非制冷红外焦平面探测器芯片一体化设计及关键技术研究

摘要

非制冷红外探测器已广泛地应用于军事、边防、消防、工业检测、交通等各个领域，人们对于探测器的性能要求也越来越高；为满足此要求，开展高性能探测器芯片研究应运而生。高性能意味着具有更高信噪比、更高效率，非理想效应的自适应补偿功能；同时还应满足大阵列、轻质量等需求。本文以完成高性能非制冷红外探测器芯片一体化设计为目标，研究了一体化设计高性能系统芯片所需的主要关键技术。所涉及到的关键技术包括：探测器像元建模技术、探测器温度补偿技术、探测器芯片片上ADC技术、探测器芯片非均匀性校正技术、探测器芯片数字控制技术。
　　本研究主要内容包括：⑴通过数学推导和参数仿真，提出了涵盖器件光-热-电多物理场特性的线性模型，其可供电学设计平台使用，以辅助探测器系统一体化设计。该模型与经典模型在探测器温度变化40K时偏差小于5％，具有良好的精度。⑵针对自热效应提出使用片上电流DAC或片上电阻DAC的方式进行补偿。针对衬底温度导致的非理想效应提出引入补偿盲像元的方案用于补偿衬底温度的影响。对于电压偏置型红外读出电路，以采样运放跨阻的形式引入补偿盲像元；对于电流偏置型红外读出电路，以积分器积分电阻的形式的引入补偿盲像元。利用像元一体化设计模型仿真优化设计。经样片测试后在温度变化为80K时，采用所提温度补偿技术的探测器的输出变化率约为20%，其响应率变化率约为40%。⑶由使用像元一体化设计模型的读出电路仿真结果提出片上ADC的性能需求，然后分别研究芯片级ADC和列级ADC。在芯片级ADC方面，以Pipeline ADC为代表展开研究。首先基于Matlab设计并开发了一套Pipeline ADC功耗优化结构软件，并由该软件确定了两种低功耗Pipeline ADC结构。然后提出了一种基于扰动注入（Dither）和动态元件匹配（Dynamic Element Match，DEM）的数字后台算法，以及一种准实时校准的数字前台校准方案，该方案可同时实现连续性校准和增益校准，并将它们分别应用到所提低功耗结构中。由实物样品测试知，使用数字后台算法的Pipeline ADC功耗为299.93mW，DNL为+0.84LSB/-0.94LSB，INL为+0.99LSB/-1.19LSB；而使用数字前台算法的Pipeline ADC功耗为280.96mW，DNL为+0.86LSB/-0.75LSB，INL为+1.53LSB/-1.41LSB。在列级ADC方面，以Single Slope ADC为代表展开研究。为了提高Single Slope ADC的转换速率，本文提出了半周期计数法、两步比较法以及行划分法三种方案；为加强Single Slope ADC信号在探测器芯片上远距离传输时的准确性，提出了电流传输方案，避免信号误码。通过将补偿盲像元引入ADC参考电压的产生电路，获得了具有温度补偿功能的Single Slope ADC，该结构可称为数字温度补偿结构。通过样品测试，单个该Single Slope ADC实际21.86mW，估算其应用于1280×1024阵列时的总功耗为290.19mW，DNL为+0.72LSB/-0.71LSB，INL为+1.18LSB/-1.09LSB。当衬底温度变化80K时，输出数字码658个数字码，占数字动态范围的16.1%，响应率变化率为40.6%。⑷对于电压偏置结构、电流偏置结构，本论文提出以片上电压DAC调节它们的跨阻运放参考电压，从而实现一点温度补偿。针对该方法设计了一种精度和范围可调的片上电压DAC，该DAC具有4种电压调节范围。由样片测试，电压偏置结构的FNP可降低为11.8mV，电流偏置结构的FNP被降低到10.4mV。对于数字温度补偿结构，本论文提出使用两个片上电流DAC调节其偏置电流，从而实现两点温度补偿。由样片测试，温度补偿ADC结构的FNP为127.3mV。⑸将电压偏置结构+Single Slope ADC的ROIC在640×512的阵列下设计制作了大阵列探测器芯片，性能测试结果为平均响应率为8.83codes/K，约为7.33mV/K；RMS噪声为325.3μV，FPN噪声为12.1mV，NETD为62.33mK。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 红外探测器

1.3 非制冷型红外探测器

1.4 高性能探测器一体化设计关键技术

1.5 本论文的工作

第二章 微测辐射热计器件一体化设计模型研究

2.1 微测辐射热计探测器工作原理

2.2 微测辐射热计的等效电阻

2.3 传统探测器读出电路

2.4 本章小结

第三章 温度补偿的研究

3.1 温度补偿方案

3.2 电压偏置温度补偿结构

3.3 电流偏置温度补偿结构

3.4 本章小结

第四章 片上ADC的研究

4.1 ADC基础

4.2 芯片级ADC的研究

4.3 列级ADC的研究

4.4 本章小结

第五章 非均匀性校正的研究

5.1 探测器的非均匀性

5.2 非均匀性校正的读出电路

5.3 电路仿真结果

5.4 本章小结

第六章 数字控制电路的研究

6.1 阵列扫描

6.2 信号输入

6.3 信号输出

6.4 本章小结

第七章 非制冷红外探测器芯片制作与测试

7.1 非制冷红外探测器芯片的制作

7.2 非制冷红外探测器芯片的测试平台

7.3 非制冷红外探测器芯片的测试结果

7.4 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 结论

8.2 展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果