用于红外焦平面阵列的等效像元电路设计

戴山彪,陈力颖,邢海英,王 健,杨晓龙

(天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387)

·红外材料与器件·

用于红外焦平面阵列的等效像元电路设计

戴山彪,陈力颖,邢海英,王 健,杨晓龙

(天津工业大学电子与信息工程学院,天津 300387)

提出了一种用于300×400红外焦平面阵列读出电路的等效像元电路结构。该电路与氧化钒(VOx薄膜)制成的微机械系统(MEMS)的电特性等效,并能够模拟MEMS像元改变时支路电流的变化。红外面阵探测器读出电路在流片后,生长MEMS物理结构(VOx薄膜)前,该等效像元电路结构用于读出电路的电性能测试,从而剔除不良品,减少封装成本。该电路采用了GlobalFoundry 0.35 μm工艺设计并流片。测试结果表明,当积分电流为0～200 nA时,该等效像元电路的电性能与MEMS像元一致。

红外焦平面阵列；读出电路；微机械系统；等效像元电路

1 引 言

红外成像技术在军事、医学、空间技术以及国民经济相关领域正得到日益广泛的应用,是红外夜视仪和军事侦查、监视、制导等装备的关键技术,以及各种高技术武器装备的重要组成部分[1]。红外焦平面阵列(IRFPA)是红外成像技术中获取红外图像信号的核心光电器件,是一种高性能的红外固体图像传感器。红外焦平面阵列主要由红外探测器阵列及其读出电路(ROIC)阵列组成。对于许多成熟的红外焦平面探测器技术来说,现在限制其性能的不是探测器本身,而是读出电路部分。ROIC的性能直接影响IRFPA的质量[2-3]。但像元是读出电路中必不可少的一部分,像元的尺寸和结构是影响后面成像质量的关键因素。盲像元物理结构与有效像元完全一致,但与有效像元的区别在于其下面是实心的,因此其热导是有差别的。盲像元不吸收红外线,表面有反射层并有很好的导热,因此盲像元的电阻是不会因红外辐照而改变[4]。

CP(晶圆测试Circuit Probing)过程中,ROIC表面尚未构成 MEMS 物理结构,需要通过等效的方式对ROIC的读出放大通路进行测试评估,初步探测ROIC的电性能,筛除不良品。在CP之后和MEMS结构完成之后,等效像元不再启用,等效像元行选择信号始终关闭。该论文在ROIC阵列的基础上设计一个电特性等效于MEMS像元的电路,用于CP测试,使用的像元叫做“等效像元”。在读出电路加入等效像元后,这样就可以方便剔除不良品,节约封装成本。 MEMS像元采用MEMS技术制作的红外敏感元吸收入射的红外光并引起温升,读出电路(ROIC)将敏感元的温升引起的电阻变化转换成电压信号输出[5-7]。利用这个原理,论文采用了倒宽长比MOS管,通过调节其栅压,来改变其电阻,从而模拟像元的电特性。这一电特性正好与MEMS像元的电特性一致。

2 电路结构设计

加入等效像元的单元读出电路如图1所示,该电路结构主要由以下三个本部分组成：等效像元(The Equivalent Bolometer)、MEMS像元(MEMS Bolometer)、电容反馈互导放大器(capacitor feedback trans-impedance amplifier，CTIA)[8]。

图1 加入等效像元的单元读出电路

2.1 MEMS像元和积分电路(CTIA)

本论文中采用的氧化钒(VOx薄膜)制成的微机械系统(MEMS),其电特性如下：

◆ 目标温度范围：-20～80 ℃

◆ 目标发射率:ephsi_t = 0.8

◆ 探测波段:8～14 μm

◆ 像元吸收面积:A=25 μm×25 μm

◆ 光学结构F数:Fno=1

◆ 像元发射率:ephsi_e = 0.8

◆ 像元热导:g=1/55×10-6W/K

◆ 像元热容:Cth=1×10-10J/K

◆ NETD<100 mK @f/1,300 K,50 Hz

◆ 测试条件：探测器电阻(MEMS像元)

