芯片探测器

芯片探测器

从1956年开始，以美国生产非制冷的硫化铅红外探测器（工作波段1～3µm）为导

引的“响尾蛇”空空导弹为标志，红外探测器的军事应用进入了飞速发展阶段。首

先是对化铅探测器进行制冷，大大提高了探测灵敏度；相继又出现了锑化铟、碲镉

汞等多种新材料、多响应元及不同排列方式（线列、面阵）等构成多品种的实用均

红外探测器，冉加适当的光机电扫描获得红外图像信息，实现了全天时昼夜红外成像，于红外成像侦察、成像制导等贴片钽电容武器装备，可实时获取战场情报、对

来袭目标告警，并大大提高武器打击精度，是带动现代战争模式变革的主要技术因

素之一。随着探测器像元规模的断扩大，需要的信号放大和处理电路（一般在非制

冷环境）数量也越来越多，其引线数、体积、重量、耗电量、参数一敛性和可靠性

等因素使得探测器像元不得不控制在一定的围内（一般在200元以下），严重制约

了红外探测技术在武器装备的应用。随着微电子集电路技术的发展，和红外探测器

有机结合并不断完善，就诞生了红外焦平面探测器——红外探测阵列完成光电转换，再由和其良好电气耦合（且同处在低温环境）的集成电路完成信号传输、延时

积分、存储、背景消除、自动增益控制等信号处理（统称为读出电路，ROIC），又称第二代红外焦平面探测器，技术先进国家20世纪90年代进入批量生产；

而把原来的单元或多元器件称为一代红外探测器；目前正在研发的红外焦平面

阵列规模更大（百万像素以上、像元面积更小、探测灵敏度更高、均匀性更好）、信号处理能力更强（智能化）、工作T491D336K010AT温度更高(120～

180K)、双色（短波红外+中波红外、短波红外+长波红外、中波红外长波红外等）或多色（包括紫外和可见光）复合的新型器件称为第三代红外焦平面探测器。红外焦平面阵列芯片有单片式和混合式。PtSiCCD红外焦平面阵列是红外

探测单元列阵集成在硅材料衬底片上的单片式芯片，红外探测单元为肖特基势

垒结构，响应波段1～5µm，在3～5µm的量子效率不大于1%，峰值探测率D*

在1010cmHz1/2/W量级。因采用微电子技术制造，均匀性好，焦平面阵列规模大，分辨率高。锑化铟( InSb)、碲镉汞(HgCdTe)、镓铝砷／砷化镓

( CaAIAs/GaAs)、铟镓砷( InGaAs)、氧化钒(V0

)、多晶硅电阻、热释电焦

x

平面阵列等由红外探测器列阵和信号读出电路互连在一起的混合式芯片。一种

较常用的锢柱倒装互连。根据红外探测器InSb，HgCdTe用材料的特性，探测

单元多为光伏型，量子效率较高（大于50%）,芯片封装在杜瓦装置内在低温

下工作，响应波段3～5µm和8～14µm，峰值探测率D*在1010～1011cmHz1/2/W

量级；InGaAs. V0

、多晶硅电阻、热释电焦平面阵列等芯片，封装在有半导体

x

制冷器的金属或陶瓷管壳内，在室温条件下工作，响应波段8～14µm，量子效

引低，峰值探测率D*在108～109cmHz1/2/W量级。

一：红外焦平面探测器的介绍：

将红外辐射能转换为电能或其他物理量的器件称为红外探测器。红外探测器

分为红外光量子探测（光电伏特效应，光伏型）和热探测（热电效应，最常见光导型）二类，当前高性能红外焦平面探测器主要是量子效率较高的光伏型探测器。根

据大气对红外辐射透射率窗口，红外探测器覆盖的红外波段为短波、中波、长波和

超长波。

二：红外焦平面探测器的运用

对于红外焦平面的响应光谱范围而言，不同材料的红外焦平面探测器存在相应的光谱响应限制。硅探测器是1µm波长，PbS和InGaAs探测器是3µm 长波限制；InSb，PbSe，PtSi，HgCdTe探测器通过调整碲镉汞材料的参数，可以满足1～15µm波长范围内的探测需求hymsm%ddz

红外热像仪系统一般由红外焦平面探测器组件（DDA或DDCA）、红外光学、机械结构电子信号处理等部分构成。红外热像仪，广泛应用在工业、医疗、科学、军事和空间技术等领域。在军事应用方面，夜视、制导、跟踪、目标识别、导航系统、探测与搜索、光学成像和目标评估系统、监视、预警、红外侦察需各种红外焦平面；可用于建筑物热损失检测、电气元件故障预测、电子系统测试、生产过程监控及生产中的临界温T491C226K010AT度控制，监视天气变化、研究植被类型、协助农业规划和地质探测，还可探查海洋中的温度变化。

红外焦平面探测器的噪声等效温差(Noise Equivalent Temperature Difference，NETD)是决定热成像系统性能的关键性参数。光量子类红外焦平面阵列的NETD值范围通常在0.1～0.01K，使用，ƒ/2光学时，InSb、CaAlAs、HgCdTe的320×256元阵列和1024×768元阵列都可达到0.01K的NETD值，适合于星载、机载等移动平台成像侦察和成像制导等中高性能的系统应用；非制冷型红外焦平面阵列0.1K的NETD可满足便携式热像仪和热瞄具等低档的系统应用需求。

根据红外焦平面阵列芯片的组成方式红外焦平面探测器的渎出电路和信号处理电路通常集成在同一硅片上，要求读出电路具有高电荷容量、高转移效率、低噪声和低功耗。读出电路最常用的有CCD和CMOS两种工艺。CCD工艺的优点是响应均匀、噪声低；CMOS工艺的优点是转移注入效率高、抑制红外(直流）背景能力强、响应动态范围大、功耗小（工作电压低）、漏电流小、速度快、集成度更高、外引线更少，成品率贴片钽电容高、成本更低，易于与红外探测器芯片工艺集成等，因此CCD与CMOS T艺成为红外焦平面探测器读出电路的主要工艺方法。信号处理电路功能包括增益控制、背景抑制、抗光晕等。而红外焦平面探测器应用中还要进行的非均匀校正、盲元填充等功能要由其他外围电路去完成。