紅外成像陣列與系統(tǒng)課件

介紹三方面內(nèi)容：熱電堆紅外探測器

128×128像素的熱電堆紅外焦平面陣列3.總結(jié)

介紹三方面內(nèi)容：1微輻射計(jì)可以分成兩個(gè)大的設(shè)計(jì)類別：

“一層”微輻射計(jì)包括一個(gè)與硅襯底等高的微電橋，通過一個(gè)硅底上的蝕刻槽進(jìn)行隔熱。微輻射計(jì)可以分成兩個(gè)大的設(shè)計(jì)類別：2

“兩層”微輻射計(jì)包括一個(gè)高于原始硅表面的微電橋，這樣位于下方的硅是無損的。

“兩層”微輻射計(jì)包括一個(gè)高于原始硅表面的微電橋，3測輻射熱計(jì)式像素大小

硅

電極

傳感器

單層像素

兩層像素傳感器

電極

硅

像素大小

一層和兩層的微輻射計(jì)結(jié)構(gòu)展示

測輻射熱計(jì)式像素大小硅電極傳感器單層像素4熱釋電式通過照相平板運(yùn)算方法移去有機(jī)層的一部分，留下有機(jī)臺(tái)以連接探測器的像素倒裝焊

信號(hào)電極普通電極

混合熱隔離結(jié)構(gòu)的進(jìn)化過程。ROIC,讀出集成電路

熱釋電式通過照相平板運(yùn)算方法移去有機(jī)層的一部分，留下有機(jī)臺(tái)以5非致冷紅外探測器機(jī)理非致冷紅外探測器機(jī)理62.非致冷紅外探測器設(shè)計(jì)方案間的比較

2.非致冷紅外探測器設(shè)計(jì)方案間的比較7珀耳帖效應(yīng)（1834）IT12T2種不同金屬或半導(dǎo)體，通電接頭處有吸放熱現(xiàn)象Π12I

珀耳帖效應(yīng)（1834）IT12T2種不同金屬或半導(dǎo)體，通電接8湯姆遜效應(yīng)dxTT+dTI存在溫度梯度，有電流，則除了產(chǎn)生和電阻有關(guān)的焦耳熱，導(dǎo)體各部分會(huì)變冷變熱，原來的溫度分布就會(huì)改變。為維持原有的溫度分布，導(dǎo)體各部分必須吸收或放出熱量。湯姆遜效應(yīng)dxTT+dTI存在溫度梯度，有電流93.塞貝克效應(yīng)

（1821）溫差電流溫差電動(dòng)勢溫差電偶3.塞貝克效應(yīng)（1821）溫差電流10如果存在一個(gè)溫差，熱區(qū)有聲子濃度增加，聲子就會(huì)從熱接擴(kuò)散到冷接。由于電子和聲子之間的碰撞，電子會(huì)受到聲子的擴(kuò)散電流帶來的動(dòng)量的影響，這種效應(yīng)稱為聲子牽引效應(yīng)，它將加速塞貝克效應(yīng)。如果存在一個(gè)溫差，熱區(qū)有聲子濃度增加，聲子就會(huì)從11例子：N型半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)（2個(gè)機(jī)理）費(fèi)米能級(jí)例子：N型半導(dǎo)體的塞貝克效應(yīng)（2個(gè)機(jī)理）費(fèi)米能級(jí)12

P型半導(dǎo)體，多數(shù)載流子是空穴，因此熱電場的極性相反，換句話說，N型半導(dǎo)體的塞貝克系數(shù)的符號(hào)為正，而P型為負(fù)。對(duì)于一個(gè)本征半導(dǎo)體，電子濃度和空穴濃度都會(huì)增加，這樣熱接和冷接之間的電子和空穴濃度都會(huì)不同，而只有電子和空穴之間由濃度差異引起的移動(dòng)才能產(chǎn)生塞貝克效應(yīng)，而這個(gè)遷移率變化的差異比凍結(jié)范圍小得多，因此這種情況較非本征情況發(fā)生塞貝克效應(yīng)的幾率小得多。P型半導(dǎo)體，多數(shù)載流子是空穴，因此熱電場的極性13熱電堆:響應(yīng)度和響應(yīng)時(shí)間是測輻射熱電偶的兩個(gè)重要參數(shù)。但兩者之間是互相制約的，不可能同時(shí)得到改善。較好的商品測輻射熱電堆的低頻探測率為1×109cmHz1/2W-1，響應(yīng)時(shí)間從1---10ms。熱電堆:響應(yīng)度和響應(yīng)時(shí)間是測輻射熱電偶的兩個(gè)重14冷結(jié)熱結(jié)屏板銅引線銅引線冷結(jié)熱結(jié)屏板銅引線銅引線15通常在設(shè)計(jì)熱電偶時(shí)，著眼于響應(yīng)度高，響應(yīng)時(shí)間短和器件阻抗要合適。增加串聯(lián)熱電偶數(shù)目，可以提高響應(yīng)速度，但降低了響應(yīng)度，同時(shí)熱電堆的噪聲等效功率也會(huì)相應(yīng)增加。不過，在熱電堆中，每個(gè)熱電偶受照面的熱容量可以做得很小，而整體受照面比較大，這樣可以使熱電堆的性能優(yōu)于熱電偶。