◆R=160 kΩ,TCR=-2.3%,Cint=2 pF

表1 25 μm系统各主要参数在典型目标温度下的值

由表1可知,MEMS的电特性主要是温度的变化引起电阻值的变化,从而导致电流值发生变化,最后引起信号电压的变化。

当外界温度发生改变时,MEMS像元中的有效像元的电阻值发生变化,导致其支路电流发生微弱的变化,其微弱的电流值(nA级别)由M4开关管流出。这一微弱的电流值通过积分电路转换为一个电压值。如图1所示,该积分电路为一种传统的CTIA型读出电路结构。在偏压VSK、VGSK、VGFID、VDET(VSS)和数字信号row_sel、integrate_en、rst_en的作用下(其中row_sel为行选通信号,integrate_en为积分使能信号,rst_en为复位信号),有效像元Rab上产生的支路电流与盲像元Rbb上产生的支路电流之差得到的电流信号输入到积分器上进行积分。微弱的电流信号就转化成电压信号。其中M1可调节有效像元支路电流值,M2为行选择开关,M3可调节盲像元支路电流值,M4是积分使能开关,Rtrim用于调节盲像元支路上的电阻,rst_en为数字信号控制的复位开关。

积分电流id：

(1)

假设输入电流id在一个积分时间内是定值且运算放大器的开环增益A→∞,那么输出电压满足:

(2)

其中,t为积分时间;Cint积分电容;id为积分电流;Vbus为运放偏置电压。其数字信号时序如图2所示。

图2 时序图

2.2 等效像元电路

等效像元电路的作用就是在晶元测试时替代MEMS像元产生一微弱的电流值,给积分电路一个测试信号。如图1所示,用于替代盲像元功能的等效像元为“等效盲像元”,其结构包括由外部Pad直接控制的MOS管Mbeqv(MOS Blind Equivalent)和行选择开关M2,pad提供的偏置电压为VBEQV,row_sel_test1(数字信号提供)控制开关M2的选通；用于替代有效像元功能的等效像元为“等效有效像元”,其结构包括由外部Pad直接控制的MOS管Maeqv(MOS Active Equivalent)和行选择开关M2,pad提供的偏置电压为VAEQV,row_sel_test2(数字信号提供)控制开关M2的选通。在等效像元工作过程中,row_sel_test1和row_sel_test2同时开启,其时序和ROW_SEL一样,VSK给等效盲像元提供偏置电压。工作在饱和区的MOS管Mbeqv和MOS管Maeqv其D与S之间的电阻值与W/L,VGS、VTH的关系如下[9]:

(3)

积分电流:

(4)

从式(3)(4)可知积分电流随栅压VGS的变化而变化。等效像元结构就是利用这一电特性来替代MEMS像元电路。

3 仿真结果分析

在盲像元电阻不变,VSK、VGSK、VGFID等偏压值确定的情况下,积分电流随有效像元电阻的变化如图3所示。

图3 积分电流与有效像元电阻的关系

图3中的横坐标为有效像元的电阻值,纵坐标为积分电流值。由图3可知积分电流的值随有效像元阻值的减小而增大,其阻值(150～160 kΩ)与积分电流(0～200 nA)呈线性变化,变化率约为51.86 nA/kΩ。由MEMS电特性和表1可知,R=160 kΩ,当温度从-20℃变化到80℃,其对应的电阻值降低了544 Ω和2530 Ω,对应的积分电流(信号电流)为47 nA和217 nA。说明温差越大,电阻值变化也越大,对应的积分电流的值也越大。而图3的仿真结果也说明了Rab与Rbb之间的值相差越大,对应的积分电流的值也越大。所以可以通过调节图3中的Rab的电阻,来对应MEMS电阻的变化。

