HgCdTe红外探测器空间辐照实验技术研究

应用于空间飞行器上的HgCdTe红外探测器,会受到各种空间辐射的影响,从而导致性能降低。为了保证探测器正常的在轨工作,研究空间辐射对于探测器性能的影响有着重要意义。本文首先介绍现阶段对空间辐射环境的认识;其次研究总剂量辐射对红外HgCdTe探测器在轨工作性能的影响,提出了评价探测器成像性能的几项指标,并考察了辐照前后指标的变化;最后给出了结论。     

空间辐照环境及红外光子探测器的辐照效应

红外探测器技术在20世纪获得了巨大的发展,其在空间遥感领域的应用也越来越广。外层空间中存在着各种辐射,这就给红外探测器提出了抗辐射要求。本文首先总结了当前对空间辐照环境的认识,其中包括宇宙射线、地球辐射带、太阳粒子事件、大气中的次级成分、太空飞行器内部的次级成分,然后按照时间顺序对当前器件辐照效应的研究现状进行了综述。     

航天电子元器件抗辐照加固工艺

介绍了空间辐射环境及电子元器件抗辐照处理的必要性;阐述了影响抗辐照加固性能的主要因素。结合实际工程应用,对于抗辐照加固工艺过程进行了着重说明,列举了抗辐照加固环节所应注意的一些要点。     

GaAs/AlGaAs多量子阱红外探测器的γ辐照研究

本文报道了γ射线辐照对量子阱红外探测器性能的影响。γ射线的辐射剂量分别为１ｍｒａｄ、６ｍｒａｄ、１６ｍｒａｄ。测量了器件在不同γ辐照剂量下的光谱响应、暗电汉、黑体响应率。通过对实验结果的分析,暗电流和黑体响应率随γ辐照剂量增加而递减,表明探测器的性能随γ射线辐照剂量的增加而逐步衰减。     

紫外焦平面探测器读出电路抗辐照加固设计

分析了MOS器件的辐照特性及辐照失效机理。基于Global Foundries 0.35μm CMOS工艺,设计了一款320×256抗辐照加固紫外焦平面读出电路。该电路数字部分MOS管采用环形栅和双环保护进行加固,并在读出电路表面交替生长了SiO2-Si3N4复合钝化层。对加固后的读出电路进行了γ辐照试验,并使用示波器实时监测读出电路的输出状态。对比加固前后的读出电路实时辐照状态表明,加固后的读出电路抗辐照性能得到了明显提高,其抗电离辐照总剂量由35krad(Si)提升至50krad(Si)。     

高斯激光辐照焦平面探测器温度场分析与仿真

为了研究激光辐照焦平面探测器的温度效应,采用ANSYS有限元软件建立高斯脉冲激光辐照锑化铟红外焦平面探测器的3维结构分析模型,并对该探测器3维温度场效应进行了研究。结果表明,激光辐照下,探测器最大温度出现在最上层的锑化铟芯片上,探测器最大温度达到锑化铟芯片熔点温度798K时,将会引起探测器的热熔融损伤,且熔融损伤阈值受到脉宽、光斑半径等激光参量的影响;高斯脉冲激光辐照下,探测器中各层材料的温度场分布呈现出非连续的高温极值区域,其主要原因是位于锑化铟红外焦平面探测器中间层相间分布的铟柱和底充胶具有迥异的热学性质,并且造成探测器温度场云图中锑化铟芯片、底充胶与硅读出电路高温极值区域形成类似于互补的高温分布。这为进一步研究温升效应引起的应力场分布、提高探测器激光防护性能提供了重要的理论分析依据。     

微波覆铜板抗辐照性能评估方法

宇宙空间辐射产生的高能粒子会对有机高分子材料的印制电路板产生损伤,使材料电学性能和物理性能发生变化,造成卫星电子系统失效,因此抗辐照性能是星载产品不可或缺的实验项目.对微波覆铜板进行抗辐照试验后,从材料失重、电阻率、介电常数等多方面进行评估,得到辐照总剂量与材料性能变化之间的关系.在星载产品设计阶段,根据卫星运行的轨道...     

