红外焦平⾯阵列技术现状和发展趋势
⼀、引⾔
⾃从1800年赫谢尔利⽤⽔银温度计制作的最原始的热敏探测器发现了红外辐射以来[1]，⼈们就开始不断运⽤各种⽅法对红外辐射进⾏检测，并根据红外光的特点⽽加以应⽤，相继制成了各种红外探测器，如热敏型辐射探测器（温差电偶探测器、电阻测辐射热计、热释电探测器）和半导体光电探测器（光电导探测器、光伏型探测器等）。最初，⼈们只能以单个探测单元通过光机扫描的⽅式并协同低温制冷器来实现图像探测；后来，则出现了探测单元数⽬在⼀万以上，且⾃带有信号读出电路的⼆维N×M元焦平⾯阵列(FPA)探测器；⽽现今，集成了探测器后续信号处理电路，包括信号读出电路、前放、模数转换器等的第三代被称为“灵巧”（smart）凝视的⼤阵列焦平⾯也已开始崭露头⾓[2]。
红外焦平⾯热像仪是⼀种可探测⽬标的红外辐射，并能通过光电转换、电信号处理等⼿段，将⽬标物体的温度分布图像转换成视频图像的设备，是集光、机、电等尖端技术于⼀体的⾼科技产品。因其具有较强的抗⼲扰能⼒，隐蔽性能好、跟踪、制导精度⾼等优点，在军事领域获得了⼴泛的应⽤。⽬前许多国家，尤其是美国等西⽅军事发达国家，都花费⼤量的⼈⼒、物⼒和财⼒进⾏此⽅⾯的研究与开发，并获得了成功[3、4]。
⼆、红外焦平⾯阵列原理、分类
1、红外焦平⾯阵列原理
焦平⾯探测器的焦平⾯上排列着感光元件阵列，从⽆限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平⾯的这些感光元件上，探测器将接受到光信号转换为电信号并进⾏积分放⼤、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。
2、红外焦平⾯阵列分类
（1）根据制冷⽅式划分
根据制冷⽅式，红外焦平⾯阵列可分为制冷型和⾮制冷型。制冷型红外焦平⾯⽬前主要采⽤杜⽡瓶/快速起动节流致冷器集成体和杜⽡瓶/斯特林循环致冷器集成体[5]。由于背景温度与探测温度之间的对⽐度将决定探测器的理想分辨率，所以为了提⾼探测仪的精度就必须⼤幅度的降低背景温度。当前制冷型的探测器其探测率达到～1011cmHz1/2W-1，⽽⾮制冷型的探测器为
～109cmHz1/2W-1，相差为两个数量级。不仅如此，它们的其他性能也有很⼤的差别，前者的响应速度是微秒级⽽后者是毫秒级。
（2）依照光辐射与物质相互作⽤原理划分
依此条件，红外探测器可分为光⼦探测器与热探测器两⼤类。光⼦探测器是基于光⼦与物质相互作⽤所引起的光电效应为原理的⼀类探测器，包括光电⼦发射探测器和半导体光电探测器，其特点是探测灵敏度⾼、响应速度快、对波长的探测选择性敏感，但光⼦探测器⼀般⼯作在较低的环境温度下，需要致冷器件。热探测器是基于光辐射作⽤的热效应原理的⼀类探测器，包括利⽤温差电效应制成的测辐射热电偶或热电堆，利⽤物体体电阻对温度的敏感性制成的测辐射热敏电阻探测器和以热电晶体的热释电效应为根据的热释电探测器。这类探测器的共同特点是：⽆选择性探测（对所有波长光辐射有⼤致相同的探测灵敏度），但它们多数⼯作在室温条件下[6]。
（3）按照结构形式划分
红外焦平⾯阵列器件由红外探测器阵列部分和读出电路部分组成。因此，按照结构形式分类，红外焦平⾯阵列可分为单⽚式和混成式两种[7]。其中，单⽚式集成在⼀个硅衬底上，即读出电路和探测器都使⽤相同的材料，如图1所⽰。混成式是指红外探测器和读出电路分别选⽤两种材料，如红外探测器使⽤HgCdTe，读出电路使⽤Si。混成式主要分为倒装式（图2(a)）
和Z平⾯式（图2(b)）两种。
（4）按成像⽅式划分
红外焦平⾯阵列分为扫描型和凝视型两种，其区别在于扫描型⼀般采⽤时间延迟积分（TDI）技术，采⽤串⾏⽅式对电信号进⾏读取；凝视型式则利⽤了⼆维形成⼀张图像，⽆需延迟积分，采⽤并⾏⽅式对电信号进⾏读取。凝视型成像速度⽐扫描型成像速度快，但是其需要的成本⾼，电路也很复杂。
（5）根据波长划分
由于运⽤卫星及其它空间⼯具，通过⼤⽓层对地球表⾯⽬标进⾏探测，只有穿过⼤⽓层的红外线才会被探测到。⼈们发现了三个重要的⼤⽓窗⼝：1mm～3mm的短波红外、3mm～5mm的中波红外、8mm～14mm的长波红外，由此产⽣三种不同波长的探测器。
