一种热敏电阻红外探测器低频噪声测试系统

红外探测器是卫星姿态测量系统的关键元件,其质量决定整个卫星姿态测量精度;针对负温度系数热敏电阻型红外探测器,在详细讨论其低频噪声种类、产生机理及理论模型的基础上,研究了其低频噪声的测试方法,基于虚拟仪器技术,建立了探测器低频噪声测试系统;对比测试结果表明,该测试系统精度在5％以内(以Aglient动态信号分析仪测试结果为基准);采用该系统对航天型号用探测器多次老化前后的测试结果表明:低频噪声参数的变化与电阻值的变化具有相同的趋势,但前者明显高于后者(40次热循环后电阻变化2％、1/f噪声幅值B变化27.8％、转折频率fc变化50.3％);研究结果将为热敏电阻红外探测器低频噪声筛选参量的确定提供实验平台及理论依据.     

基于悬浮吸收层的热电堆红外探测器结构设计

在这项工作中,设计一种新颖的热电堆红外探测器结构。该检测器利用悬浮吸收层-热电堆双层结构来实现高性能,同时具有相对小的尺寸。该双层结构的实现是通过引入两个分离的牺牲层,分别包括热电堆下方的多晶硅膜和其上方的聚酰亚胺沉积实现。尺寸优化后的仿真结果表明,该红外探测器的探测率、响应率和响应时间分别可以达到2.85e8 cmHz （ 1/2） / W, 1800 V / W和6毫秒。此外,本文提出热电堆红外探测器的制造方法是高度兼容于标准的CMOS工艺,这就使其高产量和低成本的生产成为可能。     

非分光红外的甲烷传感器设计

介绍了国内常用的甲烷传感器及其优缺点,在此基础上设计了一种基于非分光红外法(NDIR)原理的甲烷气体传感器.针对红外探测器输出的特性设计了微弱信号放大电路,使用AD8552对红外热探测器输出的微弱信号进行放大,AD7190对滤波放大后的信号进行采样转换,采用软硬件相结合的方法来减少噪声干扰的影响.通过对不同浓度范围的标准甲烷气体进行实验测量,拟合得到探测器输出的电压差值之比和气体浓度之间的关系.根据得到的曲线和数据分析选择分段插值的浓度计算方法,实现了对甲烷气体进行实时测量的功能.给出该传感器在甲烷体积分数为0％～5.05％的测量结果.     

高精密红外探硫传感器的研究与设计

根据气体的红外吸收特性，SO₂的特征吸收峰所在的波长与人体红外波长范围正好重叠。因此，红外硫探测器成为了敏感元件，国内生产的红外硫探测系统测量精度不够，进口红外硫探测系统很大程度对国内进行了技术封锁。基于此，该文采用非分光红外技术，针对当前高精密红外低硫传感器最重要信噪比影响源进行了研究，优化了光源驱动、红外气室恒温控制、信号采样与微弱信号处理电路设计等，完成了一套低硫探测装置的设计，经过测试，信号的噪声波动从原来的140 uV减小到50 uV左右，检出限达到0.01 ppm，实现了低硫检测领域的技术创新，该项目成果已经成功实现量产。     

新型扁锥腔红外CO2气体传感器系统研究

为提高红外CO2气体传感器测量精度,本文利用非分光红外探测技术设计了以白炽灯红外光源、双通道热电堆红外探测器和扁锥腔体为主要元件构成的新型红外CO2气体传感器。采用Zemax光路仿真分析,研究了新型扁锥腔CO2气体传感器探测面光强分布,并结合ANSYS FLUENT软件对扁锥型气室进行结构优化。以STM32单片机为核心,实现了光源电调制,采用ICL7650放大处理探测器的电信号,再由STM32控制ADC进行信号采集,提高了测量系统的抗干扰能力。在此基础上开展了标定和测试实验,结果表明：在25℃环境中,传感器能够准确检测出0-2000 ppm量程范围内的CO2气体浓度,具有较好的重复性和长期稳定性。三组实验平均相对误差最大为5.2%,重复性误差最大为5.5%,稳定度为2.3%。该研究对红外CO2气体传感器结构优化和测量精度的提高具有参考意义。     

