非制冷紅外焦平面CMOS讀出電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究.pdf

1、與制冷紅外成像系統(tǒng)相比，非制冷紅外成像系統(tǒng)可在室溫工作，省掉了昂貴且笨重的制冷設(shè)備，從而大大減小了系統(tǒng)的體積、成本和功耗；此外，還可提供更寬的頻譜響應(yīng)和更長(zhǎng)的工作時(shí)間。國外研制機(jī)構(gòu)已經(jīng)為軍事用戶提供了大量成本更低、可靠性更高的高靈敏非制冷紅外成像儀。
　　但我國的非制冷紅外成像研究與生產(chǎn)起步較晚，且受到工業(yè)基礎(chǔ)制約，技術(shù)遠(yuǎn)滯后于國外，而市場(chǎng)需求卻日益增加，因此發(fā)展非制冷紅外成像技術(shù)已刻不容緩。本文基于以上背景，針對(duì)非制冷紅外成像系

2、統(tǒng)的核心器件——CMOS焦平面讀出電路（ROIC）展開了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究。
　　首先在充分了解國內(nèi)外最新研究動(dòng)態(tài)后，作者作為主研參與了國家973 XXX項(xiàng)目（編號(hào)：51313XXX），自主設(shè)計(jì)并流片驗(yàn)證了單片式320×240非制冷熱釋電紅外焦平面陣列（IRFPA）讀出電路，特別是自主設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了單片式耐高溫非制冷紅外CMOS讀出電路的工藝流程，解決了鐵電探測(cè)材料高溫退火與CMOS工藝不兼容的問題。之后作者作為主研又研制了另外兩款具有

3、廣闊市場(chǎng)前景的紅外CMOS焦平面讀出電路，即非制冷微測(cè)輻射熱計(jì)160×120讀出電路，以及非制冷短波紅外320×256多功能快照式讀出電路。
　　在以上課題研究中，針對(duì)不同類型的非制冷紅外探測(cè)器，自主設(shè)計(jì)了相適應(yīng)的讀出電路結(jié)構(gòu)，并全面考慮版圖、工藝以及對(duì)探測(cè)器的接口等問題。
　　本文主要的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　1、在鐵電型非制冷紅外讀出電路研制中，提出了一種與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容的耐熔金屬硅化物連線結(jié)構(gòu)，并通過320

4、×240大陣列讀出電路的設(shè)計(jì)、流片及測(cè)試驗(yàn)證，獲得了有良好耐高溫特性的低阻互連線結(jié)構(gòu)，解決了鐵電型IRFPA的單片集成耐高溫問題。經(jīng)查新驗(yàn)證，此方法國內(nèi)外未見報(bào)道，已申請(qǐng)中國發(fā)明專利并獲授權(quán)，專利號(hào)：200610021450.4。
　　2、針對(duì)熱釋電探測(cè)單元是阻抗極高的容性元件，提出了一種基于有源電阻的電阻反饋跨導(dǎo)放大型（RTIA）紅外焦平面讀出電路結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)采用亞閾區(qū)MOS管實(shí)現(xiàn)1011Ω以上的有源大電阻，能與熱釋電紅外探測(cè)器

5、的阻抗良好匹配，結(jié)合兩管共源放大器對(duì)熱釋電微弱信號(hào)進(jìn)行高增益電流放大。相對(duì)于采用特殊高阻材料的RTIA，本電路不附加材料和工藝，且所采用的三管前置讀出結(jié)構(gòu)適用于大陣列熱釋電焦平面探測(cè)器。
　　3、基于前述第2點(diǎn)提到的RTIA，提出采用淺耗盡管（Native MOSFET）作為有源大反饋電阻實(shí)現(xiàn)RTIA，因?yàn)镹ative MOS在工藝流程中不增加掩膜版，而且相比工作在亞閾區(qū)的增強(qiáng)型MOS，Native MOS的柵極直接接地，省去了偏

6、置電路，且增強(qiáng)了電阻穩(wěn)定性。
　　4、在非制冷短波320×256紅外焦平面讀出電路研制中，本文采用了應(yīng)用更廣泛的快照工作模式，即要求陣列中的所有探測(cè)單元同時(shí)積分，并將積分信號(hào)保存在單元內(nèi)部后讀出。雖然這種模式可以自由調(diào)節(jié)積分時(shí)間，使信號(hào)增強(qiáng)，滿足高分辨率、高靈敏度、高速紅外探測(cè)需求；但是在芯片設(shè)計(jì)中，要求有限的像元面積內(nèi)包含積分放大電路和采樣保持電路。而作者在缺乏參考資料和設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的情況下，完成了該芯片的自主設(shè)計(jì)和流片驗(yàn)證，采用共