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小像元微测辐射热计新型结构设计与性能研究

小像元微测辐射热计新型结构设计与性能研究

作者：杨静华中科技大学

学位级别：硕士

随着大规模集成电路技术和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)技术的快速发展,基于MEMS技术的非制冷红外焦平面探测器在军民两用领域都得到了普及应用,并对器件各方面提出了更高的要求,包括器件的微型化、大阵列规模、... 详细信息

随着大规模集成电路技术和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)技术的快速发展,基于MEMS技术的非制冷红外焦平面探测器在军民两用领域都得到了普及应用,并对器件各方面提出了更高的要求,包括器件的微型化、大阵列规模、高分辨率、高灵敏度、快响应以及更低的成本。但是实现高灵敏快响应的小像元红外焦平面阵列,特别是像素间距10μm及以下的小像元非制冷微测辐射热计,无论是采用现有的单层结构还是双层结构,同时维持探测器的高灵敏度和短时间常数都是较大的挑战。本文针对像素周期为8μm的微测辐射热计单元设计了新型器件结构,即含有超表面吸收器的双层器件像元结构和含有天线耦合吸收器的单层器件像元结构,研究了它们的光学、热学、电学性能,为小像元微测辐射计器件结构提供了新的设计和发展思路。本文的具体工作内容如下:(1)设计了一种适用于小像元微测辐射热计的低热质量长波红外宽谱超表面吸收器,该吸收器由支撑在衬底全反射镜上的伞型氮化硅介质薄膜及沉积在介质层上的金属钛贴片阵列构成。采用电磁仿真软件FDTD优化后,在最佳结构参数下可实现长波红外8～14μm波段范围内98.3%的平均光吸收率,并且在±40°斜入射角内仍能保持90%以上的非偏振宽谱吸收特性。与传统多膜系吸收层相比,将器件热质量降低了近60%。探究了该吸收器的热质量减薄极限,找到了最佳贴片阵列数n=2、介质薄膜最佳穿孔直径d=0.75μm的结构参数,使穿孔超表面吸收器在保持96%的长波红外光吸收率的同时,将热质量再降低了28.8%,进一步提升了探测器的响应速度。(2)设计了超表面吸收器耦合双层微测辐射热计器件的完整像元结构。通过在第一层同时集成S型桥腿与热敏层、第二层制作与热敏层不互联的超表面吸收层,保留了桥腿最长、有效吸收面积最大两个优势,且热质量大幅度减轻。采用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟了该器件的热电耦合特性及力学振动特性,结果表明,超表面吸收器耦合微测辐射热计器件可实现的NETD接近40 m K、热响应时间接近6ms的要求,器件在随机振动、冲击环境下也表现出良好的力学稳定性。(3)对超表面吸收器耦合微测辐射热计器件中的关键吸收结构进行了工艺制备与光学测试。最佳结构参数下吸收器的光吸收谱线实现了长波红外范围内的宽谱高吸收特性,平均光吸收率达到了87.5%,验证了该超表面伞型吸收器作为红外宽谱吸收膜集成到微测辐射热计中提升器件性能的可行性。(4)设计了一种纳米螺旋钛金属天线吸收器耦合单层微测辐射热计器件的像元结构。通过在同一层上制作热隔离支撑桥腿和螺旋式天线臂,代替传统的上吸收层和下热隔离层的双层微桥结构,简化了制备工艺。采用热隔离桥腿与螺旋式天线臂相间排布的方式,在增加微桥结构有效吸收面积的同时,提高了单个像素内微桥结构热隔离支撑腿的占比,还降低了桥面热质量。仿真结果显示,与典型的单层像元相比,天线耦合器件在最佳结构参数下可维持高效的宽谱红外高吸收,同时温度响应率提升了69.9%,比探测率提升了19.9%,时间常数可以低于3.5 ms。该项工作对于多维度提升小像元单层微测辐射热计性能、构建快响应器件具有积极的意义。本文所做工作验证了缩小像素间距后维持器件性能的几种解决方案的可行性,为构建高度小型化、大阵列格式、高灵敏度的红外焦平面阵列探测系统提供了思路和途径。

