国产640_512非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制_雷述宇VIP免费

第35卷第12期红外技术Vol.35No.122013年12月InfraredTechnologyDec.2013759〈材料与器件〉国产640×512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640×512（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)12-0759-05ResearchonDomestic640×512UncooledVOxInfraredFocalPlaneArrayLEIShu-yu，FANGHui，LIUJun，HEXi(BeijingGuangweiIntegratedCircuitsInc.,Beijing100089,China)Abstract：Uncooledinfraredfocalplanearray（FPA）canbeusedinaiming,detecting,monitoring,searchingandrescueing.Thispaperdiscussesthemaindesigningmethodandparametersof640×512（20m）VOxuncooledinfraredFPAproducedinNorthGuangweiTechnologyInc.,includingMEMSstructuredeveloping,read-outcircuitdesigning,vacuumencapsulationandsoon.Throughparameterstestingandimagingtest,theperformanceofthisproductisprovedtosatisfythecivilandmilitaryuse.Keywords：VOx，focalplanearray（FPA），MEMS，read-outcircuit0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160×120扩大到现在的1k×1k，甚至可能通过拼接做到2k×2k；噪声等效温差（NETD）越来越低，现在最好的NETD已经能做到30mK。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、640×512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640×512（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：shuyu.lei@gwic.com.cn。第35卷第12期红外技术Vol.35No.122013年12月InfraredTechnologyDec.20137601640×512（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...