一种新型的高均匀性非制冷红外读出电路研究

针对非制冷红外探测器系统,设计了一种高均匀性的读出电路(ROIC)结构。由于非制冷红外焦平面阵列中微测辐射热计的制作工艺存在偏差导致探测器输出存在非均匀性,其中列条纹尤为明显。所提出的读出电路能有效地消除列条纹、提高均匀性。该ROIC已在0.5?m CMOS工艺下成功流片,并应用到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上。测试结果表明:固定图像噪声(FPN)仅为0.088V,无明显列条纹。该ROIC在高均匀性的非制冷红外探测器上有着广泛的应用。     

基于MEMS的非制冷红外探测器读出电路的设计

基于MEMS的非制冷红外探测器广泛用于军用和民用领域,其中作为探测器核心部件的焦平面探测阵列的读出电路等关键技术的研究至为重要.设计了一块240×320的焦平面探测阵列的读出电路,此电路能够抑制MEMS工艺的波动,减小探测器环境温度的影响.采用HHNEC 0.5 μm 工艺对此设计流片,其测试结果达到预期目标.芯片输出电压为1.5～3.5 V,每帧图像输出时间为16.32 ms,可以保证每秒61帧图像输出.     

第三代红外焦平面探测器读出电路

对红外探测器不断增长和提高的需求催生了第三代红外焦平面探测器技术。根据第三代红外探测器的概念,像素达到百万级,热灵敏度NETD达到1 m K量级是第三代制冷型高性能红外焦平面探测器的基本特征。计算结果表明读出电路需要达到1000 Me-以上的电荷处理能力和100 d B左右的动态范围(Dynamic Range)才能满足上述第三代红外焦平面探测器需求。提出在像素内进行数字积分技术,以期突破传统模拟读出电路的电荷存储量和动态范围瓶颈限制,使高空间分辨率、高温度分辨率及高帧频的第三代高性能制冷型红外焦平面探测器得到实现。     

一种具有衬底温度补偿功能的非制冷红外读出电路

针对非制冷红外探测器系统,设计了一种无需衬底温度稳定器——热电制冷器(TEC)的读出电路(ROIC)结构.首先分析了衬底温度对微测辐射热计的特性的影响,利用ROIC对衬底温度变化引起的微测辐射热计的特性的变化进行补偿,实现ROIC的输出信号与衬底无关.该ROIC已在0.5 μm CMOS工艺下成功流片,并应用了到阵列大小为320×240的非制冷微测辐射热计焦平面上.测试结果表明:在衬底温度变化20 K时,ROIC输出信号仅变化2 mV,实现了去除TEC后衬底温度补偿的功能,有效地降低了系统功耗.该ROIC在低功耗,小体积的非制冷红外探测器上有着广泛的应用.     

法国SOFRADIR公司推出基于非晶硅技术的非制冷微热辐射计红外探测器

法国SOFRADIR公司最近推出一种基于非晶硅(a-Si)技术的非制冷微热辐射计红外探测器.该探测器包括一个间距为45μm、占空因子高于80%的320×240元红外焦平面列阵,其工作波长为7μm～14μm.与该非晶硅温度计相联的CMOS读出电路是一种标准的0.5 μm CMOS部件.它允许探测器以脉冲偏压模式工作,因而可以提高像元的热响应率并使红外焦平面列阵免受焦平面温度变化的影响.在30℃时,探测器的功耗低于200mW.     

