国产640_512非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制_雷述宇.pdf

第35卷 第12期 红 外 技 术 Vol.35 No.12 2013 年 12 月 Infrared Technology Dec.2013 759 材料与器件 国产 640512 非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制 雷述宇，方 辉，刘 俊，何 熙（北京广微积电科技有限公司，北京 100089）摘要：非制冷红外焦平面探测器可以应用到红外瞄准、红外侦查、安防监控、消防搜救等多领域。论述了国产 640512（20 m）氧化钒非制冷红外焦平面热辐射传感器的主要设计方法及技术参数，包括 MEMS 结构开发、读出电路设计、真空封装等关键技术，最终通过参数测试、车载成像验证了国产氧化钒非制冷红外探测器的性能指标可以满足民用、军用等领域的需求。关键词：氧化钒；焦平面阵列；微机电系统；读出电路设计 中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2013)12-0759-05 Research on Domestic 640512 Uncooled VOx Infrared Focal Plane Array LEI Shu-yu，FANG Hui，LIU Jun，HE Xi(Beijing Guangwei Integrated Circuits Inc.,Beijing 100089,China)Abstract：Uncooled infrared focal plane array（FPA）can be used in aiming,detecting,monitoring,searching and rescueing.This paper discusses the main designing method and parameters of 640512（20 m）VOx uncooled infrared FPA produced in North Guangwei Technology Inc.,including MEMS structure developing,read-out circuit designing,vacuum encapsulation and so on.Through parameters testing and imaging test,the performance of this product is proved to satisfy the civil and military use.Key words：VOx，focal plane array（FPA），MEMS，read-out circuit 0 引言 最近几十年间，红外热成像受到越来越广泛的关注，其核心技术红外探测器的研制已取得长足进展。非致冷红外探测器/微测辐射热计作为属于第三代的基于微机电系统 MEMS 技术的红外探测器，由于具有体积小、重量轻、功耗低、易携带、非制冷等优点，在工业、农业、国防、医疗、交通、环境保护等诸多领域具有非常广泛的应用前景1。非制冷红外探测器虽然在灵敏度方面与制冷型红外探测器还有一定差距，但是解决了红外探测组件价格长期居高不下的局面，为红外探测设备的小型化扫清了障碍，为红外探测技术开拓了广阔的民用和军用市场。国际上，非制冷红外焦平面阵列技术的发展趋势主要有 3 个：像元越来越小，从 45 m 减小到现在的 15 m，已经接近红外光学的衍射极限 13 m；阵列越来越大，从 160120 扩大到现在的 1 k1 k，甚至可能通过拼接做到 2 k2 k；噪声等效温差（NETD）越来越低，现在最好的 NETD 已经能做到30 mK。表 1 中比较了国外各大公司 640 系列的各种传感器的性能。国内进行非制冷红外焦平面阵列技术的研发起步较晚，整体水平落后国际先进水平近 10 年。研发团队致力于氧化钒非制冷红外探测器的开发，在国内首次实现了 VOx热敏材料、640512读出电路阵列、20 m 像元的非制冷式红外焦平面传感器的研发、生产。