紅外成像陣列與系統(tǒng)課件

介紹三方面內容：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

介紹三方面內容：1微輻射計可以分成兩個大的設計類別：

“一層”微輻射計包括一個與硅襯底等高的微電橋，通過一個硅底上的蝕刻槽進行隔熱。微輻射計可以分成兩個大的設計類別：2

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

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結構展示

測輻射熱計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算方法移去有機層的一部分，留下有機臺以連接探測器的像素倒裝焊

信號電極普通電極

混合熱隔離結構的進化過程。ROIC,讀出集成電路

熱釋電式通過照相平板運算方法移去有機層的一部分，留下有機臺以5非致冷紅外探測器機理非致冷紅外探測器機理62.非致冷紅外探測器設計方案間的比較

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

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

（1821）溫差電流溫差電動勢溫差電偶3.塞貝克效應（1821）溫差電流10如果存在一個溫差，熱區(qū)有聲子濃度增加，聲子就會從熱接擴散到冷接。由于電子和聲子之間的碰撞，電子會受到聲子的擴散電流帶來的動量的影響，這種效應稱為聲子牽引效應，它將加速塞貝克效應。如果存在一個溫差，熱區(qū)有聲子濃度增加，聲子就會從11例子：N型半導體的塞貝克效應（2個機理）費米能級例子：N型半導體的塞貝克效應（2個機理）費米能級12

P型半導體，多數(shù)載流子是空穴，因此熱電場的極性相反，換句話說，N型半導體的塞貝克系數(shù)的符號為正，而P型為負。對于一個本征半導體，電子濃度和空穴濃度都會增加，這樣熱接和冷接之間的電子和空穴濃度都會不同，而只有電子和空穴之間由濃度差異引起的移動才能產生塞貝克效應，而這個遷移率變化的差異比凍結范圍小得多，因此這種情況較非本征情況發(fā)生塞貝克效應的幾率小得多。P型半導體，多數(shù)載流子是空穴，因此熱電場的極性13熱電堆:響應度和響應時間是測輻射熱電偶的兩個重要參數(shù)。但兩者之間是互相制約的，不可能同時得到改善。較好的商品測輻射熱電堆的低頻探測率為1×109cmHz1/2W-1，響應時間從1---10ms。熱電堆:響應度和響應時間是測輻射熱電偶的兩個重14冷結熱結屏板銅引線銅引線冷結熱結屏板銅引線銅引線15通常在設計熱電偶時，著眼于響應度高，響應時間短和器件阻抗要合適。增加串聯(lián)熱電偶數(shù)目，可以提高響應速度，但降低了響應度，同時熱電堆的噪聲等效功率也會相應增加。不過，在熱電堆中，每個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。

通常在設計熱電偶時，著眼于響應度高，響應時間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,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,18（3）.德國物理技術大學1991,Volkein等人；

P型（Bi1-xSbx）2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜構成一個簡單的熱電堆.72個結點，500V/W響應率（3）.德國物理技術大學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像素結構硅底層制備在硅表面單片集成結構提高填充因子，67%80×84um×

450nm氣隙腐蝕1um犧牲層32對多晶硅熱電堆紅外探測器 熱電堆IRFPA像素結構硅底層制24

熱結點位于隔膜中心，冷結點位于隔膜外延，該處的熱傳導很厲害，故冷結點的溫度總是與底座相等，因此可認為它是一個熱存儲器。熱結點和冷結點被Al層擋住以減小接觸電阻。熱結點位于隔膜中心，冷結點位于隔膜外延252.熱電堆紅外探測器的特性

響應率V/W 斬波頻率

Hz 斬波頻率與響應率的關系

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率V/W 斬波頻率Hz 263.信號讀出電路

熱電堆讀出晶體管便置電壓積累電容 信號讀出電路。CCD，電荷耦合器件

3.信號讀出電路熱電堆讀出晶體管便置電壓積累電容 信號讀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，而漏極電流與存儲電容器相連，即CCD本身。CCD容量是2×107個電子。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以及掃描存儲區(qū)的垂直CCD和水平CCD組成，以及帶有一個源跟蹤放大器的漂流擴散輸出。這種器件的幀速是120Hz。垂直CCD和水平CCD的時鐘頻率分別為17KHz和2.6MHz。該芯片垂直方向尺寸19.5mm，水平方向15.2mm。因為CCD掃描器和漂流擴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（100）P型Si襯底上，垂直CCD和水平CCD都設計成埋溝型。它們具有重疊雙層PS電極。用于圖像和存儲區(qū)的垂直CCD由四相時鐘脈沖驅動，水平CCD由二相時鐘脈沖驅動。CCD掃描器制備在一個（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%，因此光譜響應由光學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構成，光學透鏡的增透膜層也設計在為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在這個器件里，拍攝到的16384個像素中有162個死點?？沙上襁\動目標，因此我們可以認為對于非致冷紅外成像，128×128像素的PS熱電堆紅外焦平面陣列FPA的熱電堆技術是可行的。在這個器件里，拍攝到的16384個像素中有367.改進措施1．靈敏度一般來說又與電荷存儲能力的平方根成正比。如果用CMOS掃描器，其電荷存儲能力將是CCD的10倍或更多。7.改進措施1．靈敏度一般來說又與電荷存儲能力的平方根成正比372．

即使在熱電偶的個數(shù)減少的情況下也應該降低光闌的熱傳導率。據估計，如果熱電偶的對數(shù)從32降到1，熱傳導率就會降至原來的1/100，而靈敏度會擴大3倍，PS的熱傳導率也會降低，而塞貝克系數(shù)卻提高了。2．

即使在熱電偶的個數(shù)減少的情況下也應該降低光闌的熱傳導383．

為了提高分辨率，CCD的傳輸效率應該提高。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)域就會變小。因此，可以通過優(yōu)化CCD通道的摻雜剖面結構來提高干涉區(qū)域。3．

為了提高分辨率，CCD的傳輸效率應該提高。與5—1539總結優(yōu)點

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

2）使用冷接作為溫度基準，因此不需要溫度控制

總結優(yōu)點：40

器件的規(guī)格說明和性能參數(shù)

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