高光譜用中波紅外焦平面探測器組件

于小兵,岳冬青,王成剛,寧 提,李敬國,李艷紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

高光譜成像技術(shù)是在多光譜技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型探測識別技術(shù)。與單一波段或多光譜探測和識別目標(biāo)方式相比,高光譜數(shù)據(jù)具有光譜范圍寬、譜段多(譜段窄)、光譜連續(xù)、光譜分辨率高、信息量大的優(yōu)點,在獲取目標(biāo)二維圖像信息的基礎(chǔ)上,同時獲取目標(biāo)的一維光譜信息,能夠反映出被探測目標(biāo)的外形影像以及理化特征。高光譜數(shù)據(jù)是一個光譜圖像的立方體,其空間圖像維描述地表二維空間特征,其光譜維揭示圖像每一像元的光譜曲線特征,由此實現(xiàn)了遙感數(shù)據(jù)圖像維與光譜維信息的有機(jī)融合,具有“圖譜合一”的特點,由于不同目標(biāo)會因其物理化學(xué)屬性性質(zhì)的不同而具有的獨一無二的特征光譜曲線,因此通過高光譜成像探測可以對目標(biāo)的特征輻射進(jìn)行“指紋識別”,實現(xiàn)精確識別目標(biāo)。

采用中波紅外焦平面探測器組件的紅外高光譜成像系統(tǒng)在晝夜均具備快速精確的鑒別能力,可應(yīng)用于探測識別飛行器尾噴氣流、引擎外壁、紅外誘餌、紅外告警、爆炸氣體等[1]。本文介紹了針對國內(nèi)中波紅外高光譜探測相機(jī)使用的中波2048×256紅外焦平面探測器的研究結(jié)果。

2 高光譜用中波碲鎘汞紅外焦平面探測器設(shè)計

在紅外高光譜成像應(yīng)用中,紅外焦平面探測器接收到的目標(biāo)光輻射比較小,紅外焦平面探測器應(yīng)具有高增益低噪聲性能,在較長的積分時間條件下,獲得微弱信號的高信噪比。由于目標(biāo)不同紅外波段的能量差距較大,探測器輸出相應(yīng)譜段信號差異比較大,探測器還應(yīng)具有更高的動態(tài)范圍、響應(yīng)線性度、較低的暗電流、高量子效率等特點。

本文介紹的高光譜用中波2048×256碲鎘汞紅外焦平面探測器由2只單片中波1024×256紅外焦平面探測器拼接而成。中波1024×256紅外焦平面探測器采用在幾百微米厚碲鋅鎘襯底上液相外延大尺寸碲鎘汞薄膜材料,離子注入n-on-p型平面同質(zhì)pn結(jié)碲鎘汞光電二極管陣列芯片,獨立自主設(shè)計、外協(xié)流片高光譜讀出電路,碲鎘汞光電二極管陣列芯片與讀出電路芯片通過高精度倒裝互連耦合及底部填充背減薄形成混成探測器芯片,混成探測器芯片可以經(jīng)受幾千次開關(guān)機(jī)制冷工作循環(huán),具有較長的使用壽命。探測器像元排列如圖1所示。

圖1 中波2048×256紅外焦平面探測器像元分布及尺寸Fig.1 The medium wave 2048×256 infrared focalplane detector pixel distribution and size

3 電路設(shè)計

讀出電路基于0.35 μm CMOS 5V工藝設(shè)計,采用快拍模式(Snapshot),對來自光伏二極管的瞬時信號進(jìn)行積分、存儲、行選通以及信號的采樣保持,以多路傳輸?shù)姆绞酵瓿?024列×256行共計262144個光伏二極管的信號輸出。像素輸入級為電容反饋互阻抗放大器(CTIA)結(jié)構(gòu),工作方式為積分同時讀出(IWR)模式；積分時間可調(diào),調(diào)整步長為8個MC(主時鐘)；四檔增益可調(diào)；輸出通道4、8、16路可選。

讀出電路設(shè)計包括五個主要部分:像素輸入級電路、列級電路、輸出級電路、數(shù)字控制電路以及版圖設(shè)計,總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,圖3為整體版圖。

圖2 讀出電路總體構(gòu)成Fig.2 The overall composition of the readout circuit

圖3 讀出電路整體版圖Fig.3 The overall layout of readout circuit

3.1 像素輸入級

CTIA(電容跨阻放大器)型像素輸入級電路具有優(yōu)秀的電源抑制比、低噪聲和良好的探測器偏壓控制等特性,[2]同時中波探測器暗電流比較小,高光譜應(yīng)用中的光電流也比較小,因此高光譜用中波1024×256焦平面探測器輸入級采用CTIA結(jié)構(gòu)。CTIA結(jié)構(gòu)在積分工作期間,反饋放大器的大增益使輸入保持固定電平,這樣既保持了對探測器偏壓的控制,又防止了電荷積分在探測器電容上,使光電流幾乎全部累積在積分電容上。由于積分電容器的密勒效應(yīng),它的電容能做的很小,以獲得高的增益,電路如圖4所示。

圖4 CTIA輸入級電路Fig.4 CTIA input stage circuit

像素輸入級電容設(shè)計為20 fF、20 fF、120 fF,通過開關(guān)切換組合,可將積分電容分為4檔,分別是20 fF、40 fF、140 fF、160 fF。

