戴山彪,陳力穎,邢海英,王 健,楊曉龍

(天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津 300387)

·紅外材料與器件·

用于紅外焦平面陣列的等效像元電路設(shè)計

戴山彪,陳力穎,邢海英,王 健,楊曉龍

(天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,天津 300387)

提出了一種用于300×400紅外焦平面陣列讀出電路的等效像元電路結(jié)構(gòu)。該電路與氧化釩(VOx薄膜)制成的微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的電特性等效,并能夠模擬MEMS像元改變時支路電流的變化。紅外面陣探測器讀出電路在流片后,生長MEMS物理結(jié)構(gòu)(VOx薄膜)前,該等效像元電路結(jié)構(gòu)用于讀出電路的電性能測試,從而剔除不良品,減少封裝成本。該電路采用了GlobalFoundry 0.35 μm工藝設(shè)計并流片。測試結(jié)果表明,當(dāng)積分電流為0～200 nA時,該等效像元電路的電性能與MEMS像元一致。

紅外焦平面陣列；讀出電路；微機(jī)械系統(tǒng)；等效像元電路

1 引 言

紅外成像技術(shù)在軍事、醫(yī)學(xué)、空間技術(shù)以及國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用,是紅外夜視儀和軍事偵查、監(jiān)視、制導(dǎo)等裝備的關(guān)鍵技術(shù),以及各種高技術(shù)武器裝備的重要組成部分[1]。紅外焦平面陣列(IRFPA)是紅外成像技術(shù)中獲取紅外圖像信號的核心光電器件,是一種高性能的紅外固體圖像傳感器。紅外焦平面陣列主要由紅外探測器陣列及其讀出電路(ROIC)陣列組成。對于許多成熟的紅外焦平面探測器技術(shù)來說,現(xiàn)在限制其性能的不是探測器本身,而是讀出電路部分。ROIC的性能直接影響IRFPA的質(zhì)量[2-3]。但像元是讀出電路中必不可少的一部分,像元的尺寸和結(jié)構(gòu)是影響后面成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。盲像元物理結(jié)構(gòu)與有效像元完全一致,但與有效像元的區(qū)別在于其下面是實(shí)心的,因此其熱導(dǎo)是有差別的。盲像元不吸收紅外線,表面有反射層并有很好的導(dǎo)熱,因此盲像元的電阻是不會因紅外輻照而改變[4]。

CP(晶圓測試Circuit Probing)過程中,ROIC表面尚未構(gòu)成 MEMS 物理結(jié)構(gòu),需要通過等效的方式對ROIC的讀出放大通路進(jìn)行測試評估,初步探測ROIC的電性能,篩除不良品。在CP之后和MEMS結(jié)構(gòu)完成之后,等效像元不再啟用,等效像元行選擇信號始終關(guān)閉。該論文在ROIC陣列的基礎(chǔ)上設(shè)計一個電特性等效于MEMS像元的電路,用于CP測試,使用的像元叫做“等效像元”。在讀出電路加入等效像元后,這樣就可以方便剔除不良品,節(jié)約封裝成本。 MEMS像元采用MEMS技術(shù)制作的紅外敏感元吸收入射的紅外光并引起溫升,讀出電路(ROIC)將敏感元的溫升引起的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出[5-7]。利用這個原理,論文采用了倒寬長比MOS管,通過調(diào)節(jié)其柵壓,來改變其電阻,從而模擬像元的電特性。這一電特性正好與MEMS像元的電特性一致。

2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計

加入等效像元的單元讀出電路如圖1所示,該電路結(jié)構(gòu)主要由以下三個本部分組成：等效像元(The Equivalent Bolometer)、MEMS像元(MEMS Bolometer)、電容反饋互導(dǎo)放大器(capacitor feedback trans-impedance amplifier，CTIA)[8]。

圖1 加入等效像元的單元讀出電路

2.1 MEMS像元和積分電路(CTIA)

本論文中采用的氧化釩(VOx薄膜)制成的微機(jī)械系統(tǒng)(MEMS),其電特性如下：

◆ 目標(biāo)溫度范圍：-20～80 ℃

◆ 目標(biāo)發(fā)射率:ephsi_t = 0.8

◆ 探測波段:8～14 μm

◆ 像元吸收面積:A=25 μm×25 μm

◆ 光學(xué)結(jié)構(gòu)F數(shù):Fno=1

◆ 像元發(fā)射率:ephsi_e = 0.8

◆ 像元熱導(dǎo):g=1/55×10-6W/K

◆ 像元熱容:Cth=1×10-10J/K

◆ NETD<100 mK @f/1,300 K,50 Hz

◆ 測試條件：探測器電阻(MEMS像元)