本文先从 MEMS 结构开发、读出电路设计两个方面概述了 640512（20 m）氧化钒非制冷红外探测器的设计，然后介绍了探测器的金属管壳真空封装，最终通过参数测试和成像测试，验证了相关产品的性能。收稿日期：2013-08-06；修订日期：2013-10-10.作者简介：雷述宇（1972-），男，博士，主要从事氧化钒非制冷红外焦平面探测器的设计、开发。E-mail：。第35卷 第12期 红 外 技 术 Vol.35 No.12 2013 年 12 月 Infrared Technology Dec.2013 760 1 640512（20 m）探测器设计 1.1 氧化钒（VOx）20 m 像元 MEMS 结构开发 氧化钒（VOx）薄膜是一种广泛应用于红外热成像探测的薄膜材料2。相比-Si，VOx具有电阻温度系数大，噪声小的特点，因此被广泛用作非制冷式红外焦平面传感器的热敏材料。全球的非制冷红外热像仪市场中，使用 VOx非制冷红外探测器的占80%以上。本传感器使用 MEMS 工艺制备的双层结构。其顶层是 SiNx/VOx/SiNx夹层结构形成的桥面，用于吸收入射的红外辐射并转化为热量，引起 VOx层的温度上升以及阻值的变化。该阻值变化通过桥臂读出，该桥臂结构从桥面引出、并与衬底连接，为SiNx/Ti/SiNx夹层结构。桥臂构成传感器的下层。传感器像元的 SEM 照片如图 1 所示。双层结构的优点是将实现吸收功能部分与实现热导功能部分分层，既可以提高填充因子，也可以增加桥臂长度。早期的红外热辐射传感器使用单层结构，其桥面到衬底反射层的真空间距通常设定为/4，以实现在某个特定波长下的最大吸收。而现在采用的双重结构，相当于在真空间隙中插入了一层桥臂，桥臂中的金属也会起到反射的作用，因此桥面与桥臂、桥臂与衬底之间的间距就不能简单地设计为/4，而是要根据光入射时通过的实际路径，按照各种路径所经过的各种膜系计算吸收率，并根据不同膜系的面积计算总的吸收功率，由此而获得最佳的真空间隙的距离。另外，还要考虑生长和去除牺牲层的工艺能力。通过这些综合考虑，可以优化传感器的红外吸收率。事实上，在一定的工艺窗口范围内，传感器的红外吸收率对真空间隙的高度并不是很敏感，这个特点与针对单一波长的法布里-珀罗谐振腔并不相同。由于采用双层结构，因此可以相对独立地设计桥臂的长度、宽度和膜层厚度，从而实现小的热导，从而得到较高的响应率和较低的噪声等效温差（NETD）。在本探测器中，桥臂的线宽达到 0.6 m，保证了小热导的实现。在红外热辐射传感器的设计中，热导对传感器的响应率和热响应时间的影响一直存在着本质上的 表 1 国外 640 系列非制冷红外热辐射传感器 Table 1 Specifications of 20 m20 m pixels 公司 型号 面阵规格 像元尺寸/m 帧频/Hz NETD/mK 热响应时间/ms 响应率/(mV/K)响应光谱/m 热敏 材料 DRS U6010 640480 17 30/6040 14-814 VOx SCD Bird640 640480 17 60 50 10 15 814 VOx NEC HX3100 640480 23.5 30 75 16-814 VOx ULIS UL04322-039 640480 17 30 55 10-814-Si FLIR Quark640 640512 17 30 50-7.513.5 VOx L-3 17-650 640480 17 30 50-7.513.5-SiGe 晶圆级封装 BAE MIM500X 640480 28 30 60-7.514 VOx 图 1 640512 非制冷红外热辐射传感器，20 m 像元中心距 Fig.1 20 m pitch of 640512 uncooled infrared FPA 第 35 卷 第 12 期 Vol.35 No.12 2013年12月 雷述宇等：国产640512非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制 Dec.2013 761 矛盾。热导越小，传感器桥面的温升就能越高，因此响应率就越大。但热导减小的时候，热响应时间就会增大。