被动FTIR遥感技术的微弱信号调理电路设计

微弱信号调理电路设计的好坏直接影响到被动傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)的探测精度。基于HgCdTe光电导型红外探测器接受干涉光后输出的微弱电信号来设计前置检测电路和放大电路,该电路具有高增益、高信噪比、相位补偿功能,有效降低了噪声和温漂以及大的动态输入范围等特性。红外探测器将干涉红外光转换为10-8mA数量级的微弱电信号,在此输入条件下对信号调理电路进行实测,试验结果表明,该电路测量精度高,具有较好的稳定性,且结构简单易实现,可以在光谱仪应用中验证其正确性和可行性。     

512×512像素PtSi肖特基势垒红外图像传感器

已经研制了具有电视质量标准的红外图像传感器,该传感器可在3～5μm红外波段区热成像,陈列尺寸为外512×512像素,器件采用PtSi肖特基势垒光电探测器。为了获得大的占空系数,应用了电荷扫描器件(CSD)结构。该像素由两层多晶硅和两层铝构成,并具有最小设计基准为2μm。像素尺寸和占空系数分别为26×20μm~2和30％。采用金属薄膜和光腔结构改善了器件的灵敏度,势垒高度为0.22eV时,相应的截止波长约为5.6μm。器件以标准电视帧频工作。借助于微粒噪声探测器,在300K时该器件噪声被限制在f/1.5光学范围内,器件的温度差分辨能力约为0.11K。使用该器件已经制作了典型的红外电视摄像机,并获得了高质量的红外图像。     

基于兰姆波谐振器和超表面的谐振式热红外探测器研究

设计了一种基于氮化铝(AlN)兰姆波谐振器和超表面的谐振式热红外探测器,基于超表面的吸收器用于对特定波长红外辐射的吸收,再利用AlN兰姆波谐振器的温度频率效应检测红外辐射。首先,对兰姆波谐振器的电极周期、电极宽度、AlN薄膜厚度和支撑轴尺寸进行优化设计,设计了电极周期分别为12μm和1.2μm的谐振器结构,其工作频率分别为365 MHz和2 544 MHz。其次,设计了方形结构超表面的等离子体吸收器,并研究分析其红外吸收机理及结构尺寸对吸收性能的影响规律。通过集成超表面红外吸收器并调节吸收结构尺寸,实现可调谐、近100%的双带吸收性能,在3μm～5μm和8μm～12μm处的吸收率均超过99.5%,谐振式热红外探测器的响应时间低于0.8 ms、热噪声等效功率低于10^-11 Hz/μW。     

基于虚拟仪器的红外探测器制冷曲线测试系统

由于红外探测器的制冷控制参数与系统的电、热等物理参数有关,设计一个基于虚拟仪器技术的红外探测器制冷曲线测量与调试系统,利用程控电源和程控数字万用表实现制冷系统的特性测试,为嵌入式制冷控制器设计提取模型参数和完成的算法奠定了基础。     

红外甲烷传感器直射式气室设计

针对采用反射式气室的红外甲烷传感器测量误差较大的问题,基于红外光谱吸收原理,利用非分光探测技术设计了一种新型直射式气室。该气室采用硅半导体片状红外光源、双通道红外探测器及一定长度的气室中腔,选用GaF2作为光源及探测器的视窗材料,搭配外部电路实现对CH4体积分数的监测。0～2.5%CH4体积分数范围内的测试结果表明,采用直射式气室的红外甲烷传感器最大测量误差仅为±0.05%。     

氧化钒热敏薄膜非致冷红外探测器的等效模型

建立了氧化钒热敏薄膜微测辐射热计的PSPICE模型,结合一个具体的CMOS读出电路给出探测器的等效电路模型,分析了探测器的电学和噪声特性,根据等效模型基于微测辐射热计电阻RD和读出电路MOS沟道宽度2个设计参数对噪声等效温差(NETD)进行了优化,优化数据表明:参数RD取值为2~11 kΩ,W取值为0.1~1.0μm时,得到的NETD值为0.133 4~0.188 5 K。     

