背照射波长延伸InGaAs面阵焦平面探测器

在MBE外延生长的In0.8Al0.2As/In0.8Ga0.2As材料上,采用台面成型方法制备了背照射32?32元InGaAs探测器,其中心距为30μm,并详细分析了探测器及其焦平面光电性能。结果表明,温度高于220K时吸收层材料热激活能为0.443eV,300K时在所考虑的偏压范围内,暗电流主要由扩散电流、产生复合电流及其欧姆漏电流构成。对组件焦平面特性也进行了研究,并通过读出电路的变积分电容测试结构测试结果提取出积分电容上的寄生电容,在测试温度范围内约为10fF左右。     

微型长波近红外物联网节点及实验研究

研制基于线性渐变滤光片和InGaAs焦平面的微型化物联网节点,实现长波近红外光谱数据的采集和无线传输,针对节点的波长范围、分辨率、波长准确性和波长稳定性等参数指标开展性能研究实验.实验结果表明,节点的波长范围为950~1 700 nm,光谱分辨率随波长增加而增大,约为峰值波长的1%,与滤光片特性相符,波长准确性优于1.3 nm,波长重复性优于0.1 nm,可以满足物联网中的近红外光谱分析应用需求.     

基于Android系统的光谱传感物联网移动终端设计

提出了一种基于Android系统的光谱传感物联网移动终端软件设计,可以实现用户与光谱传感物联网的数据交互及数据处理功能。移动终端包括用户信息,节点信息,数据信息三个模块,使用ViewPager类搭建双列表界面展示节点信息,使用SOAP协议与云服务器进行数据交互,可以将得到的光谱以及环境数据以图像的形式展示,并支持图像的保存功能。进一步在移动终端上实现了光谱数据的归一化,一阶微分,二阶微分,峰值寻找等数据处理功能。环境数据包括温度、湿度、二氧化碳浓度以及光照强度数据,可以实时显示最新环境数据,也可选择时间段对环境数据进行查询绘图。经测试,该应用程序运行稳定,可满足光谱传感物联网移动终端的基本应用需求。     

微型近红外物联网节点的传感器输出数字化应用研究

物联网光谱分析技术的兴起,推动近红外光谱传感器向着微型化、数字化和智能化方向发展。针对InGaAs焦平面数字化、智能化的发展需求,研究InGaAs光谱组件输出数字化方案。设计一种集成自研ADC的数字化光谱传感电路,并研制了新型微型近红外光谱节点。该节点内部集成202个有效光谱通道,波长范围为900~1 700 nm,光谱分辨率优于16 nm,波长准确性小于1 nm,波长重复性优于0.3 nm,节点系统信噪比约为500:1,帧扫描时间约3 ms。研究结果表明:该微型物联网光谱节点满足近红外光谱分析实际应用需求,为传感器片上数字化输出发展和近红外光谱分析物联网应用提供技术支持。     

基于输入失调补偿的暗电流抑制读出电路研究

InGaAs光敏元的暗电流是衡量探测器材料性能的一个重要指标。对于2.4μm延伸波长InGaAs,它的暗电流比1.7μm的要大2~3个数量级。文章简单介绍了InGaAs光敏芯片的暗电流、噪声和偏压的关系。光敏元的偏压越小,暗电流和噪声越小。侧重介绍了一种基于输入失调电压补偿的InGaAs暗电流抑制电路的结构。此电路有两种工作模式:失调电压补偿模式和不补偿模式。在补偿模式下,即使放大器两个输入端的失调电压达到28 mV,光敏元两端电压通过补偿后可以降低到小于0.5 mV。     

640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路设计

为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18μm 3.3V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器(CTIA)输入级偏压变化约30mV,工作帧频为54Hz,输出摆幅为1.7V,最大功耗小于150mW,线性度为99.987%。     

一种单一增益下实现红外探测器大动态范围读出方法研究

目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,PFM）结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制（PFM）读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB, 为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。     

一种应用于短波红外焦平面的大动态范围像素级ADC

针对短波红外焦平面的大动态范围需求,设计了一种像素级脉冲频率调制(PFM)模数转换器(ADC)。传统PFM ADC采用DI输入级,进行弱信号探测时,注入效率会下降,造成动态范围的损失。设计的PFM ADC采用CTIA输入级,弱信号探测时仍能维持高注入效率;同时采用两档增益和增益自选择技术,使得每个像素都能够根据输入的光电流自动选择增益,在提升动态范围的同时,不增加额外的功耗。在0.18μm CMOS工艺模型下,仿真结果表明该电路的动态范围达到100.1 dB,单元ADC功耗小于10.54μW,并且基于所设计的改进型PFM ADC设计了规模为32×32、中心距为50μm的像素级数字化读出电路。     

短波红外InGaAs焦平面探测器研究进展

短波红外InGaAs焦平面探测器具有探测率高、均匀性好等优点,在航天遥感、微光夜视、医疗诊断等领域具有广泛应用。近十年来,中国科学院上海技术物理研究所围绕高灵敏度常规波长（0.9～1.7 μm） InGaAs焦平面、延伸波长（1.0～2.5 μm） InGaAs焦平面以及新型多功能InGaAs探测器取得了良好进展。在常规波长InGaAs焦平面方面,从256×1、512×1元等线列向320×256、640×512、4 000×128、1 280×1 024元等多种规格面阵方面发展,室温暗电流密度优于5 nA/cm2,室温峰值探测率优于5×1012 cm·Hz1/2/W。在延伸波长InGaAs探测器方面,发展了高光谱高帧频1 024×256、1 024×512元焦平面,暗电流密度优于10 nA/cm2和峰值探测率优于5×1011 cm·Hz1/2/W@200 K。在新型多功能InGaAs探测器方面,发展了一种可见近红外响应的InGaAs探测器,通过具有阻挡层结构的新型外延材料和片上集成微纳陷光结构,实现0.4～1.7 μm宽谱段响应,研制的320×256、640×512焦平面组件的量子效率达到40%@0.5 m、80%@0.8 m、90%@1.55 m;发展了片上集成亚波长金属光栅的InGaAs偏振探测器,其在0 °、45 °、90 °、135 °的消光比优于20:1。     

单光子探测InGaAs雪崩焦平面像素级高分辨率低误码时间数字转换电路

单光子探测在量子信息、生物医学、激光雷达成像等领域具有重要应用前景,InGaAs盖革雪崩焦平面具有单光子探测灵敏度,通过计量光子飞行时间实现距离探测,时间数字转换精度决定整个探测系统的测距精度,是近年来单光子探测领域的研究热点。设计了一款64×64面阵型像素级高分辨低误码时间数字转换阵列电路（Time to Digital Converter, TDC）,采用局部共享型高中低三段式异步周期TDC结构。低段位TDC全阵列共享,基于压控延迟链（Voltage Control Delay Line, VCDL）分相时钟实现亚纳秒计时;中高段位每个像素独享,中段位采用分频计数器降低时钟频率,降低阵列整体功耗,高段位采用线性反馈移位寄存器实扩展计时量程并实现计时、数据存储、输出一体化。采用延迟采样方案显著降低了因段间计数时钟不匹配导致的数据锁存误码问题。采用0.18 μm CMOS工艺流片,实测250 MHz参考时钟频率下分辨率0.5 ns,积分非线性?0.4~0.6 LSB,微分非线性?0.4~0.4 LSB,TDC转换单调,有效量程位数13位,20 kHz帧频功耗380.5 mW。