辐照对PDSOI RF MOS体接触结构器件性能的影响

基于抗辐照加固0.35μm PDSOI CMOS工艺制作了RF NMOS器件,研究了电离总剂量辐照对不同体接触结构、栅结构器件性能的影响.在其静态工作模式下,分别考虑了辐照对器件转移特性、泄漏电流、跨导及输出特性的影响;在其交流工作模式下,分别考虑了辐照对其交流小信号电流增益、最大有效/稳定增益、截止频率和最高震荡频率的影响.试验结果表明,与同类非加固工艺器件相比,此种PDSOI RF NMOS抗辐照性能更好,其中以LBBC和LTS型体接触器件受电离总剂量辐照影响最小,并且可获得截止频率22.39 GHz和最高振荡频率29.19 GHz.     

高可靠HIC抗辐照加固途径分析

高可靠混合集成电路（HIC）在航空、国防等领域均有广泛的应用。本文首先从空间应用和国防需求两方面阐述了提高HIC抗辐照能力的战略意义，然后总结了高可靠HIC可能遇到的辐射类型并简要介绍各辐射的损伤机理。在此基础上从IC辐照容差设计、半导体器件抗辐照加固和HIC抗辐照屏蔽三方面说明了提高高可靠HIC抗辐照能力的途径。最后提出一些建议。     

半导体激光器辐照损伤效应实验研究进展

半导体激光器(LD)工作在空间辐射或核辐射环境中时,会受到辐照损伤的影响而导致器件性能退化。文章回顾了不同时期研制的LD(从早期的GaAs LD到量子阱LD和量子点LD)在辐照效应实验方面的研究进展,梳理了国际上开展不同辐射粒子或射线(质子、中子、电子、伽马射线)诱发LD辐射敏感参数退化的实验规律,分析总结了当前LD辐照效应实验方法研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展LD的辐照效应实验方法、退化规律、损伤机理及抗辐射加固技术研究提供理论指导和实验技术支持。     

基于电容读出的非制冷红外探测器

介绍了一种基于标准硅工艺的电容读出式微悬臂梁非制冷红外探测器的设计、制作以及集成读出电路的设计。该探测器用于探测室温下物体的红外辐射,其响应波长为8～12 μm 。由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下会发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲,从而可以探测红外辐射的情况。采用和探测器集成的CMOS读出电路对探测器信号进行读取,微悬臂梁的电容灵敏度可达2.5 fF/K,温度分辨率为0.1 K。     

薄膜型热释电探测器红外响应模型分析

在进行热释电焦平面探测器ROIC(读出电路)设计时,必须充分考虑热释电探测器的红外响应特性,并根据探测器等效电路的SPICE模型进行设计仿真.从热释电探测器的热平衡方程出发,在Matlab平台上分析模拟了探测器对脉冲函数调制状态下的瞬态响应,并根据提供的薄膜材料参数在具体应用中建立了热释电探测器的等效电路模型.把探测器等效电路模型与SFD(源跟随器)型输入单元读出电路连接后进行模拟仿真,分析了不同条件下热释电探测器/读出电路组件的响应特性.     

红外焦平面探测器数字读出电路研究

读出电路是红外焦平面探测器组件的重要组成部分,其性能对探测器乃至整个红外成像系统的性能有重大影响.随着硅CMOS工艺的发展,数字化读出电路以及读出电路片上数字信号处理等功能得以实现,能够大幅度提高红外焦平面探测器的性能.以红外焦平面探测器对读出电路的要求入手,分析了读出电路各性能参数对红外焦平面探测器性能的影响,介绍了读出电路的数字化技术及各种实现方式以及数字积分技术.CMOS技术的发展使得数字积分技术在红外焦平面探测器读出电路中得以实现,有效解决了读出电路的电荷存储容量不足的问题,极大地提高了探测器性能.     

红外焦平面读出电路辐射特性研究

红外焦平面阵列在宇宙空间中使用时,受到各种辐射导致性能退化甚至功能失效。作为红外焦平面阵列的重要组成部分,CMOS读出电路受到各种辐射主要体现为电离辐射效应。通过对红外焦平面CMOS读出电路进行空间模拟辐射实验后,测试读出电路的功能以及性能参数,研究了辐射对读出电路的影响。实验结果为红外焦平面CMOS读出电路的抗辐射设计提供了参考依据。     

一种新型非致冷红外探测器

介绍一种基于标准硅工艺、采用电容读出方式微悬臂梁非制冷红外探测器的设计、制作及性能测试.用这两种热膨胀系数相差很大材料(氮化硅和铝)的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下,温度升高并发生弯曲.通过检测微悬臂梁和衬底形成的一个可变电容变化可以得知微悬臂梁的弯曲情况,从而可以探测红外辐射的信息.利用外部测试设备对单元探测器进行测试表明微悬臂梁对红外辐射有很高的响应.     

