CMOS攝像器件和紅外焦平面器件實用

會計學(xué)1CMOS攝像器件和紅外焦平面器件實用有源像素結(jié)構(gòu)APS（ActivePixelStructure

)光電二極管型有源像素（PP－APS）1994，哥倫比亞大學(xué)在像元內(nèi)引入緩沖器或放大器，可改善像元性能，稱為有源像素傳感器。功耗小，量子效率高。每個像元有3個晶體管。大多數(shù)中低性能的應(yīng)用。第1頁/共29頁光柵型有源像素結(jié)構(gòu)（GP－APS）光柵型有源像素型CMOS每個像素5個晶體管，采用0.25umCMOS工藝允許達到5um像素間距，浮置擴散電容的典型值為10-14F量級，產(chǎn)生20uV/e的增益，讀出噪聲可達5-20均方根電子。成像質(zhì)量高。工作過程：

光生信號電荷積分在光柵PG下，浮置擴散節(jié)點A復(fù)位（電壓VDD）；然后改變光柵脈沖，收集在光柵下的信號電荷轉(zhuǎn)移到擴散節(jié)點。復(fù)位電壓水平與信號電壓水平之差即傳感器的輸出信號。第2頁/共29頁1997年，東芝公司研制成功640*640像素光敏二極管型CMOSAPS，像素尺寸5.6um*5.6um，具有彩色濾色膜和微透鏡陣列。2000年，美國Foveon公司和美國國家半導(dǎo)體公司采用0.18umCMOS工藝研制成功4096*4096像素CMOSAPS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固體攝像器件。第3頁/共29頁微透鏡改善低光特性CMOSAPS圖像傳感器的功耗較小。但與PPS相比，有源像素結(jié)構(gòu)的填充系數(shù)小，典型值為20%-30%。像素尺寸減小后低光照下靈敏度迅速降低，采用濾色片和在CMOS上制作微透鏡組合以及CMOS工藝的優(yōu)勢，前景好于CCD。第4頁/共29頁外界光照射像素陣列，產(chǎn)生信號電荷，行選通邏輯單元選通相應(yīng)的行像素單元，單元內(nèi)信號電荷通過各自所在列總線傳輸?shù)綄?yīng)的模擬信號處理器(ASP)及A/D變換器，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字圖像信號輸出。行選通單元掃描方式：逐行掃描和隔行掃描。隔行掃描可以提高圖像的場頻，但會降低圖像的清晰度。行選通邏輯單元和列選通邏輯單元配合，可以實現(xiàn)圖像的窗口提取功能，讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息。2、CMOS攝像器件的總體結(jié)構(gòu)第5頁/共29頁MOS攝像器件的工作原理：ΦY1

ΦY2信號輸出Y移位寄存器X移位寄存器ΦX1φX2RLEMOS開關(guān)光電二極管A/D數(shù)字信號輸出第6頁/共29頁3、CMOS與CCD器件的比較

CCD攝像器件靈敏度高、噪聲低、像素面積小難與驅(qū)動電路及信號處理電路單片集成，需要使用相對高的工作電壓，制造成本比較高CMOS攝像器件集成能力強、體積小、工作電壓單一、功耗低、動態(tài)范圍寬、抗輻射和制造成本低需進一步提高器件的信噪比和靈敏度第7頁/共29頁CMOS與CCD器件的對比

第8頁/共29頁CCDvs.CMOSIntegrationPowerConsumptionResolutionImageQualitySpeedCostExcellent20-50mWUpto12MpixBeingimprovedUptothousands

frame/sPoor2-5WUpto14MpixHistoricallybestUsuallyupto100frame/sNikonD100~$2,500Canon300D~$800第9頁/共29頁1.4、紅外焦平面器件

第三代紅外熱像技術(shù)InfraredFocalPlaneArrays,

IRFPA第10頁/共29頁紅外熱像儀的基本結(jié)構(gòu)紅外熱像儀的核心----紅外焦平面器件第11頁/共29頁克服了主動紅外夜視需要依靠人工熱輻射，并由此產(chǎn)生容易自我暴露的缺點；?克服了被動微光夜視完全依賴于環(huán)境自然光和無光不能成像的缺點;?穿透煙霧和塵埃的能力很強；?目標(biāo)偽裝困難；?遠距離、全天候觀察；?有很高的溫度靈敏度和較高的空間分辨能力熱成像技術(shù)的優(yōu)勢：第12頁/共29頁

由于這類器件工作是一般安放在成像透鏡的焦面上，所以它們又被叫做紅外焦平面器件（IRFPA）。成像透鏡紅外焦平面器件結(jié)構(gòu)

第13頁/共29頁1、IRFPA的工作條件IRFPA通常工作于1~3um、3~5um和8~12um的紅外波段并多數(shù)探測300K背景中的目標(biāo);紅外成像條件是在300K背景中探測溫度變化為0.1K的目標(biāo);隨波長的變長，背景輻射的光子密度增加。由普朗克定律計算出紅外波段300K背景的光譜輻射光子密度。第14頁/共29頁通常光子密度高于1013/cm2s的背景稱為高背景條件，輻射對比度——背景溫度變化1K所引起光子通量變化與整個光子通量的比值，它隨波長增長而減小。IRFPA工作條件：高背景、低對比度