对于双层结构，这个矛盾尤其的明显，当桥面各膜层保持不变的时候，改变桥臂的热导，引起的NETD和热响应时间的变化基本上是互为反比关系的。但传感器的使用者是希望两个指标都越小越好。为了解决这个矛盾，就不能只针对热导。有两种方法可以解决这个问题。一是提高材料的电阻温度系数（TCR），这需要材料研究上的突破。近年来，有报道在氧化钒薄膜中掺钨，可以将 TCR 从2%/K 提高到5%/K，但掺杂对噪声的影响还未见报道，实际产品中也没有见到过任何一家公司有列出如此之高的 TCR。另一种有效的方式是降低桥面的热容，主要是通过减小薄膜的厚度和改变图形来实现，但这样有可能会降低桥面的吸收率，从而增大 NETD。因此，最终的设计方案就需要在 NETD和响应时间之间取一个折衷。640512 20 m 探测器的关键技术指标如表 2所示。从表 2 中可以看出，像元的 NETD 可以满足常用的民用及军用需求，已经到达国际上同类产品水平。1.2 ROIC 设计 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，而且这种小信号很易受到其它噪声的干扰，因此，选择和设计电路是焦平面热辐射传感器设计特别重要的方面之一3。非制冷 640512 氧化钒红外探测器读出采用阵列式的电路结构，是这种阵列形的电路结构，使读出电路中的噪声有别于其它的电子系统噪声4，在读出电路设计时，需要有针对性的进行噪声分析与抑制。其中，图 2 为读出电路的电路总体架构图，包括逻辑电路部分的中央时序控制器、行选和列选控制器、OCC 控制器以及模拟电路部分的温度传感器、14 bit 的 ADC、积分放大和模拟缓冲电路、OCC模块和偏压产生电路。相关模块的功能如下：1）中央时序控制器能够控制芯片所有的主要模块，主要功能包括产生控制行选和列选的信号、控制积分器的信号、控制OCC的信号和相关测试信号。2）温度传感器用来感应衬底温度，通过 TEC 的控制使衬底温度达到稳定。3）OCC 模块用来调节由传感器阻值的不均匀引起的失调，TCR 的非均匀性以及增益的非均匀性。4）阵列中的探测器的读取方式是逐行扫描，第N行的Vo的读出是在第N1行的积分时间内完成。表 2 20 m20 m 像元关键指标 Table 2 Key indicators of 20 m20 m pixels NETD/mK 热响应时间/ms 响应率/(mV/K)噪声/mV 响应范围/m 40 20 15 0.5 816 图 2 读出电路总体架构图 Fig.2 General structure of the readout circuit第35卷 第12期 红 外 技 术 Vol.35 No.12 2013 年 12 月 Infrared Technology Dec.2013 762 图 3 是探测器读出电路产生原理结构图，对于非制冷 640512 氧化钒红外焦平面探测器，其包含640 列积分电流产生电路、积分器以及输出缓冲第一级。其中每一列积分电流产生电路与 512 行探测器像元共用，通过行选开关控制其读出顺序。探测器感应温度，使得探测器阻值发生变化，引起积分电流变化。积分电流通过积分器积分产生电压并通过缓冲器输出到片外。积分器的增益由积分时间和积分电容来控制，改变积分时间和积分电容都可以得到不同的增益，这样就可以在动态范围和响应率之间进行折中。640512 阵列在 60 Hz 下工作时，模拟输出主频为10 MHz，并且需要有0.54.5 V的大动态范围，为了满足这个高速要求，读出电路的模拟输出buffer 采用了悬浮栅 class_AB 结构，使芯片在 40 pF负载电容下可以达到 10 MHz 输出主频和 70 dB 以上的动态范围。由于采用片上非均匀校正设计，数字输入主频需要提高到 120 MHz，如此高速的数字信号会对传感器的采集输出造成很大影响，因此我们在电路设计和布局布线上充分考虑了这方面的影响，采用同步设计、屏蔽高速数据线等方式，使数字信号的干扰减小到最低。2 封装 红外探测器的真空封装过程通常要涉及到多种不同材料之间的气密封接工作，工艺难度很大，封装成品率通常很低。传统的 MEMS 封装主要有金属封装，陶瓷封装和塑料封装 3 种形式，金属封装和陶瓷封装由于其导热性能好，气密性好等优点在一些单个器件的封装中经常使用5。