非制冷紅外焦平面CMOS讀出電路設計與實現研究.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和更長的工作時間。國外研制機構已經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起步較晚，且受到工業(yè)基礎制約，技術遠滯后于國外，而市場需求卻日益增加，因此發(fā)展非制冷紅外成像技術已刻不容緩。本文基于以上背景，針對非制冷紅外成像系

2、統(tǒng)的核心器件——CMOS焦平面讀出電路（ROIC）展開了設計與實現研究。
　　首先在充分了解國內外最新研究動態(tài)后，作者作為主研參與了國家973 XXX項目（編號：51313XXX），自主設計并流片驗證了單片式320×240非制冷熱釋電紅外焦平面陣列（IRFPA）讀出電路，特別是自主設計并驗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、廣闊市場前景的紅外CMOS焦平面讀出電路，即非制冷微測輻射熱計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，針對不同類型的非制冷紅外探測器，自主設計了相適應的讀出電路結構，并全面考慮版圖、工藝以及對探測器的接口等問題。
　　本文主要的貢獻和創(chuàng)新點如下：
　　1、在鐵電型非制冷紅外讀出電路研制中，提出了一種與標準CMOS工藝兼容的耐熔金屬硅化物連線結構，并通過320

4、×240大陣列讀出電路的設計、流片及測試驗證，獲得了有良好耐高溫特性的低阻互連線結構，解決了鐵電型IRFPA的單片集成耐高溫問題。經查新驗證，此方法國內外未見報道，已申請中國發(fā)明專利并獲授權，專利號：200610021450.4。
　　2、針對熱釋電探測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放大型（RTIA）紅外焦平面讀出電路結構，該設計采用亞閾區(qū)MOS管實現1011Ω以上的有源大電阻，能與熱釋電紅外探測器

5、的阻抗良好匹配，結合兩管共源放大器對熱釋電微弱信號進行高增益電流放大。相對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構適用于大陣列熱釋電焦平面探測器。
　　3、基于前述第2點提到的RTIA，提出采用淺耗盡管（Native MOSFET）作為有源大反饋電阻實現RTIA，因為Native MOS在工藝流程中不增加掩膜版，而且相比工作在亞閾區(qū)的增強型MOS，Native MOS的柵極直接接地，省去了偏

6、置電路，且增強了電阻穩(wěn)定性。
　　4、在非制冷短波320×256紅外焦平面讀出電路研制中，本文采用了應用更廣泛的快照工作模式，即要求陣列中的所有探測單元同時積分，并將積分信號保存在單元內部后讀出。雖然這種模式可以自由調節(jié)積分時間，使信號增強，滿足高分辨率、高靈敏度、高速紅外探測需求；但是在芯片設計中，要求有限的像元面積內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計細節(jié)的情況下，完成了該芯片的自主設計和流片驗證，采用共