1、IRFPA的工作條件第15頁/共29頁2、IRFPA的分類

按照結(jié)構(gòu)可分為單片式和混合式按照光學(xué)系統(tǒng)掃描方式可分為掃描型和凝視型按照讀出電路可分為CCD、MOSFET和CID等類型按照制冷方式可分為制冷型和非制冷型

1~3μm波段

代表材料HgCdTe—碲鎘汞3~5μm波段

代表材料HgCdTe、InSb—銻化銦、

PtSi—硅化鉑8~12μm

波段

代表材料HgCdTe

按照響應(yīng)波段與材料可分為第16頁/共29頁表：一些典型的各波段探測器。

第17頁/共29頁3、IRFPA的結(jié)構(gòu)——材料的紅外光譜響應(yīng)——有利于電荷的存儲與轉(zhuǎn)移紅外光敏部分信號處理部分

目前沒有能同時很好地滿足二者要求的材料

——IRFPA結(jié)構(gòu)多樣性單片式混合式類似于可見光CCD，紅外光敏陣列和轉(zhuǎn)移機構(gòu)同做在窄禁帶本征或摻雜非本征半導(dǎo)體材料上?；旌鲜剑杭t外光敏做在上述半導(dǎo)體材料上，信號處理部分則做在硅片上。兩者之間用導(dǎo)線連接。第18頁/共29頁單片式IRFPA非本征硅（P型）單片式IRFPA，

缺點：需制冷、響應(yīng)度均勻性差。主要有三種類型本征單片式IRFPA，缺點：轉(zhuǎn)移效率低、響應(yīng)均勻性差，存儲容量較小。

肖特基勢壘單片式IRFPA，

響應(yīng)均勻性好，但量子效率較低。

第19頁/共29頁混合式IRFPA直接注入方式

是將探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分直接用導(dǎo)線相連。

特點：結(jié)構(gòu)簡單、功耗低，有直流成分。間接注入方式

是通過緩沖級（有源網(wǎng)絡(luò)）進行連接。

改善探測器陣列同轉(zhuǎn)移部分的匹配性能。增加器件功耗，增大尺寸和工藝復(fù)雜性。

探測器陣列采用窄禁帶本征半導(dǎo)體材料制成，電荷轉(zhuǎn)移部分用硅材料。如何建立聯(lián)系？電學(xué)連接方式：第20頁/共29頁探測器陣列與轉(zhuǎn)移部分的連接：倒裝式

互連技術(shù)：每個探測器與多路傳輸器對準(zhǔn)配接。采用背照方式第21頁/共29頁4、典型的IRFPAInSb是一種比較成熟的中波紅外探測器材料。InSbIRFPA是在InSb光伏型探測器基礎(chǔ)上，采用多元器件工藝制成焦平面陣列，然后與信號處理電路進行混合集成。采用前光照結(jié)構(gòu)的1×32、1×128、1×256、1×512的線列IRFPA和背光照結(jié)構(gòu)的58×62、128×128、256×256、640×480、1024×1024的面陣IRFPA

InSbIRFPA第22頁/共29頁Hg1-xCdxTeIRFPA

通常HgCdTeIRFPA是由HgCdTe光伏探測器陣列和CCD或MOSFET讀出電路通過銦柱互連而組成混合式結(jié)構(gòu)。HgCdTeIRFPA的像素尺寸目前可作到18×18um2

HgCdTe材料是目前最重要的紅外探測器材料，研制與發(fā)展HgCdTeIRFPA是目前的主要方向。基本結(jié)構(gòu)第23頁/共29頁用于空間成像光譜儀的1024×1024短波(1~2.5um)HgCdTeIRFPA；用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈尋的器和戰(zhàn)略預(yù)警、監(jiān)視系統(tǒng)的640×480的中波(3~5um)HgCdTeIRFPA；應(yīng)用十分廣泛的長波(8~12um)HgCdTeIRFPA；目前4N系列（4×288、4×480、4×960）的掃描型和64×64、128×128、640×480凝視型的HgCdTeIRFPA已批量生產(chǎn)。主要類別第24頁/共29頁硅肖特基勢壘IRFPA

已實現(xiàn)了256×256、512×512、640×480、1024×1024、1968×1968等多種型號的器件硅肖特基勢壘IRFPA的像素目前可作到17×17um2

硅肖特基勢壘IRFPA目前已被廣泛應(yīng)用于近紅外與中紅外波段的熱成像，目前唯一利用已成熟的硅超大規(guī)模集成電路技術(shù)制造的紅外傳感器。第25頁/共29頁非制冷IRFPA熱釋電探測器陣列測輻射熱計陣列，熱釋電——氧化釩、非晶硅等第26頁/共29頁多量子阱（MQW）IRFPA先進的晶體材料外延工藝，在一定的襯底材料上，用這兩種工藝交替地淀積兩種不同半導(dǎo)體薄層，周期性結(jié)構(gòu)，薄層厚度從幾個到幾十個原子層，形成一種全新的材料，稱為超晶格材料，性質(zhì)取決于A和B的性質(zhì)及它們的層厚，性能也與原來大不相同。分I、II、III類三種超晶格材料。工作原理：利用子帶間的電子吸收紅外輻射躍遷，在外電路作用下形成光電流，適宜于制作長波紅外探測器。優(yōu)點：穩(wěn)定性好、抗輻射能力強，均勻性好。第27頁/共29頁多晶硅非制冷焦平面（UFPA）制冷HgCdTeMicrobolometer