本探测器采用了 KOVAR 合金作管壳的金属封装工艺，并确定了 KOVAR 金属管壳设计制备、零部件检测、高质量表面处理、VOx芯片组装、引线键合、吸气剂设计及焊接工艺等工艺点，解决了低成本及大批量真空排气技术、窗片金属化技术、气密性控制技术等 3 大技术难题，成功实现了对640512 20 m 非制冷式红外热辐射探测器芯片的真空封装，内部真空度50 mTorr，使用寿命10年。图 4 是封装后的探测器，其重量只有 25 g。3 器件性能 3.1 器件参数测试 640512 20 m 氧化钒红外探测器封装完成之后，依据国标 GB/T 13584-2011 和 GB/T 17444-1998对相关参数进行测试、统计。得到所有像元的响应率、噪声、NETD 的分布，如图 5(a)图 5(c)所示。我们可以看出阵列具有良好的均匀性和一致性。其中，图 5(a)反映了加工工艺的均匀性，探测器响应率的相对偏差为 4%，其分布呈不标准的高斯分布，并且有一定的不对称性，说明像元的某个参数很可能在阵列内有一个宏观的分布规律。图5(b)统计的噪声数据呈现良好的高斯分布规律，说明氧化钒的薄膜工艺均匀性的控制十分良好。图 5(c)显示了探测器关键参数指标 NETD 主要集中在 3550 mK 之间，性能良好。3.2 成像效果 为验证探测器的成像效果，搭载本探测器的红外热成像系统进行了车载试验，成像效果如图 6 所示。图 3 探测器读出电路产生原理结构图 Fig.3 Operational principle diagram of ROIC 第 35 卷 第 12 期 Vol.35 No.12 2013年12月 雷述宇等：国产640512非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制 Dec.2013 763 图 4 640512 非制冷式红外热辐射传感器 Fig.4 640512 uncooled IRFPA (a)响应率直方图，stdev0.5 mV/K (a)Responsivity histogram,stdev0.5 mV/K (b)噪声直方图，stdev35 V (b)Noise histogram,stdev35 V (c)NETD 直方图，stdev2.6 mK(c)NETD histogram,stdev2.6 mK 图 5 探测器测试参数分布图 Fig.5 Statistics of 640512 uncooled IRFPA 图 6 640512 非制冷式红外热辐射传感器热成像图片 Fig.6 Imaging of 640512 uncooled IRFPA 如图 6 所示，在完全黑暗的环境下，搭载本探测器的车载夜视系统可以分辨路上正在行驶的车辆，成像稳定、清晰。探测器可用于中等距离和在复杂气象条件下条件下对目标进行全天候地探测、识别烟雾和浓雾等，以及在使用人工干扰情况下的观察等领域6。4 结束语 国内已具备了设计、生产 640512 20 m 像元的氧化钒非制冷红外热辐射传感器芯片的能力，并进行了器件的真空封装。探测器响应率为 12 mV/K，NETD 接近 40 mK，热响应时间20 ms。未来，研发团队将进一步的开展增大阵列规模、减小像元尺寸、减小 NETD、缩短热响应时间等几个方面的研究工作，缩小与世界先进水平的差距。致谢 衷心感谢昆明物理研究所的杨文运、梁北雁、孔令德以及北京广微积电系统部冯涛、杨跃等同志给予的帮助和卓有成效的工作。参考文献：1 王彬.高灵敏氧化钒非制冷红外探测器研究D.武汉:华中科技大学,2012.2 马卫红,蔡长龙.射频磁控溅射制备氧化钒薄膜的研究J.应用光学,2012(1):159-163.3 张华斌,张庆中.红外焦平面阵列技术现状和发展趋势J.传感器世界,2005(5):6-10.4 张 宁,吴和然,周 云,等.基于三维噪声模型的非制冷红外焦平面读出电路的分析J.红外技术,2012,34(6):336-339.5 沈广平,秦明.MEMS 传感器的封装J.电子工业专用设备,2006(5):26-35.6 吴 铮,陆剑鸣,白丕绩,等.俄罗斯非制冷微测辐射热计红外热成像系统的发展状况J.红外技术,2011,33(8):443-449.