在等效像元电路结构中,当偏置电压VSK、VGFID的值确定,积分电流随VAEQV、VBEQV的变化如图4、5所示。

图4 积分电流与等效有效像元栅压VAEQV的关系

图5 积分电流与等效有效像元栅压VBEQV的关系

图4、5中的横坐标为等效像元栅压VAEQV、VBEQV的值,纵坐标为积分电流的值。由图4、5可知积分电流的值随等效像元栅压VAEQV、VBEQV的增大而增大,VAEQV平均每调节9 mV变化10 nA的电流,变化率约为10 nA/9 mV,其偏压值与积分电流(0～200 nA)也是呈线性变化。所示可以通过调节图4和图5中的VAEQV、VBEQV的值,模拟外界温度的变化。仿真结果表明等效像元的电特性正好与MEMS像元的电特性一致,所以可用等效像元电路替代MEMS物理结构。

4 测试结果分析

基于GlobalFoundry 0.35 μm工艺,对阵列大小为300×400的红外面阵探测器读出电路进行流片,图6为ROIC阵列整体芯片照片,芯片面积为14 mm×16 mm。芯片中间的重复单元电路部分是单元电路,单元尺寸为25 μm×25 μm,重复单元的外围是数字电路部分,即时序控制部分,最外围是焊盘。图7为图6局部放大的照片即等效像元(等效盲像元和等效有效像元)的芯片照片,图8为测试芯片的PCB板。

图6 ROIC阵列整体芯片照片

图7 等效像元芯片照片

图8 测试芯片的PCB板

因为积分电流为nA级别的电流,很难用仪器测量出来,但可以通过电容反馈互导放大器将电流转换为电压信号测量出来。对VBEQV=2.4V,VSK=5.3V,VGFID=3.933V,Vbus=2.65V等偏置电压进行设定后,通过调节等效有效像元栅压VAEQV的值,产生0～200 nA之间的积分电流,其对应的积分电压值为2.65～3.38 V,积分电压与VAEQV值的测试结果如表2所示。

表2 积分电压与VAEQV值的测试结果(室温)

图9为积分电流Id=50 nA对应的积分电压值2.82 V,满足公式(2)。此测试结果表明：在ROIC表面尚未构成 MEMS 物理结构前,可以通过等效像元电路初步探测ROIC的电性能,筛除不良品。在CP之后和MEMS结构完成之后,等效像元不再启用,等效像元行选择信号始终关闭。

图9 Id=50 nA对应的积分电压

5 结 论

在充分分析MEMS物理结构(VOx薄膜)的工作原理及电特性后,设计了一种用于300×400红外面阵探测器读出电路的等效像元电路结构。该等效电路能够模拟MEMS像元改变时支路电流的变化。测试结果表明,积分电流为0～200 nA时,等效像元的电特性与MEMS像元的电特性一致,该等效象元电路结构可用于读出电路的电性能测试,从而剔除不良品,减少封装成本。

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Design of equivalent pixel circuit for infrared focal plane array

DAI Shan-biao,CHEN Li-ying，XING Hai-ying,WANG Jian，YANG Xiao-long

(Tianjin Polytechnic University,School of Electronics and Information Engineering,Tianjin 300387,China)

An equivalent pixel circuit for 300×400 infrared focal plane array readout circuit structure is presented in this paper. The circuit′s electrical characteristics are equivalent to that of the vanadium oxide (VOxfilm) micro-mechanical systems (MEMS). It can simulate the variation of the branch current when the MEMS pixel changes. Before the growth of physical structure of MEMS (VOxfilm),the infrared array detector readout circuit has been fabricated. The equivalent pixel circuit is designed to test the electrical properties of the readout circuit. It can remove the defective products and reduce packaging costs. The circuit has been designed and fabricated with a GlobalFoundry 0.35 μm process. The test results indicate that the equivalent circuit has the same electrical properties as the MEMS pixel when the integrating current is 0～200 nA.

infrared focal plane array;read-out circuit; micro-mechanical systems; equivalent pixel circuit

1001-5078(2015)02-0171-05

国家自然科学基金项目(No.61204008)资助。

戴山彪(1989-)，男，硕士研究生，研究方向为模拟集成电路设计。E-mail:daishanbiao@163.com

2014-06-21;

2014-07-22

TN432

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.02.012