关键词：小像元非制冷微测辐射热计低热质量超表面吸收器红外焦平面阵列纳米天线

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高动态小像元数字化红外探测器建模与仿真

高动态小像元数字化红外探测器建模与仿真

作者：张俊雅西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着红外探测器的广泛应用及发展,红外探测器的设计与研制工作越来越受到重视。新一代红外探测器创新技术多,性能得到了极大提升。红外探测器的研发周期长、成本高、外场实验复杂,依靠计算机仿真可提供参数优化指导,缩短研制周期节约成... 详细信息

随着红外探测器的广泛应用及发展,红外探测器的设计与研制工作越来越受到重视。新一代红外探测器创新技术多,性能得到了极大提升。红外探测器的研发周期长、成本高、外场实验复杂,依靠计算机仿真可提供参数优化指导,缩短研制周期节约成本。为了获得可信的仿真结果,建立精确的物理模型是至关重要的。所以,本文针对第三代红外探测器的技术特征,即高动态、小像元、数字输出,建立了信号级的物理模型,精确仿真高动态、小像元、数字化红外探测器的成像过程。本文的主要研究工作如下:（1）分析红外探测器的信号转换过程。首先研究了动态范围、像元尺寸和数字化输出对红外探测器的影响,总结了第三代红外探测器的特点。根据红外成像的相关理论,得到红外探测器的成像过程,将成像过程分为三部分:光子到电子的转换;电子到电压的转换;电压到数字信号的转换。并论述了现有的红外探测器模型的不足之处。（2）建立信号级的成像模型。根据探测器的成像过程,解释每个信号转换过程物理机理,并建立相应的模型。根据划分的三个主要过程,论述了探测器从接受光子到输出红外信号的整个过程,符合信号流动的过程。其中还考虑了满阱电荷、像元尺寸和不同的ADC对成像的影响。（3）仿真分析满阱电荷、像元尺寸和数字化输出对探测器成像的影响。根据建立的物理模型,利用C++进行了仿真分析。首先通过仿真不同波段、不同背景的红外图像,分析了满阱电荷量对探测器成像的影响。然后通过变换像元尺寸进行仿真,得出了像元越小,探测器分辨率越高,并且在相同瞬时视场角的要求下,可使用更小焦距的光学系统的结论。最后通过仿真探测器在数字输出和模拟输出两种结构下的成像,比较得出了数字化输出可以减少红外探测器的噪声,并提供足够的满阱电荷,减少细节损失。

关键词：红外探测器高动态范围小像元数字化输出建模与仿真

中心距10 μm截止波长2.6 μm的延伸波长InGaAs焦平面探测器（英文）

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红外与毫米波学报 2018年第6期37卷 649-652页

作者：何玮李平邵秀梅曹高奇于一榛张亚光邓双燕杨波李雪李淘龚海梅中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049 复旦大学上海200433

采用ICP(inductively coupled plasma etching)刻蚀与湿法腐蚀相结合的方式,研制了像元中心距为10μm、截止波长2. 6μm的p-i-n型10×10元延伸波长In Ga As探测器.不同温度下的电流—电压特性研究和激活能分析,显示了器件优异的暗电流特... 详细信息

采用ICP(inductively coupled plasma etching)刻蚀与湿法腐蚀相结合的方式,研制了像元中心距为10μm、截止波长2. 6μm的p-i-n型10×10元延伸波长In Ga As探测器.不同温度下的电流—电压特性研究和激活能分析,显示了器件优异的暗电流特性.在室温下,-10 mV偏压时器件的暗电流和优质因子R0A分别为0. 45 nA和14. 7Ω·cm^2,量子效率可达到63%.为了证实像元中心距减小并未影响器件性能,与同种材料中心距30μm的InGaAs焦平面阵列进行了对比分析.相似的实验结果进一步证明了工艺的可行性,对今后实现高密度、大面阵延伸波长InGaAs探测器具有重要的指导意义.