◆R=160 kΩ,TCR=-2.3%,Cint=2 pF

表1 25 μm系統(tǒng)各主要參數(shù)在典型目標(biāo)溫度下的值

由表1可知,MEMS的電特性主要是溫度的變化引起電阻值的變化,從而導(dǎo)致電流值發(fā)生變化,最后引起信號電壓的變化。

當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時,MEMS像元中的有效像元的電阻值發(fā)生變化,導(dǎo)致其支路電流發(fā)生微弱的變化,其微弱的電流值(nA級別)由M4開關(guān)管流出。這一微弱的電流值通過積分電路轉(zhuǎn)換為一個電壓值。如圖1所示,該積分電路為一種傳統(tǒng)的CTIA型讀出電路結(jié)構(gòu)。在偏壓VSK、VGSK、VGFID、VDET(VSS)和數(shù)字信號row_sel、integrate_en、rst_en的作用下(其中row_sel為行選通信號,integrate_en為積分使能信號,rst_en為復(fù)位信號),有效像元Rab上產(chǎn)生的支路電流與盲像元Rbb上產(chǎn)生的支路電流之差得到的電流信號輸入到積分器上進(jìn)行積分。微弱的電流信號就轉(zhuǎn)化成電壓信號。其中M1可調(diào)節(jié)有效像元支路電流值,M2為行選擇開關(guān),M3可調(diào)節(jié)盲像元支路電流值,M4是積分使能開關(guān),Rtrim用于調(diào)節(jié)盲像元支路上的電阻,rst_en為數(shù)字信號控制的復(fù)位開關(guān)。

積分電流id：

(1)

假設(shè)輸入電流id在一個積分時間內(nèi)是定值且運(yùn)算放大器的開環(huán)增益A→∞,那么輸出電壓滿足:

(2)

其中,t為積分時間;Cint積分電容;id為積分電流;Vbus為運(yùn)放偏置電壓。其數(shù)字信號時序如圖2所示。

圖2 時序圖

2.2 等效像元電路

等效像元電路的作用就是在晶元測試時替代MEMS像元產(chǎn)生一微弱的電流值,給積分電路一個測試信號。如圖1所示,用于替代盲像元功能的等效像元為“等效盲像元”,其結(jié)構(gòu)包括由外部Pad直接控制的MOS管Mbeqv(MOS Blind Equivalent)和行選擇開關(guān)M2,pad提供的偏置電壓為VBEQV,row_sel_test1(數(shù)字信號提供)控制開關(guān)M2的選通；用于替代有效像元功能的等效像元為“等效有效像元”,其結(jié)構(gòu)包括由外部Pad直接控制的MOS管Maeqv(MOS Active Equivalent)和行選擇開關(guān)M2,pad提供的偏置電壓為VAEQV,row_sel_test2(數(shù)字信號提供)控制開關(guān)M2的選通。在等效像元工作過程中,row_sel_test1和row_sel_test2同時開啟,其時序和ROW_SEL一樣,VSK給等效盲像元提供偏置電壓。工作在飽和區(qū)的MOS管Mbeqv和MOS管Maeqv其D與S之間的電阻值與W/L,VGS、VTH的關(guān)系如下[9]:

(3)

積分電流:

(4)

從式(3)(4)可知積分電流隨柵壓VGS的變化而變化。等效像元結(jié)構(gòu)就是利用這一電特性來替代MEMS像元電路。

3 仿真結(jié)果分析

在盲像元電阻不變,VSK、VGSK、VGFID等偏壓值確定的情況下,積分電流隨有效像元電阻的變化如圖3所示。

圖3 積分電流與有效像元電阻的關(guān)系

圖3中的橫坐標(biāo)為有效像元的電阻值,縱坐標(biāo)為積分電流值。由圖3可知積分電流的值隨有效像元阻值的減小而增大,其阻值(150～160 kΩ)與積分電流(0～200 nA)呈線性變化,變化率約為51.86 nA/kΩ。由MEMS電特性和表1可知,R=160 kΩ,當(dāng)溫度從-20℃變化到80℃,其對應(yīng)的電阻值降低了544 Ω和2530 Ω,對應(yīng)的積分電流(信號電流)為47 nA和217 nA。說明溫差越大,電阻值變化也越大,對應(yīng)的積分電流的值也越大。而圖3的仿真結(jié)果也說明了Rab與Rbb之間的值相差越大,對應(yīng)的積分電流的值也越大。所以可以通過調(diào)節(jié)圖3中的Rab的電阻,來對應(yīng)MEMS電阻的變化。