通常在設(shè)計(jì)熱電偶時(shí)，著眼于響應(yīng)度高，響應(yīng)時(shí)間16測輻射熱電堆可分為兩類：

塊狀材料制成的器件薄膜器件測輻射熱電堆可分為兩類：174.不同的熱電堆紅外探測器（1）.密歇更大學(xué),1991

32像素的線性熱電堆紅外探測器列。（2）.

Sarro等人1988年10像素線性的熱電堆紅外探測器陣列4.不同的熱電堆紅外探測器（1）.密歇更大學(xué),18（3）.德國物理技術(shù)大學(xué)1991,Volkein等人；

P型（Bi1-xSbx）2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜構(gòu)成一個(gè)簡單的熱電堆.72個(gè)結(jié)點(diǎn)，500V/W響應(yīng)率（3）.德國物理技術(shù)大學(xué)19（4）.TH利用N型和P型PS作熱電材料

（5）.Honeywell120像素的線性熱電堆紅外圖像傳感器

（6）.日本防御代辦處和NEC制備128×128像素的熱電堆IRFPA利用N型和P型PS為熱電材料（4）.TH利用N型和P型PS作熱電材料202.128×128像素的熱電堆紅外焦平面陣列

2.128×128像素的熱電堆紅外焦平面陣列

21測得PS的塞貝克系數(shù)摻雜濃度（CM-3) 多晶硅的塞貝克系數(shù)測得PS的塞貝克系數(shù)摻雜濃度（CM-3) 多晶22其他金屬的塞貝克系數(shù)：在00C的塞貝克系數(shù)：鉑為4.4

V/0C，鐵為15.0

V/0C，鉍為110

V/0C，銻為47

V/0C。其他金屬的塞貝克系數(shù)：23多晶硅熱電堆紅外探測器

熱電堆IRFPA像素結(jié)構(gòu)硅底層制備在硅表面單片集成結(jié)構(gòu)提高填充因子，67%80×84um×

450nm氣隙腐蝕1um犧牲層32對(duì)多晶硅熱電堆紅外探測器 熱電堆IRFPA像素結(jié)構(gòu)硅底層制24

熱結(jié)點(diǎn)位于隔膜中心，冷結(jié)點(diǎn)位于隔膜外延，該處的熱傳導(dǎo)很厲害，故冷結(jié)點(diǎn)的溫度總是與底座相等，因此可認(rèn)為它是一個(gè)熱存儲(chǔ)器。熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)被Al層擋住以減小接觸電阻。熱結(jié)點(diǎn)位于隔膜中心，冷結(jié)點(diǎn)位于隔膜外延252.熱電堆紅外探測器的特性

響應(yīng)率V/W 斬波頻率

Hz 斬波頻率與響應(yīng)率的關(guān)系

真空里帶有金黑體的500K黑體2.熱電堆紅外探測器的特性響應(yīng)率V/W 斬波頻率Hz 263.信號(hào)讀出電路

熱電堆讀出晶體管便置電壓積累電容 信號(hào)讀出電路。CCD，電荷耦合器件

3.信號(hào)讀出電路熱電堆讀出晶體管便置電壓積累電容 信號(hào)讀27將來自于熱電堆的電勢差施加到讀出的金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管（MOS）的柵極上，從而控制漏電流。源極接地，而漏極電流與存儲(chǔ)電容器相連，即CCD本身。CCD容量是2×107個(gè)電子。熱電堆的另一端和偏置電壓相連。將來自于熱電堆的電勢差施加到讀出的金屬氧化物半284.電荷耦合器件掃描器成像區(qū)存貯區(qū)水平CCD4.電荷耦合器件掃描器成像區(qū)存貯區(qū)水平CCD29掃描部分由掃描成像的垂直CCD以及掃描存儲(chǔ)區(qū)的垂直CCD和水平CCD組成，以及帶有一個(gè)源跟蹤放大器的漂流擴(kuò)散輸出。這種器件的幀速是120Hz。垂直CCD和水平CCD的時(shí)鐘頻率分別為17KHz和2.6MHz。該芯片垂直方向尺寸19.5mm，水平方向15.2mm。因?yàn)镃CD掃描器和漂流擴(kuò)散輸出幾乎沒有噪聲，因此主要噪聲源是來自讀出晶體管的散粒噪聲。掃描部分由掃描成像的垂直CCD以及掃30