Fabrication of semiconducting YBaCuO surface-micromachinedbolometer arrays

Thermal infrared detectors require thermal isolation to permit the infrared-sensitive material to integrate the incident photon energy and thereby obtain high responsivity and detectivity. This paper describes the fabrication of semiconducting YBaCuO microbolometer arrays into thermal isolation structures by employing Si surface-micromachining techniques. An isotropic HF:HNO₃ etch was used to remove the underlying Si substrate from the front-side of the wafer and suspend SiO ₂ membranes into 1×10 pixel-array structures. The infrared-sensitive material, YBaCuO, was subsequently deposited onto the thermal isolation structures and patterned to form the detector arrays. The high-temperature coefficient of resistance and low noise of semiconducting YBaCuO at room temperature is attractive for uncooled infrared detection. The fabrication process was conducted entirely at room temperature. In this manner, infrared detectors are fabricated in a process that is compatible with CMOS technology to allow for the integration with on-chip signal processing circuitry. The end result is low-cost infrared-detector arrays for night vision in a variety of applications including transportation and security. Preliminary results show a temperature coefficient of resistance above 3%, voltage responsivity close to 10⁴ V/W, and detectivity over 10⁷ cm·Hz^1/2/W at a bias current of 0.79 μA     

A Low-Cost 128 × 128 Uncooled Infrared Detector Array in CMOS Process

This paper discusses the implementation of a low-cost 128 times 128 uncooled infrared microbolometer detector array together with its integrated readout circuit (ROC) using a standard 0.35 mum n-well CMOS and post-CMOS MEMS processes. The detector array can be created with simple bulk-micromachining processes after the CMOS fabrication, without the need for any complicated lithography or deposition steps. The array detectors are based on suspended p⁺-active/n-well diode microbolometers with a pixel size of 40 mum times 40 mum and a fill factor of 44%. The p⁺-active/n-well diode detector has a measured dc responsivity (R) of 4970 V/W and a thermal time constant of 36 ms at 50 mtorr vacuum level. The total measured rms noise of the diode type detector is 0.69 muV for an 8 kHz bandwidth, resulting in a detectivity (D*) of 9.7 times 10⁸ cm ldr Hz^1/2/W. The array is scanned by an integrated 32-channel parallel ROC including low-noise differential preamplifiers with an electrical bandwidth of 8 kHz. The 128 times 128 focal plane array (FPA) has one row of infrared-blind reference detectors that reduces the effect of FPA fixed pattern noise and variations in the operating temperature relaxing the requirements for the temperature stabilization. Including the noise of the reference and array detectors together with the ROC noise, the fabricated 128 times 128 FPA has an expected noise equivalent temperature difference (NETD) value of 1 K for f/1 optics at 30 frames/s (fps) scanning rate. This NETD value can be decreased to 350 mK by improving the post-CMOS fabrication steps and increasing the number of readout channels.     

Uncooled infrared detector based on silicon diode Wheatstone bridge

In this paper, uncooled infrared detector based on silicon diode Wheatstone bridge is studied. Four identical temperature sensing elements made of several diodes in series are designed and fabricated with 2 μm feature size, among which two of them are suspended over the substrate through supporting legs, while the other two are on the substrate. By connecting these four temperature sensing elements in Wheatstone bridge’s form, we expect to reduce output noise of the infrared detector for differential output. The tested noise of the infrared detector is 1.24 μV, which is reduced by 58 % comparing to the detector constructed by one suspended temperature sensing element of the Wheatstone bridge. The measured sensitivity and noise equivalent temperature difference (NETD) of the infrared detector are 7.90 μV/K and 0.16 K, respectively. This infrared detector has potential of reaching a NETD in the milli-Kelvin range by using CMOS process with better feature size and pixels containing two supporting legs instead of four supporting legs.