关键词：延伸波长 InGaAs探测器小像元暗电流密度量子效率

1280×1024,10μm数字红外焦平面读出电路设计(特邀)

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红外与激光工程 2022年第4期51卷 1-8页

作者：钟昇佑姚立斌范明国李正芬昆明物理研究所云南昆明650223

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280×1024,10μm数字焦平面读出电路的设计和实... 详细信息

焦平面红外探测器的数字读出是其发展的一个重要方向,相比传统的模拟红外焦平面探测器,数字红外焦平面探测器具有诸多优势。数字红外焦平面探测器的核心在于数字读出电路。文中详细介绍了1280×1024,10μm数字焦平面读出电路的设计和实现。通过对读出电路的测试得到其噪声为157μV,在50 Hz帧频下功耗为165 mW,列级固定图案噪声为0.1%。所设计的数字读出电路与短波红外探测器成功实现了倒装焊互连并完成了成像,所成图像清晰、细节丰富。测试结果和探测器成像效果表明,所设计的数字读出电路具有低噪声、高传输带宽、高抗干扰性等特点,有助于提升红外焦平面探测器的各项性能。

关键词：红外焦平面探测器数字读出电路大面阵小像元列级ADC

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双层伞状开孔的微测辐射热计红外吸收分析

半导体光电 2023年第1期44卷 44-48页

作者：蒋君贤王涛陈超吴志明王军电子科技大学光电科学与工程学院成都610054

建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论,采用三维电磁仿真软件CST,对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明,双层伞状开孔微测辐射热计光学... 详细信息

建立了具有伞状吸收层结构的微测辐射热计探测单元的红外吸收模型。基于光学导纳矩阵法和阻抗匹配理论,采用三维电磁仿真软件CST,对伞状结构不同开孔尺寸和形状下模型的红外吸收特性进行了分析。结果表明,双层伞状开孔微测辐射热计光学性能与伞状结构开孔大小有密切的关系。该伞状微测辐射热计中引入开孔后,在保持较高的红外吸收特性的基础上,减少了探测单元热容,从而提升了器件响应速度。最终所得探测单元在8~14μm红外波段内的平均吸收率为85%,满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。

关键词：微测辐射热计光学仿真小像元吸收率微桥结构

基于有限元法的12μm微测辐射热计单元设计

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半导体光电 2020年第1期41卷 15-19页

作者：史佳欣陈超王军电子科技大学光电科学与工程学院成都610054

基于多物理场有限元分析与理论计算相结合的方法,采用Intellisuite软件完成了12μm×12μm微测辐射热计结构的设计与仿真,具体工作包括:单元结构二维版图及工艺流程设计和单元结构三维精确建模,结合实际MEMS结构的材料参数,进行了电学... 详细信息

基于多物理场有限元分析与理论计算相结合的方法,采用Intellisuite软件完成了12μm×12μm微测辐射热计结构的设计与仿真,具体工作包括:单元结构二维版图及工艺流程设计和单元结构三维精确建模,结合实际MEMS结构的材料参数,进行了电学与热电耦合多物理场有限元仿真模拟分析。通过仿真优化获得探测单元的主要热电参数、响应时间和响应率,分别为:热导4.31×10-8 W/K、热容2.69×10-10 J/K、电压响应率(未经后端读出电路放大)7 200V/W、热响应时间6.24ms。采用所提出的微桥设计仿真方法,可显著提高器件设计效率和设计精度,缩短研发周期,可满足超大规模小像元非致冷红外焦平面探测器的设计要求。

关键词：微测辐射热计小像元非致冷红外焦平面探测器有限元仿真热电耦合分析

10μm像元间距1024×1024中波红外探测器研制进展

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激光与红外 2019年第8期49卷 915-920页

作者：周立庆宁提张敏陈彦冠谢珩付志凯中国电子科技集团公司第十一研究所

小像元红外探测器已成为红外探测器技术发展的重要方向,像元尺寸减小可提高红外成像系统的探测和识别距离,降低红外探测器成本,减小系统尺寸、质量和功耗等。本文介绍了国内外小像元红外探测器研制进展,重点介绍了中国电科十一所研制的1... 详细信息

小像元红外探测器已成为红外探测器技术发展的重要方向,像元尺寸减小可提高红外成像系统的探测和识别距离,降低红外探测器成本,减小系统尺寸、质量和功耗等。本文介绍了国内外小像元红外探测器研制进展,重点介绍了中国电科十一所研制的10μm像元间距1024×1024规模小像元碲镉汞红外焦平面探测器组件。组件为n-on-p平面结构后截止波长5μm、有效像元率达到99%、量子效率达到60%。

