng)過調(diào)制后的元溫信號Ty的大小反映了HgCdTe元件內(nèi)的恒定溫度的高低，當環(huán)境溫度升高時，元件內(nèi)熱敏電阻Rt阻值相應減少，從而使Ty值增加，當Ty的增加并達到一定閾值時，二極管D1的導通并發(fā)光，同時驅(qū)動D2導通，大功率驅(qū)動044 N的輸出電流，使元件內(nèi)溫度降低，Rt開始增大，元溫調(diào)制反饋電路又要拉低Ty電壓，導致二極管D2截止，阻止044 N輸出電流，在044 N輸出截止震蕩中逐步趨于平穩(wěn)，實現(xiàn)元件工作溫度基本不變，保證HgCdTe元件的正常穩(wěn)定輸出。

但事實上，由于元器件制冷器本身的特性，電源的干凈程度及元件內(nèi)熱傳導等因素，都不可能使元件工作在絕對恒溫的環(huán)境，總是存在元件背景溫度的微小變化，尤其電源的噪音與元件內(nèi)熱傳導不確定性，結(jié)果造成元件產(chǎn)生了漂移電壓，隨著時間的增加電壓，漂移不斷增加，長時間的漂移信號和有效探測信號進行疊加，產(chǎn)生很大輸出誤差，實驗證明，24 h的漂移相當溫度變化5℃以上，元件不同，漂移程度不同，只有有效抑制漂移，才能輸出精確的溫度值。

3.2 抑制漂移的方法

上述可見，漂移產(chǎn)生的原因主要來源于HgCdTe元件的輸出，而放大電路的漂移可以忽略，如圖3所示，Va為上一級放大電路的輸出信號，漂移大小在該端體現(xiàn)，消除漂移的基本方法就是在探測器對準一個靜態(tài)常溫參考熱源時（該熱源溫度可測），使Vo輸出一直保持為零（簡稱校零），當需要對有效目標發(fā)熱物體探測時，取消校零，并獲取目標溫度與參考熱源間的溫差電壓，電路工作原理如下：當控制模擬開關(guān)把M與N點導通后，Vo大小就會通過校零控制電路反饋到放大器的電壓參考端，無論Vo怎樣變化，電路都會保證Vb與Va相等，把Vo拉回到0狀態(tài)，從而完成校零控制，在校零狀態(tài)下，無論元件輸出多大的漂移，Vo輸出始終為0。

當探測器需要探測有效目標熱源時，控制模擬開關(guān)把M和N點斷開，此時，放大器輸出信號為待測目標溫度與靜態(tài)常溫參考熱源的和，因此，對于一個長時間需要探測的目標熱源，定時進行校零是非常必要的，校零操作時間是非常短的，不會影響熱源探測精度。

圖3 校零與二級放大電路Fig.3 Zero-calibration and second amplification circuit diagram

當然在校零期間，探測器必須要有一個靜態(tài)的標準的目標熱源作為參考，并不斷采集該參考熱源的電壓值，以便把參考熱源的電壓值與實際熱源的電壓輸出值進行合成輸出。

4 信號合成與還原

常態(tài)參考熱源的溫度電壓值的準確性也是很重要的，一般植入一高精度鉑電阻（PT1000）來獲取溫度電壓值，因探測器對其照射時間較長，所以無需要求其輻射系數(shù)，鉑電阻實時反饋常態(tài)參考熱源的變化，通過調(diào)制電路調(diào)制成電壓信號送單片機采集，單片機得到該信號后經(jīng)過運算，形成探測器特征曲線內(nèi)的對應的溫度電壓信號數(shù)值，通過D／A數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成模擬信號加到電壓校準控制電路，同時輸出電壓值VH，如圖4所示，Vo為校零放大級放大后的信號，Vout為最后合成輸出電壓信號，其大小如下：

式中，Vout為最終輸出溫度電壓信號；K為后級放大器的放大倍數(shù)；Vo為后級放大輸入信號；VH為常態(tài)參考熱源調(diào)制電壓。

圖4 輸出電壓校準及合成放大電路Fig.4 Output voltage verification and composing amplification circuit diagram

如圖4所示電路中，二極管與倍數(shù)因子電阻組成一個非線性放大電路，其主要目的是抑制探測器在高端目標溫度輸出飽和問題，增加探測目標的溫升范圍。

5 結(jié) 論

輸出一致性和漂移抑制是HgCdTe紅外探測器領(lǐng)域有待解決的重要技術(shù)，通過實驗可知，在偏置電流3 mA內(nèi)調(diào)整余量很大，元件特性保持不變的情況下，從0.5～2.3 mA內(nèi)完全可以調(diào)制出輸出特性完全一致的復合電路，溫升范圍可達200℃或更高。抑制漂移和校零電路的使用，以及最終的信號合成與還原，實現(xiàn)了半導體制冷下的HgCdTe紅外探測器信號漂移的抑制，使HgCdTe紅外探測器輸出更具有使用價值，HgCdTe紅外探測器在鐵路軸溫探測領(lǐng)域有大量運用，本技術(shù)的運用將是該器件在鐵路車輛軸溫探測中，將具有很重要的意義。

參考文獻：

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Study on signal floating suppression and consistency of the HgCdTe infrared detector

ZHOU Zhen-lin
（Harbin Institute of Science and Technologies Research，Harbin Railway Bureau，Harbin 150006，China）

Aiming at the problem of signal floating and non-consistency of the three-stage thermoelectrically cooled photoconductive（PC）HgCdTe Infrared detectors，the causes are analyzed and studied.The necessity of output consistency and signal stabilization is pointed out.This paper focuses on the influence of adjusting the bias current on the output voltage.It is used the zero-calibration technology，the signal synthesis and the restoring technology to eliminate and control the voltage floating.

constant cooling by thermo-conductor；infrared detector；voltage floating； zero-calibration

TN215

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.03.08

1001-5078（2014）03-0261-04

周振林（1964－），男，工學學士，高級工程師，研究方向是對高速鐵路車輛的軸承，車輪及走行部進行紅外線探測，及時發(fā)現(xiàn)高溫故障。E-mail：zhouzhenlin＠veic.com.cn

2013-07-03；

2013-08-08