CCD掃描器制備在一個(gè)（100）P型Si襯底上，垂直CCD和水平CCD都設(shè)計(jì)成埋溝型。它們具有重疊雙層PS電極。用于圖像和存儲(chǔ)區(qū)的垂直CCD由四相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)，水平CCD由二相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。CCD掃描器制備在一個(gè)（100）P型315.封裝熱電堆紅外焦平面陣列的封裝5.封裝熱電堆紅外焦平面陣列的封裝32封裝直徑大小為41mm，高度14mm。在2～15μm波長由于作為紅外吸收體的金黑體的吸收率大于90%，因此光譜響應(yīng)由光學(xué)透鏡和封裝窗口的透射率決定。封裝窗口由帶有透射10μm波長增透膜的Ge構(gòu)成，光學(xué)透鏡的增透膜層也設(shè)計(jì)在為10μm波長左右。封裝直徑大小為41mm，高度14mm。336.性能由128×128像素的熱電堆紅外焦平面陣列拍攝

6.性能由128×128像素的熱電堆紅外34熱區(qū)是白色區(qū)域。輸出位移分布為22%，該值通過模擬和數(shù)字位移校正電路校正，但沒有進(jìn)行增益校正。陣列的平均噪聲等效溫差（NETD）在f/1.0透鏡下為0.50C。分辨率主要受到垂直CCD和水平CCD上的電荷遷移效率低的限制熱區(qū)是白色區(qū)域。35在這個(gè)器件里，拍攝到的16384個(gè)像素中有162個(gè)死點(diǎn)?？沙上襁\(yùn)動(dòng)目標(biāo)，因此我們可以認(rèn)為對(duì)于非致冷紅外成像，128×128像素的PS熱電堆紅外焦平面陣列FPA的熱電堆技術(shù)是可行的。在這個(gè)器件里，拍攝到的16384個(gè)像素中有367.改進(jìn)措施1．靈敏度一般來說又與電荷存儲(chǔ)能力的平方根成正比。如果用CMOS掃描器，其電荷存儲(chǔ)能力將是CCD的10倍或更多。7.改進(jìn)措施1．靈敏度一般來說又與電荷存儲(chǔ)能力的平方根成正比372．

即使在熱電偶的個(gè)數(shù)減少的情況下也應(yīng)該降低光闌的熱傳導(dǎo)率。據(jù)估計(jì)，如果熱電偶的對(duì)數(shù)從32降到1，熱傳導(dǎo)率就會(huì)降至原來的1/100，而靈敏度會(huì)擴(kuò)大3倍，PS的熱傳導(dǎo)率也會(huì)降低，而塞貝克系數(shù)卻提高了。2．

即使在熱電偶的個(gè)數(shù)減少的情況下也應(yīng)該降低光闌的熱傳導(dǎo)383．

為了提高分辨率，CCD的傳輸效率應(yīng)該提高。與5—15

m的可見光CCD圖像傳感器相比，100

m的像素間距是很大的。如果每次傳輸?shù)碾姾蓚鬏旈L度很大，那么有助于電荷傳輸?shù)母缮鎱^(qū)域就會(huì)變小。因此，可以通過優(yōu)化CCD通道的摻雜剖面結(jié)構(gòu)來提高干涉區(qū)域。3．

為了提高分辨率，CCD的傳輸效率應(yīng)該提高。與5—1539總結(jié)優(yōu)點(diǎn)

：1）PS用作熱電材料，整個(gè)制備過程就可在硅的集成電路制備廠中生產(chǎn)，從而該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低價(jià)和大規(guī)模生產(chǎn)

2）使用冷接作為溫度基準(zhǔn)，因此不需要溫度控制

總結(jié)優(yōu)點(diǎn)：40

器件的規(guī)格說明和性能參數(shù)

成像區(qū)128×128mm（V）象素?cái)?shù)128（H）×128（V）象素尺寸