3.2 列級電路

信號在輸入級完成積分和采樣,經(jīng)行選通開關(guān)后進(jìn)入列級處理電路,并完成信號轉(zhuǎn)移至輸出級[2],列處理電路如圖5所示。

圖5 列處理電路Fig.5 The line processing circuit

列處理電路采用乒乓結(jié)構(gòu),即采用兩路處理電路,分別對兩行的信號進(jìn)行傳輸放大和讀出處理。這樣可以在不影響讀出速度的情況下,減小輸出信號對列運算放大器工作速度和帶寬的要求,簡化電路的細(xì)節(jié)設(shè)計,并大大節(jié)省功耗。

3.3 輸出級電路

輸出級電路設(shè)計有4、8、16通道可選功能,電路采用了分塊處理方式,對應(yīng)16路輸出,將1024列分成了16塊,每一塊都有獨立的數(shù)字控制電路。

輸出通道數(shù)由數(shù)字電路控制開關(guān)切換,輸出級對不用的通道做了隔離處理,減輕通道上的輸出負(fù)載,保證不同輸出通道時具有同樣的讀出速率,輸出級電路如圖6所示。

圖6 輸出級電路Fig.6 The circuit of output stage

3.4 數(shù)字控制電路

數(shù)字控制電路完成時序控制功能,包括行譯碼、列譯碼、復(fù)位、信號轉(zhuǎn)移、增益可選、4、8、16輸出通道可選等功能,數(shù)字輸入脈沖有INT和MC兩個脈沖,輸出脈沖datavalid,代表有效信號輸出時間,INT的高電平為積分時間,長短可調(diào),可調(diào)的最小步長為8MC。數(shù)字電路預(yù)留了部分?jǐn)?shù)字脈沖測試管腳。

4 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

在制備出單片中波1024×256紅外焦平面探測器基礎(chǔ)上,用2個中波1024×256紅外焦平面探測器拼接成中波2048×256紅外焦平面探測器后進(jìn)行封裝,集成于相機(jī)低溫光學(xué)和制冷系統(tǒng)。

中波2048×256紅外焦平面探測器為非真空封裝的金屬結(jié)構(gòu),主要由背板、拼接基板、多層陶瓷框架、柔性電路板、電連接器、窗座、窗口、冷屏等部分組成,如圖7所示。背板采用高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)的鉬銅材料,機(jī)械連接拼接結(jié)構(gòu)、相機(jī)結(jié)構(gòu)和制冷機(jī)冷鏈,保證探測器低溫工作的溫度均勻性,降低結(jié)構(gòu)間低溫?zé)崾鋺?yīng)力。拼接基板采用高導(dǎo)熱率、低膨脹系數(shù)的寶石材料,2個單片中波1024×256紅外焦平面探測器在其上拼接為2048×256探測器。單片中波1024×256紅外焦平面探測器分別獨立電學(xué)引出,管腳連接多層導(dǎo)線陶瓷框架,通過多層陶瓷框架優(yōu)化探測器電學(xué)通路布線,消除電學(xué)通路間干擾,降低外部電干擾。采用聚酰亞胺柔性電路板實現(xiàn)探測器長距離電學(xué)輸出,柔性電路板一端與多層陶瓷框架連接,一端連接電連接器,圖8為1024×256探測器組件圖。

圖7 中波2048×256紅外焦平面探測器拼接封裝結(jié)構(gòu)Fig.7 The medium wave 2048×256 infrared focalplane detector splicing package structure

圖8 中波1024×256紅外焦平面探測器組件Fig.8 The medium wave 2048×256 infraredfocal plane detector assembly

根據(jù)2個單片中波1024×256紅外焦平面探測器拼接尺寸在寶石基板上設(shè)計出探測器高精度拼接標(biāo)記,用專用精密設(shè)備將1024×256探測器上的基準(zhǔn)標(biāo)記與寶石基板上設(shè)計的高精度拼接標(biāo)記進(jìn)行對準(zhǔn),實現(xiàn)中波2048×256紅外焦平面探測器高精度拼接,保證各方向的拼接精度優(yōu)于20 μm。

5 研究結(jié)果

中波2048×256紅外焦平面探測器拼接實物圖見圖9,性能測試結(jié)果見表1,相對光譜響應(yīng)見圖10,實物見圖11。

圖9 中波2048×256紅外焦平面探測器拼接實物圖Fig.9 The medium wave 2048×256 infraredfocal plane detector spliced structure photo

圖10 中波2048×256紅外焦平面探測器相對光譜響應(yīng)曲線Fig.10 Relative spectral response curve of the MW2048×256 infrared focal plane detector

圖11 中波2048×256紅外焦平面探測器組件實物圖Fig.11 The medium wave 2048×256 infraredfocal plane detector assembly photo

表1 中波2048×256紅外焦平面探測器組件主要性能檢測結(jié)果Tab.1 The main performance of the medium wave2048×256 infrared focal plane detector

(續(xù)表)

6 結(jié) 論

高光譜用中波2048×256紅外焦平面探測器組件后截止波長為5.044 μm,4檔高增益具有較低的讀出噪聲,平均峰值探測率達(dá)到3.4×1011cmHz1/2W-1,響應(yīng)率不均勻性達(dá)到4.1%,平均量子效率達(dá)到74.5%,暗電流達(dá)到2.76×106(e-·pixel-·s-1),組件功能正常,性能良好,具有廣泛的應(yīng)用適用性。