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三、读出电路
读出电路是红外焦平⾯阵列当中的⼗分重要的环节。对于周围物体的⿊体辐射，被测物体的辐射信号相当微⼩，电流⼤⼩为纳安或者是⽪安级，要把这么⼩的信号读出可不是⼀件容易的事，尤其这种⼩信号很易受到其它噪声的⼲扰，因此，选择和设计电路就成为特别重要的⽅⾯。
1、⾃积分型读出电路（SI ROIC）
在所有读出电路结构中，⾃积分（SI）电路（图3）最为简单，仅有⼀个
MOS 开关元件，其象元⾯积可以做得很⼩。在 SI 电路中，光⽣电流
（或电荷）直接在与探测器并联的电容上积分，然后通过多路传输器输
出积分信号。此读出电路的输出信号通常是取其电荷⽽⾮电压，其后接
电荷放⼤器，在每帧结束时需由象元外的电路对积分电容进⾏复位。积分电容主要为探测器⾃⾝的电容，但也包括与之相连的⼀些杂散电容。在某些探测器中，此电容可能是⾮线性的（如光电⼆极管的结电容），随积分电荷的增加，其会造成探测器的偏置发⽣变化，可能引起输出信号的⾮线性。该电路的另⼀个缺点是⽆信号增益，易受多路传输器和列放⼤器的噪声⼲扰。
2、源随器型读出电路（SFD ROIC）
为了给多路传输器提供电压信号，并增加驱动能
⼒，往往在 SI 后加缓冲放⼤器。实现此功能的通
常⽅法是在每个探测器后接⼀MOSFET 源随器
（SFD），即构成源随器型读出电路（图4）。源
随器型读出电路是⼀种直接积分的⾼阻抗放⼤器，
探测器偏压由复位电平决定，故不存在探测器偏压
初值不均匀的问题，但偏压会随积分时间和积分电
流变化，引起探测器偏置变化。SFD电路在很低背
景下具有较满意的信噪⽐，但在中、⾼背景下，与
SI 读出电路⼀样，其也有严重的输出信号⾮线性问
题。复位 MOS 开关会带来 KTC 噪声，⽽源随器
MOS 管的 1/f 噪声和沟道热噪声也是主要的噪声
源。
3、直接注⼊读出电路（DI ROIC）
直接注⼊（DI）电路（图5）是第⼆代探测器（即探测器阵列）使⽤最早的读出前置放⼤器之⼀。它⾸先⽤于 CCD 红外焦平⾯阵列，现也⽤于 CMOS 红外焦平⾯阵列。在此电路中，探测器电流通过注⼊管向积分电容充电，实现电流到电压的转换，电压增益的⼤⼩主要与积分电容的⼤⼩有关，当然也受电源电压的限制。此电路在中、⾼背景辐射下，注⼊管的跨导（g m）较⼤，这主要是因积分电流较⼤的缘故。此时，读出电路输⼊阻抗较低，光⽣电流的注⼊效率相对较⾼。在低背景下，因注⼊管的跨导减⼩，使读出电路的输⼊阻抗增⼤，会降低光⽣电流的注⼊效率。在⼀定的范围内，DI 电路的响应基本上是线性的。但因各象元注⼊管阈值电压的不均匀性，会在焦平⾯阵列输出信号中引⼊空间噪声，因⽽抑制焦平⾯阵列的空间噪声是⼀个⾮常棘⼿的问题。
4、反馈增强直接注⼊读出电路（FEDI ROIC）
反馈增强直接注⼊电路（FEDI）以 DI 读出电路为基础，在注⼊管栅极和探测器间跨接⼀反相放⼤器（图6），其⽬的是在低背景下，进⼀步降低读出电路的输⼊阻抗，从⽽提⾼注⼊效率和改善频率响应。视反馈放⼤器的增益不同，FEDI的最⼩⼯作光⼦通量范围可以⽐ DI 低⼀个或⼏个数量级，响应的线性范围也⽐ DI 的更宽。但象元的功耗和⾯积也随之增加了，⾯积的增加对现在⽇益发展的光刻技术
并⾮什么⼤问题，但功耗的增⼤就很不利。
5、电流镜栅调制读出电路（CM ROIC）
电流镜栅调制电路（CM）可使读出电路在更⾼的背景辐射条件下⼯作（图7）。通常，读出电路的积分电容是在象元电路内，因受⾯积的限制，故不可能做得很⼤。在⾼背景的应⽤中，很⼤的背景辐射电流可使积分电容电压很快地处于饱和状态，从⽽使读出电路失去探测信号的功能。CM 读出电路可避免这种情况的发⽣，这种电路的电流增益与探测器输出电流的平⽅根成反⽐例关系，即随探测器输出电流的增⼤，电流增益⾃动减⼩。但是，CM 电路不能为探测器提供稳定和均匀的偏置，其响应也是⾮线性的。因⽽，此读出电路的总体性能受限。
6、电阻负载栅调制读出电路（RL ROIC）
电阻负载栅极调制电路（RL）的构造思想和⽬的与 CM ⼏乎⼀样
（图8），其效果也差不多，只是因⽤电阻替代了 MOS 管，可使象元 1/f
噪声更⼩，并提⾼了探测器偏压的均匀性。由于⼤电阻的制造与数字
