高光谱用长波红外焦平面探测器组件

于小兵,岳冬青,王成刚,宁 提,李敬国,李艳红

(中国电子科技集团公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

高光谱红外成像探测技术将红外成像技术和光谱测量技术结合在一起,可以在红外波段范围内,获取连续0.01λ左右光谱宽度的影像数据,收集上百个非常窄的目标光谱波段信息,能够精确探测目标光谱分布特征,形成 “数据立方体”,具有“图谱合一”的指纹识别目标能力,使本来在宽波段遥感中不可探测的物质,在高光谱遥感中能被探测,是世界红外领域技术发展的重点之一[1]。

高光谱用红外焦平面探测器组件是高光谱红外成像的核心,世界发达国家通过近二十年的竞相研制,高光谱用短波红外探测器组件已经广泛应用于航空、航天对地观测的高光谱遥感领域,具军民用途双重功效,高光谱用长波红外焦平面探测器组件尚未广泛应用。

采用长波红外焦平面探测器组件的高光谱红外成像系统在昼夜均具备快速精确的鉴别能力,可应用于隐身目标探测、化学气体探测与识别、水下目标探测、地下矿物勘探、地雷探测等[2]。本文介绍了针对国内长波红外高光谱探测相机使用的长波1024×256红外焦平面探测器的研究结果。

2 高光谱用长波碲镉汞红外焦平面探测器设计

在红外高光谱成像应用中,红外焦平面探测器接收到的目标光辐射比较小,必须提高增益,拟制噪声,并采用较长的积分时间,获得微弱信号的高信噪比。由于目标不同红外波段的能量差距较大,探测器输出相应谱段信号差异比较大,探测器应具有更高的动态范围、响应线性度、较低的暗电流、高量子效率等特点。

本文介绍的高光谱用长波碲镉汞红外焦平面探测器采用在几百微米厚碲锌镉衬底上液相外延大尺寸碲镉汞薄膜材料,离子注入n-on-p型平面同质pn结碲镉汞光电二极管阵列芯片,硅读出电路采用CMOS型集成电路,探测器芯片与硅读出电路芯片采用微型铟柱倒装互连形成混成探测器芯片。通过开发不降低探测器性能前提下的长波碲镉汞探测器底部填充和背减薄技术,即在碲镉汞芯片与读出电路倒装互连的铟柱间隙灌入环氧树脂胶,然后去除探测器CdZnTe衬底技术,仅剩余10 μm左右厚的碲镉汞芯片,大大降低了碲镉汞芯片与硅读出电路低温状态下的应力,混成探测器芯片可以经受几千次开关机制冷工作循环,具有较长的使用寿命。探测器像元排列如图1所示。

图1 长波1024×256红外焦平面探测器像元分布及尺寸Fig.1 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detectorpixel distribution and size

3 读出电路设计

读出电路基于0.35 μm CMOS 5V工艺设计,采用快拍模式(Snapshot),对来自光伏二极管的瞬时信号进行积分、存储、行选通以及信号的采样保持,以多路传输的方式完成1024列×256行共计262144个光伏二极管的信号输出。输入级为直接注入(DI)结构,积分时间可调,调整步长为1个MC；四档增益可调；输出通道4、8、16路可选。

读出电路设计包括五个主要部分:输入级电路、列处理运算放大器、输出级、数字控制电路以及版图设计[3]。读出电路结构示意图如图2所示，原理图如图3所示。

图2 读出电路结构示意图Fig.2 Schematic diagram of readout circuit structure

图3 读出电路原理图Fig.3 Schematic diagram of readout circuit

输入级采用DI(直接注入)结构,ITR(先积分后读出)工作方式。输入级设计有抗晕管和电注入测试管,抗晕管VAB默认情况下接1.2 V,当光电流过大或积分时间超长,积分节点的电位低到使VAB管打开时,VAB管可以实现对过多的积分电荷进行撇除,实现抗晕功能。

图4 输入级Fig.4 Input stage

列处理电路采用乒乓结构,即采用两路处理电路,分别对两行的信号进行传输放大和读出处理。

输出级电路设计默认为16通道输出,通过时序控制开关切换可选择8通道或4通道输出,读出速率为8 MHz。

数字控制电路的时序电路利用不同的外部时钟和偏压产生读出电路工作所需要的所有内部信号,所有内部产生的脉冲都是主时钟周期的整数倍。数字输入脉冲有INT和MC两个脉冲,输出脉冲一个datavalid,代表有效信号输出时间。

4 封装结构设计

长波1024×256红外焦平面探测器采用金属结构非真空封装设计,集成于相机低温光学和制冷系统。封装结构主要由基板、多层陶瓷框架、冷屏、柔性电路板、电连接器、窗座、窗口等部分组成,基板采用高导热率、低膨胀系数的钼铜材料,连接多层陶瓷框架结构、相机结构和制冷机冷链,保证探测器低温工作的温度均匀性,降低结构间低温热失配应力。长波1024×256探测器电学管脚连接多层导线陶瓷框架,连接聚酰亚胺柔性电路板实现探测器长距离电学输出,柔性电路板一端与多层陶瓷框架连接,一端连接51针电连接器。

图5 长波1024×256红外焦平面探测器组件Fig.5 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detector assembly

5 研究结果

研究出的长波1024×256红外焦平面探测器混成芯片见图6,性能检测结果见表1,相对光谱响应见图7,实物照片见图8。

图6 长波1024×256红外焦平面探测器Fig.6 The long-wave 1024×256 infrared focal plane detector

图7 长波1024×256红外焦平面探测器相对光谱响应曲线Fig.7 Relative spectral response curve of the long-wave1024×256 infrared focal plane detector

图8 长波1024×256红外焦平面探测器组件照片Fig.8 The long wave 1024×256 infrared focal planedetector assembly photo

表1 长波1024×256红外焦平面探测器组件主要性能检测结果

6 结 论

高光谱用长波1024×256红外焦平面探测器组件后截止波长达到12.8 μm,4档增益的读出噪声得到较好控制,平均峰值探测率达到7.56×1010cmHz1/2W-1,响应率不均匀性达到6.03 %,平均量子效率达到42.6 %,暗电流达到4.4×1010e-/pixel/s,组件功能正常,性能良好,具有较广泛的应用适用性。