288×4长波红外探测器关键驱动电路的设计

针对制冷型288×4长波焦平面红外探测器组件PLUTON LW K508的特点,设计了一个驱动模块,为探测器组件提供了时序与控制信号、模拟与数字电源、参考电平、制冷模式控制信号等。重点介绍了上电控制电路、GPOL电压产生电路、制冷模式控制电路等关键电路的设计原理与结构。实验结果表明,采集到的红外图像具有噪声低、精度高、稳定性强等特点。当探测器在293 K和353 K之间的黑体照射下,并且积分时间为19 μs时,整个红外图像采集系统采集到的图像噪声电压均值保持在0.4 mV以下。     

288×4长波红外探测器关键驱动电路的设计

针对制冷型288×4长波焦平面红外探测器组件PLUTON LW K508的特点,设计了一个驱动模块,为探测器组件提供了时序与控制信号、模拟与数字电源、参考电平、制冷模式控制信号等.重点介绍了上电控制电路、GpoL电压产生电路、制冷模式控制电路等关键电路的设计原理与结构.实验结果表明,采集到的红外图像具有噪声低、精度高、稳定性强等特点.当探测器在293 K和353 K之间的黑体照射下,并且积分时间为19μs时,整个红外图像采集系统采集到的图像噪声电压均值保持在0.4 mV以下.     

像素级数字长波制冷红外焦平面探测器研究进展

介绍了美国、法国等西方红外强国在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器方面的研究现状及发展趋势。基于像素级ADC(模数转换)数字读出电路(ROIC)的不同实现架构,阐述了美国MIT实验室、法国Sofradir及CEA-Leti公司开发的像素级ADC数字读出电路原理及像素级数字化长波制冷红外焦平面探测器的最新研究成果。最后介绍了昆明物理研究所在像素级数字化制冷长波红外焦平面探测器研究方面取得的最新进展。昆明物理研究所突破像素级ADC设计等关键技术后,研制出320×256(30?m中心距)像素级数字读出电路,并与相同规格的长波制冷红外焦平面探测器互连,主要性能参数与国外同类像素级数字化长波焦平面探测器相当。     

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。     

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。     

High temperature InAs infrared detector based onmetal-insulator-semiconductor structure

The Au/Cr/a-SiN_x:H/(n)InAs/GaAs metal-insulator-semiconductor (MIS) capacitor was fabricated as a basic element of charge injection devices using plasma enhanced chemical vapour deposition. The electrical properties of the capacitor were analysed as a function of temperature using high frequency (1 MHz) capacitance-voltage measurements. It was demonstrated that the capacitor can still be biased into deep depletion at 180 K. When this capacitor is used as an integrated infrared detector in a charge injection device, it exhibits the capacity to detect infrared signals at a temperature of 180 K, higher than that of an InSb infrared detector (77 K), and the device can be cooled thermoelectrically     

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。     

A time-to-digital-converter-based CMOS smart temperature sensor

A time-to-digital-converter-based CMOS smart temperature sensor without a voltage/current analog-to-digital converter (ADC) or bandgap reference is proposed for high-accuracy portable applications. Conventional smart temperature sensors rely on voltage/current ADCs for digital output code conversion. For the purpose of cost reduction and power savings, the proposed smart temperature sensor first generates a pulse with a width proportional to the measured temperature. Then, a cyclic time-to-digital converter is utilized to convert the pulse into a corresponding digital code. The test chips have an extremely small area of 0.175 mm/sup 2/ and were fabricated in the TSMC CMOS 0.35-/spl mu/m 2P4M process. Due to the excellent linearity of the digital output, the achieved measurement error is merely -0.7/spl sim/+0.9/spl deg/C after two point calibration, but without any curvature correction or dynamic offset cancellation. The effective resolution is better than 0.16/spl deg/C, and the power consumption is under 10 /spl mu/W at a sample rate of 2 samples/s.     

A CMOS low-noise and low-power charge sampling integrated circuitfor capacitive detector/sensor interfaces

This paper describes the design and experimental results of a multichannel calibrationless charge sampling integrated circuit for capacitive detector/sensor interfaces. The integrated circuit incorporates multiple channels of sensitive charge preamplifiers, current/charge-mode amplifiers, pipelined analog storage cells, A/D converters, and static CMOS digital control circuitry. It is implemented in a 1.2 μm single-poly double-metal CMOS p-well technology. The power dissipation is 1 mW/channel. The input-referred equivalent noise charge (ENC) for a detector/sensor source capacitance of 30 pF and an integration time window of 128 ns is 1800 rms electrons. The input-referred channel-to-channel offset variation from chip to chip is only 292 rms electrons while the storage-cell-to-storage-cell offset variation is 142 rms electrons. The channel-to-channel gain variation from chip to chip is 1.6%     