CMOS ⼯艺是不兼容的，RL 的阻值不可能很⼤。此外，因电路结构的
原因，当探测器电流很⼩时，此读出电路的均匀性和线性度都相当差。
在⼤多数的应⽤中，需要对其输出增益和偏移进⾏校正才能获得满意的
效果，故此类读出电路不见常⽤。
7、电容反馈跨阻抗放⼤器（CTIA ROIC）
CTIA 是由运放和反馈积分电容构成的⼀种复位积分器（图9），探测
器电流在反馈电容上积分，其增益⼤⼩由积分电容确定。它可以提供很
低的探测器输⼊阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很⾼的背景
范围内，都具有⾮常低的噪声。且输出信号的线性度也很好。此电路的
功耗和芯⽚⾯积较⼀般的电路⼤，复位开关也会带来 CKT 噪声，这也许
是它众多优良性能中的⼀点不⾜之处。
8、电阻反馈跨阻放⼤器（RTIA ROIC）
RTIA 和 CTIA 相似，只是由电阻代替了积分电容和复位开关
（图10）。此电路⽆积分功能，故只能提供与探测器电流成⽐例的连续
输出电压，如要提供⾼的输出增益，需要⼤的反馈电阻，但⼤的电阻占
⽤芯⽚⾯积⼤，且不适宜数字 CMOS ⼯艺。因此，读出电路阵列⼏乎不
⽤此电路结构。
thaad以上是⼋种典型读出电路的性能和特点，可根据不同的应⽤和性能需求
进⾏选⽤。当然，其中某些性能参数也不是⼀成不变的，可随⼯艺⽔平
的发展⽽变化，如单元⾯积和成本会随集成电路⼯艺的进步⽽得到缓
解。最后要指出的是，这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍⽣出新的性能更好的读出电路。
四、国内外发展状况简述
我国⾮致冷焦平⾯阵列技术已初步取得进展。1995年，中国科学院长春光学精密机械研究所利⽤微机械加⼯技术研制成功了低成本线阵32×128象元硅微测热辐射计阵列，其噪声等效温差（NETD）为0.3K，存储时间为1ms。⽽由中国科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项⽬已于2000年12⽉通过中国科学院上海分院鉴定[8]。该项⽬采⽤新⼯艺制备
的Ba x Sr1-x TiO3铁电薄膜材料性能达到国际领先⽔平。1987年，美国TI公司演⽰的第⼀代⾮致冷热释电探测器所使⽤的就是这种铁电薄膜材料。这些研究成果表明，我国的⾮致冷热成像技术还有很⼤的潜⼒。
⽬前，我国在⾮致冷红外热成像⽅⾯的研究主要集中在部分⾼等院校和研究院所。这些研究单位主要进⾏探测器阵列及其⼯艺的研究。⽽众多的经营⾮致冷红外热像仪的公司⼤部分只停留在制作⼀些外围设备和开发⼀些软件的业务上。
在美国、法国和英国等发达国家，单⾊红外焦平⾯器件的技术已经基本成熟，以 288×4 长波和256×256中波为代表的焦平⾯器件已基本取代了多元光导线列通⽤组件。256×256 元碲镉汞焦平⾯探测器已经装备美国AGM-130 空对地导弹，320×256 元碲镉汞焦平⾯探测器在欧洲 Storm Shadow/Scalp E-G 空对地上开始应⽤，256×256 元 InSb 焦平⾯装备了以⾊列箭-2 反导系统及美国标准Ⅱ-ⅣA 导弹，640×512 元 InSb 美国战区⾼空区域防御系统拦截
弹(THAAD)；640×480 元 InSb 热成像仪则装备了 F-22、V-22、F18-E/F 等战机。
在上个世纪 90 年代中期，发展多⾊焦平⾯列阵（MSFPAs）的概念得到了美军⽅的⾼度重视，其投⼊⼤量资⾦开展 MSFPAs 技术研究，预计到 2010 年，新型⼤规模焦平⾯列阵 MSFPAs 将成为美军提⾼信息获取能⼒的主要⼿段之⼀。
在向更⼤规模的凝视型⾯阵焦平⾯探测器、双⾊探测器发展的历程中，长波器件已达到
640×480 元的规模，中、短波器件达到了 2048×2048 的规模，长线阵的扫描型焦平⾯因其在空间对地观测⽅⾯的需求受到了⾼度地重视。美国预警卫星采⽤了 6000 元的超长线列双⾊中、短波焦平⾯器件，美国⼤⽓红外深度探测仪采⽤了 4000元长波扫描焦平⾯器件[9]，法国的SPOT4 卫星采⽤了 3000 元的短波扫描焦平⾯器件。法国 Sofradir 公司研制成了 1500 元长线列中长波焦平⾯器件[10]。2000 年， Raytheon/Hughes 研制了长波/长波双⾊焦平⾯器件，该器件采⽤分⼦束外延碲镉汞异质结材料，
