于小兵,岳冬青,王成剛,寧 提,李敬國,李艷紅

(中國電子科技集團公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

高光譜紅外成像探測技術(shù)將紅外成像技術(shù)和光譜測量技術(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),收集上百個非常窄的目標光譜波段信息,能夠精確探測目標光譜分布特征,形成 “數(shù)據(jù)立方體”,具有“圖譜合一”的指紋識別目標能力,使本來在寬波段遙感中不可探測的物質(zhì),在高光譜遙感中能被探測,是世界紅外領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的重點之一[1]。

高光譜用紅外焦平面探測器組件是高光譜紅外成像的核心,世界發(fā)達國家通過近二十年的競相研制,高光譜用短波紅外探測器組件已經(jīng)廣泛應用于航空、航天對地觀測的高光譜遙感領(lǐng)域,具軍民用途雙重功效,高光譜用長波紅外焦平面探測器組件尚未廣泛應用。

采用長波紅外焦平面探測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,可應用于隱身目標探測、化學氣體探測與識別、水下目標探測、地下礦物勘探、地雷探測等[2]。本文介紹了針對國內(nèi)長波紅外高光譜探測相機使用的長波1024×256紅外焦平面探測器的研究結(jié)果。

2 高光譜用長波碲鎘汞紅外焦平面探測器設(shè)計

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

本文介紹的高光譜用長波碲鎘汞紅外焦平面探測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器芯片。通過開發(fā)不降低探測器性能前提下的長波碲鎘汞探測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)氧樹脂膠,然后去除探測器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)下的應力,混成探測器芯片可以經(jīng)受幾千次開關(guān)機制冷工作循環(huán),具有較長的使用壽命。探測器像元排列如圖1所示。

圖1 長波1024×256紅外焦平面探測器像元分布及尺寸Fig.1 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detectorpixel distribution and size

3 讀出電路設(shè)計

讀出電路基于0.35 μm CMOS 5V工藝設(shè)計,采用快拍模式(Snapshot),對來自光伏二極管的瞬時信號進行積分、存儲、行選通以及信號的采樣保持,以多路傳輸?shù)姆绞酵瓿?024列×256行共計262144個光伏二極管的信號輸出。輸入級為直接注入(DI)結(jié)構(gòu),積分時間可調(diào),調(diào)整步長為1個MC；四檔增益可調(diào)；輸出通道4、8、16路可選。

讀出電路設(shè)計包括五個主要部分:輸入級電路、列處理運算放大器、輸出級、數(shù)字控制電路以及版圖設(shè)計[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。輸入級設(shè)計有抗暈管和電注入測試管,抗暈管VAB默認情況下接1.2 V,當光電流過大或積分時間超長,積分節(jié)點的電位低到使VAB管打開時,VAB管可以實現(xiàn)對過多的積分電荷進行撇除,實現(xiàn)抗暈功能。

圖4 輸入級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,分別對兩行的信號進行傳輸放大和讀出處理。

輸出級電路設(shè)計默認為16通道輸出,通過時序控制開關(guān)切換可選擇8通道或4通道輸出,讀出速率為8 MHz。

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

4 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

長波1024×256紅外焦平面探測器采用金屬結(jié)構(gòu)非真空封裝設(shè)計,集成于相機低溫光學和制冷系統(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)、相機結(jié)構(gòu)和制冷機冷鏈,保證探測器低溫工作的溫度均勻性,降低結(jié)構(gòu)間低溫熱失配應力。長波1024×256探測器電學管腳連接多層導線陶瓷框架,連接聚酰亞胺柔性電路板實現(xiàn)探測器長距離電學輸出,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 長波1024×256紅外焦平面探測器組件Fig.5 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detector assembly

5 研究結(jié)果

研究出的長波1024×256紅外焦平面探測器混成芯片見圖6,性能檢測結(jié)果見表1,相對光譜響應見圖7,實物照片見圖8。

圖6 長波1024×256紅外焦平面探測器Fig.6 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detector

圖7 長波1024×256紅外焦平面探測器相對光譜響應曲線Fig.7 Relative spectral response curve of the long-wave1024×256 infrared focal plane detector

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

表1 長波1024×256紅外焦平面探測器組件主要性能檢測結(jié)果

6 結(jié) 論

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