     

65nm工艺大容量2W/8R高速SDP存储器的设计

SDP是为"飞腾-迈创"DSP在65nm工艺下设计的一个核间数据共享存储器,容量为512×32b,端口数为2W/8R.针对SDP存储器写端口数少的特点,为减小面积,采用了分为4个2W/2R存储体的实现策略.为了提高存储单元的噪声容限,设计了读写端口分离的12管2W/2R存储单元,使得读写操作的噪声容限分别达到了333mV和274.7mV.采用层次式位线技术,提高了读写操作的速度,并降低了功耗.用全定制方法完成了2W/2R存储体的版图设计,并用Encounter完成了SDP存储器的总体集成.版图后的模拟结果显示,SS条件下的最大延时为750ps,TT条件下的功耗为45.2mW@500MHz.     

基于数学形态滤波的植被光谱去噪方法研究

光谱维噪声使地物光谱扭曲或变形,中心波长偏移,影响地物信息提取和地表参量反演的精度。对光谱维噪声进行滤波处理,有利于改善遥感数据定量应用的效果。由于数学形态滤波的原理简单且较易实现,被应用到植被光谱以及有机化合物光谱的研究中。运用数学形态滤波对地面实测小麦光谱去噪,一方面对滤波后的光谱进行噪声和波形相似度的直观分析,另一方面通过植被指数反演小麦理化参量进行定量应用评价。结果表明,与传统Savitzky-Golay滤波相比,在可见-近红外波段范围内,数学形态滤波去噪后的光谱能够保持可见—近红外波段原始光谱的固有特征,叶面积指数和叶绿素的反演精度比去噪前有小幅提升,主要原因是实测光谱在该谱段范围的噪声影响很小;在短波红外波段范围内,数学形态滤波能有效去除短波红外大尺度噪声,提高叶片含水量的反演精度。而传统Savitzky-Golay滤波只能削弱短波红外大尺度噪声。广义形态滤波去噪后植被指数和叶片含水量之间的R2最高可达0.5130(去噪前0.3753),叶片含水量的反演值与实测值之间的R2最高可达0.4221(去噪前0.3097),RMSE为0.0243(去噪前0.0318),优于传统Savitzky-Golay滤波。     

基于简化Mumford-Shah模型的水平集红外图像分割算法

由于红外图像大多具有目标模糊,对比度低的特点,传统的分割方法容易受到噪声和边界轮廓的影响而导致分割效果不佳,提出了一种基于简化Mumford-Shah模型的水平集红外图像分割算法.该算法能够通过将初始闭合曲线嵌入水平集函数,利用函数的求解从而达到图像分割的目的.仿真实验结果表明,该分割算法与初始轮廓线位置无关,受边界轮廓线和图像噪声的影响较小,具有较强的鲁棒性,在目标与背景灰度级差别较小的红外图像的分割中取得了较好的效果.     

基于小波域反正切变换的红外图像增强算法

针对红外图像对比度低、噪声大的特点,利用由信息熵、信噪比和图像标准差构成的评价函数,提出一种平稳小波域的红外图像增强算法。以反正切变换为基础,设计在平稳小波域内增强红外图像对比度的非线性变换函数,并利用差分演化算法与评价函数,寻找最优的非线性变换参数。实验结果表明,与传统的小波域增强算法相比,该算法在有效增强红外图像对比度的同时,对噪声具有较强的鲁棒性。     

基于相似加权滤波的红外图像增强算法

为了有效地增强红外图像,对算法进行了研究;提出了一种相似加权滤波算法和迭代平台阈值算法,将被大量噪声污染的红外图像进行相似加权滤波后,利用迭代法求得统计直方图的平台阈值,对滤波后的红外图像进行平台直方图均衡处理,以提高对比度;实验结果表明,相似加权滤波结合平台直方图均衡的这种算法不但能有效地滤除大量随机噪声,还能提高图像对比度,在效果上优于统计直方图均衡算法.