微测辐射热计读出电路的研究

摘要

红外探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，被广泛应用于军事领域和民用领域。红外探测器分为光子红外探测器和热探测器。与光子红外探测器相比，热探测器灵敏度较低，但是具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、带宽响应范围广等优点，逐渐得到广泛关注。热探测器中的微测辐射热计因其功耗低、与硅平面工艺兼容、性价比高、在8-12μm波段内灵敏度高等优势，发展更为迅猛。但是我国针对微测辐射热计焦平面阵列的研究与生产起步较晚，并且受工业技术的限制，发展滞后于国外，所以本文针对微测辐射热计焦平面阵列中的读出电路展开设计与实现。 本文基于CSMC 0.18μm混合射频工艺，设计两种微测辐射热计读出电路。其一为氧化钒微测辐射热计读出电路，根据氧化钒微测辐射热计热敏电阻阻值大、TCR高的特点，设计了相应的160×160焦平面阵列读出电路，其中积分电路采用低噪声，高响应，高线性度，适用于高低背景的CTIA结构；缓冲输出采用具有自偏置、低功耗、小面积、高精度优点的九管缓冲输出结构，改进电路设计；单元偏置电路采用基于DAC的逐点偏置单元，提高探测阵列的均匀性。其二为铝微测辐射热计焦平面阵列，首先采用COMSOL Multiphysics软件设计并仿真探测像元为30μm×30μm的单层L型腿铝微测辐射热计，仿真结果表明该微测辐射热计结构稳定、响应速度适中，但探测灵敏度较低。根据铝微测辐射热计热敏电阻阻值小，TCR小的特点，设计匹配的26×100焦平面阵列读出电路，该电路具有高速、低噪声、高线性度的优势。 本文设计并流片的芯片总面积为2mm×2mm。在完成裸芯片微桥结构处理后，进行测试。测试结果表明，氧化钒微测辐射热计读出电路非线性度＜0.1%，读出速率为2M/s，功耗为40mW；铝微测辐射热计读出电路非线性度＜0.1%，读出速率为1M/s，功耗为0.356mW；铝微测辐射热计热敏电阻温度系数为0.384%/K，有效热时间常数为1.84ms，电压响应率最大值为260.32V/W，探测率为1.46×107cmHz1/2/W。

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