扇形分裂漏CMOS磁敏传感器集成电路

介绍了扇形分裂漏磁敏传感器集成电路的设计,并由0．6μm CMOS工艺实现。该集成电路以扇形分裂漏磁敏MOS管作为磁敏传感单元,并包含两次工作模式的开关阵列预处理电路、相关二次取样电路(CDS)和数字控制电路。该传感器集成电路实现了测量磁场的功能,并实现了在屏蔽磁场的工作模式下对噪声信号进行校正的功能,有效地消除了磁敏传感器及其信号处理电路的噪声影响。在工作频率为10 kHz时,磁敏传感器的灵敏度为2．62 V/T。     

640×512数字化InGaAs探测器组件

数字化InGaAs探测器是短波红外探测器技术发展的一个重要方向,它不仅可以提升系统的集成度,还可以提升成像系统的各项技术指标。通过将模拟-数字转换器（ADC）集成到读出电路中实现数字化读出电路是数字化InGaAs探测器的技术核心。文中介绍了640×512数字化读出电路的设计与实现,并与InGaAs探测器通过铟柱进行倒装互联形成了数字化InGaAs探测器组件。通过对探测器组件的测试得到读出噪声为230 μV,峰值量子效率为65%,在300 K温度下探测率为1.2×1012 cmHz1/2/W,在60 Hz帧频下功耗为94 mW。测试结果表明,数字化InGaAs探测器组件具有低读出噪声,高线性度,高传输带宽,高抗干扰性等特点。     

制冷型红外探测器高精度制冷控温系统

致冷型红外探测器温度的稳定性直接决定了红外系统的性能。设计了针对致冷型红外探测器的高精度温度控制系统,该系统利用MCU进行PID闭环自动控制,温度恒定范围在77～80K,实现了温度稳定度±0.05K的性能指标。该系统具有精度高、抗干扰能力强、噪声低、快速稳定等优点,并且工作可靠,应用方便,具有很高的实用价值。     

非制冷焦平面热像仪温度控制设计

在分析法国ULIS公司生产的320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011技术参数的基础上,论述了微测辐射热计非制冷红外焦平面热像仪温度控制的必要性,指出了温度控制设计的实质。并讨论了单片机、线性模式单芯片热电制冷器控制器和开关模式单芯片热电制冷器控制器温控方案的优缺点。提出了使用AD公司生产的全新单芯片热电制冷器控制器ADN8830的温控设计方案,以该芯片为核心设计出适合320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011的温度控制电路,该电路能够把焦平面阵列温度变化控制在30±0.01℃范围内,使探测器工作在最佳温度。该方案功耗低、效率高、体积小,是一种较好的温控设计方案。     

采用双窗口红外探测器的道面温度遥测系统

在外场应用环境中,红外道面温度遥测系统的自身温度会发生较大幅度的变化,引起的内部杂散辐射变化会导致较大的系统测量误差。设计了采用双窗口红外探测器的红外道面温度遥测系统,同时对目标物辐射和内部杂散辐射进行实时测量,并在考虑探测器温度效应的基础上,建立了扣除内部杂散辐射影响的道面温度计算模型;标定实验结果表明:当探测器工作温度和测量目标温度分别在?10~40 ℃、?10~60 ℃范围时,探测器温度效应和辐射定标函数均可以做线性化处理,并呈线性叠加效果,验证了道面温度计算模型的合理性;经过标定后,红外道面温度遥测系统与Pt100接触式温度传感器进行了外场比对测试,得到测量系统与Pt100接触式温度传感器的测量数据相关性达到98.7%,其中夜间测量误差低于2.78%,表明了系统可在环境温度变化的外场条件下准确测量道面温度。