关键词：小像元 10μm像元间距碲镉汞

640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路设计

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半导体光电 2023年第3期44卷 350-355页

作者：陆逸凡汪鸿祎陶文刚曹嘉晟田宇景松黄松垒李雪中国科学院上海技术物理研究所传感技术联合国家重点实验室上海200083 中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室上海200083 中国科学院大学北京100049 上海科技大学上海200083

为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、... 详细信息

为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器(CTIA)输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。

关键词：小像元红外焦平面阵列读出电路 CTIA结构暗电流

大面阵非制冷红外探测器读出电路关键技术研究

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大面阵非制冷红外探测器读出电路关键技术研究

作者：闵道刚电子科技大学

学位级别：硕士

随着非制冷红外探测器技术水平的不断提高,对其功能和性能的要求也越来越高。非制冷红外焦平面探测器正朝着更大阵列、更小像元、更高速度、更高集成度的方向发展,其阵列的像元规模已由1K、10K发展到100K、1M甚至百M量级,而功耗随着阵... 详细信息

随着非制冷红外探测器技术水平的不断提高,对其功能和性能的要求也越来越高。非制冷红外焦平面探测器正朝着更大阵列、更小像元、更高速度、更高集成度的方向发展,其阵列的像元规模已由1K、10K发展到100K、1M甚至百M量级,而功耗随着阵列规模的增大而迅速增加;当像元数量迅速增加的同时,阵列的非均匀性问题以及干扰问题使得探测器成像的质量急剧下降,图像失真;并且由于像元面积的缩小,非制冷红外探测器读出电路的物理实现空间也随之压缩,如何设计满足小像元尺寸和大面阵的读出集成电路成为了设计者面临的新问题。读出电路的性能直接影响非制冷红外焦平面探测器的成像质量,为了实现大面阵非制冷红外焦平面探测器高质量成像的目的,本文对其专用读出电路的关键技术进行了研究,主要包括:大面阵读出电路的高集成度数字化技术、非均匀性校正技术以及低功耗数字控制技术等。论文的主要研究内容和成果如下综述:1、大面阵读出电路的高集成度数字化技术。根据大面阵非制冷红外探测器读出电路的设计指标,确定了读出电路系统的时钟方案:系统主时钟周期为3ns,最大行扫描时间为31.5μs,列选时钟为42ns,数字输出时钟为3ns;提出了一种适用于大面阵非制冷微测辐射热计型焦平面的高集成度的低功耗、低噪声数字化列级读出电路;并且设计了列级低功耗高速比较器,采用电压比较器的尾电流增强支路,只增加了比较器翻转时的瞬态功耗,比较器的延时小于0.5 ns,平均电流仅为7.26μA。2、大面阵读出电路的片上非均匀性校正技术。研究了非均匀性的来源以及非均匀性校正技术,提出了片上非均匀性校正电路,通过采用两个片上DAC调节的方式来实现片上关于探测器像元的偏移和增益的非均匀性校正;设计了采用“4+4”分段模式的8位电压按比例缩放型DAC电路,其DNL和INL的仿真结果分别为-0.3LSB～+0.4LSB和-0.5LSB～+0.6LSB。同时,为了更好地实现探测器输出信号与衬底温度无关,提出了精确获取探测器衬底温度的方案,设计了片上高精度温度传感器电路,当温度由-40℃变化到125℃时,温度传感器电路的输出电压响应为0.90105V～3.16808V,即温度响应率为13.74m V/K,并且其线性度为99.99%。3、大面阵读出电路的低功耗数字控制技术。为了缩短设计周期和成本,提高读出电路的智能化和可靠性,采用基于数字单元标准库进行数字控制电路的半定制设计方法,设计了读出电路的智能化数字控制电路并进行了低功耗优化;实现了片外信号的高速输入,片上像元逐点非均匀性校正以及数字化信号的输出。4、进行了数模混合总体仿真:当目标温度变化100K时,该读出电路的平均响应率为55.99code/K;室温下单通道列级读出电路功耗为99.96μW,对于1280×1024阵列规模大面阵红外焦平面读出电路系统,总功耗为272.89mW。

关键词：非制冷红外探测器读出电路大阵列小像元非均匀性