在等效像元電路結(jié)構(gòu)中,當(dāng)偏置電壓VSK、VGFID的值確定,積分電流隨VAEQV、VBEQV的變化如圖4、5所示。

圖4 積分電流與等效有效像元柵壓VAEQV的關(guān)系

圖5 積分電流與等效有效像元柵壓VBEQV的關(guān)系

圖4、5中的橫坐標(biāo)為等效像元柵壓VAEQV、VBEQV的值,縱坐標(biāo)為積分電流的值。由圖4、5可知積分電流的值隨等效像元柵壓VAEQV、VBEQV的增大而增大,VAEQV平均每調(diào)節(jié)9 mV變化10 nA的電流,變化率約為10 nA/9 mV,其偏壓值與積分電流(0～200 nA)也是呈線性變化。所示可以通過調(diào)節(jié)圖4和圖5中的VAEQV、VBEQV的值,模擬外界溫度的變化。仿真結(jié)果表明等效像元的電特性正好與MEMS像元的電特性一致,所以可用等效像元電路替代MEMS物理結(jié)構(gòu)。

4 測試結(jié)果分析

基于GlobalFoundry 0.35 μm工藝,對陣列大小為300×400的紅外面陣探測器讀出電路進(jìn)行流片,圖6為ROIC陣列整體芯片照片,芯片面積為14 mm×16 mm。芯片中間的重復(fù)單元電路部分是單元電路,單元尺寸為25 μm×25 μm,重復(fù)單元的外圍是數(shù)字電路部分,即時序控制部分,最外圍是焊盤。圖7為圖6局部放大的照片即等效像元(等效盲像元和等效有效像元)的芯片照片,圖8為測試芯片的PCB板。

圖6 ROIC陣列整體芯片照片

圖7 等效像元芯片照片

圖8 測試芯片的PCB板

因為積分電流為nA級別的電流,很難用儀器測量出來,但可以通過電容反饋互導(dǎo)放大器將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號測量出來。對VBEQV=2.4V,VSK=5.3V,VGFID=3.933V,Vbus=2.65V等偏置電壓進(jìn)行設(shè)定后,通過調(diào)節(jié)等效有效像元柵壓VAEQV的值,產(chǎn)生0～200 nA之間的積分電流,其對應(yīng)的積分電壓值為2.65～3.38 V,積分電壓與VAEQV值的測試結(jié)果如表2所示。

表2 積分電壓與VAEQV值的測試結(jié)果(室溫)

圖9為積分電流Id=50 nA對應(yīng)的積分電壓值2.82 V,滿足公式(2)。此測試結(jié)果表明：在ROIC表面尚未構(gòu)成 MEMS 物理結(jié)構(gòu)前,可以通過等效像元電路初步探測ROIC的電性能,篩除不良品。在CP之后和MEMS結(jié)構(gòu)完成之后,等效像元不再啟用,等效像元行選擇信號始終關(guān)閉。

圖9 Id=50 nA對應(yīng)的積分電壓

5 結(jié) 論

在充分分析MEMS物理結(jié)構(gòu)(VOx薄膜)的工作原理及電特性后,設(shè)計了一種用于300×400紅外面陣探測器讀出電路的等效像元電路結(jié)構(gòu)。該等效電路能夠模擬MEMS像元改變時支路電流的變化。測試結(jié)果表明,積分電流為0～200 nA時,等效像元的電特性與MEMS像元的電特性一致,該等效象元電路結(jié)構(gòu)可用于讀出電路的電性能測試,從而剔除不良品,減少封裝成本。

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Design of equivalent pixel circuit for infrared focal plane array

DAI Shan-biao,CHEN Li-ying，XING Hai-ying,WANG Jian，YANG Xiao-long

(Tianjin Polytechnic University,School of Electronics and Information Engineering,Tianjin 300387,China)

An equivalent pixel circuit for 300×400 infrared focal plane array readout circuit structure is presented in this paper. The circuit′s electrical characteristics are equivalent to that of the vanadium oxide (VOxfilm) micro-mechanical systems (MEMS). It can simulate the variation of the branch current when the MEMS pixel changes. Before the growth of physical structure of MEMS (VOxfilm),the infrared array detector readout circuit has been fabricated. The equivalent pixel circuit is designed to test the electrical properties of the readout circuit. It can remove the defective products and reduce packaging costs. The circuit has been designed and fabricated with a GlobalFoundry 0.35 μm process. The test results indicate that the equivalent circuit has the same electrical properties as the MEMS pixel when the integrating current is 0～200 nA.

infrared focal plane array;read-out circuit; micro-mechanical systems; equivalent pixel circuit

1001-5078(2015)02-0171-05

國家自然科學(xué)基金項目(No.61204008)資助。

戴山彪(1989-)，男，碩士研究生，研究方向為模擬集成電路設(shè)計。E-mail:daishanbiao@163.com

2014-06-21;

2014-07-22

TN432

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.012