⽤反应离⼦刻蚀（RIE）技术形成光敏元，规模达
到128×128，40mm 中⼼距，读出电路（ROIC）采 0.8 mm 设CMOS 计规则，采⽤ foundry 加⼯模式，实现了同时光谱积分。
2001 年，美国Rockwell公司研制出了128×128元长波/短波、中波/中波双⾊焦平⾯器件。该器件采⽤了分⼦束外延碲镉汞多层材料，为单极型探测器结构，其探测率分别为6.0×1011
cmHz1/2W－1 (长波)，1.6×1012 cmHz1/2W-1(短波)。
2000 年法国 Leti/LIR公司研制出了短波/中波双⾊焦平⾯器件，DRS 公司⽤“via-hole”的独特技术获得了双⾊探测器，⽽ Leti/Sofradia 公司也已经获得了碲镉汞双⾊探测器焦平⾯列阵。
五、展望
根据红外焦平⾯阵列在军事、民⽤等⽅⾯的要求，未来红外焦平⾯阵列的主要发展⽅向为：（1）集成化—探测器材料与电路集成，杜⽡与制冷、光.机.电的集成；
（2）长线列如6000×1(美国已经⽤于⾼空预警机)，⼤⾯阵如2048×2048（中短
波）、640×480（长波）；
（3）⼩型化、重量轻、容易携带；
（4）双⾊、多光谱；
（5）⾼温化(如300K常温使⽤)；
（6）智能化—对于不同的⽬标能⾃动调节窗⼝。
红外成像属于技术密集度⾼、投资强度⼤、研究周期长、应⽤前景⼴泛的⾼技术产业，因此，只有相关单位打破单位界限和⾏业界限，分⼯协作，集中国内已有的技术⼒量和充分利⽤先进技术、发挥优势、组织联合攻关，才能确保此⾏业在我国在的顺利发展。
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The Present Development And Status Of Infrared Focus Plane Array Technology Abstract : Infrared thermal imaging technology is main detection method for country security, which has been widely applied in satellite, missile, fighter plane and so on. At one time, the uncooled infrared image technology is applied in industry, medical treatment and others more and more with the development of technology and the deep decrease of production cost especially. The theory. structure and sort of infrared focus plane array are described in this paper in wich the emphasises are analyzing all kinds of characteristics of read-out circuit and comparing world-wide research and production works .
Keywords: uncooled; thermal image; infrared focus plane array
作者简介：
张华斌，四川成都电⼦科技⼤学硕⼠研究⽣，研究⽅向为微电⼦电路及应⽤。
通讯地址：四川成都电⼦科技⼤学微电⼦与固体电⼦学院 |
邮编：610054
：028－83202564 136********
张庆中，四川成都电⼦科技⼤学微电⼦与固体电⼦学院副教授，导师，从事⾼频⼤功率器件、半导体传感器、特种半导体器件、微电⼦⼯艺技术研究。
参考⽂献：
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