面向384×288面阵型红外读出电路的低功耗设计

介绍了一种面向384×288 CMOS面阵性红外读出电路的低功耗设计.针对探测器的特点(输出阻抗约100kΩ,积分电流约100nA),新提出并实现了一种四像素共用BDI的QSBDI(Quad-share BDI)像素结构.在QSBDI结构中,4个相邻的像素共用一个反馈放大器,从而实现了高注入效率、稳定的偏置、较好的FPN特性和低功耗.另外该384×288读出电路还支持积分然后读出、积分同时读出功能,还有两个可选择的增益以及4种窗口读出模式.128×128的测试读出电路已完成设计、加工和测试.电路使用CSMC0.5μm DPTM工艺流片,测试结果表明在每个子阵列输出的峰峰差异仅为10mV.在4MHz的工作频率下,像素级引入的功耗仅为1mW,芯片的整体功耗也只有37mW,实现了低功耗设计.     

红外读出电路噪声优化分析

为了优化不同波段红外读出电路的噪声性能,给出了系统的CTIA结构读出电路噪声模型,分析了积分电容与积分时间对不同成分噪声的影响,得出了在不同红外波段探测下,噪声随积分参数取值的变化曲线。该优化研究将红外传感器件的物理特性光电流大小与读出电路的噪声特性联系在了一起,阐明了对于不同红外波段的探测,在一定的制造工艺范围内,积分电容都有最优的取值,且取值与探测器的并联电容有直接的关系;输出噪声与电路结构相互的影响也是不同的,CDS结构对长波读出电路噪声性能的改善优于中波读出电路。     

数字化中波红外焦平面探测器组件研究进展

介绍了美国、以色列、法国等西方发达国家在数字化中波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。从数字读出电路（ROIC）角度出发,阐述了上述三个发达国家开发的列级ADC数字化中波红外焦平面探测器的最新研究成果。在SWaP概念牵引下,以色列、法国都推出了小像元（中心距为10 m及以下）、高温工作、数字化输出的百万像素中波红外焦平面探测器组件。最后介绍了昆明物理研究所在数字化红外焦平面探测器组件研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破列级ADC数字读出电路关键技术后,研制出一系列中心距（15 m、20 m、25 m）的640512列级ADC数字化中波红外焦平面探测器组件,主要技术指标与国外同类数字化中波红外焦平面探测器组件相当。     

非均匀性校正的长波光导探测器读出电路设计

在航天遥感领域,波长在10m以上的长波探测器仍以HgCdTe光导型探测器为主,在红外探测成像方面发挥着重要作用。非均匀性是目前长波光导探测器突出的问题之一,设计了一种数模混合的非均匀性校正的长波光导探测器读出电路。该电路不仅可以有效地解决线列长波光导探测器电阻非均匀性问题,还可以增大ROIC输出信号的动态范围,几乎不增加读出电路功耗。经过仿真测试表明:非均匀性问题有了明显的改善,能够使其非均匀性降为0.5%以内,在常温和低温下都能正常工作。该校正电路不仅能解决当前工程中的关键问题,还对今后高性能大面阵长波光导探测器读出电路的设计具有重要的指导意义。     

微悬臂梁非致冷红外探测器的研制

介绍了一种基于标准硅工艺的微悬臂梁非致冷红外探测器的设计和制作.由于氮化硅和铝的热膨胀系数相差很大,用这两种材料的薄膜做成的双材料微悬臂梁在红外辐射下温度升高并发生弯曲,微悬臂梁和衬底形成一个可变电容,通过检测电容的变化来反映微悬臂梁的弯曲,从而可以探测红外辐射的情况.利用外部测试设备对单元探测器进行测试表明,该微悬臂梁对红外辐射有很高的响应.