红外成像阵列与系统(8)

第六章热电型非致冷红外焦平面阵列介绍三方面内容：1.热电堆红外探测器2.128×128像素的热电堆红外焦平面阵列3.总结微辐射计可以分成两个大的设计类别：“一层”微辐射计包括一个与硅衬底等高的微电桥，通过一个硅底上的蚀刻槽进行隔热。“两层”微辐射计包括一个高于原始硅表面的微电桥，这样位于下方的硅是无损的。测辐射热计式像素大小硅电极传感器单层像素两层像素传感器电极硅像素大小一层和两层的微辐射计结构展示热释电式通过照相平板运算方法移去有机层的一部分，留下有机台以连接探测器的像素倒装焊信号电极普通电极混合热隔离结构的进化过程。ROIC,读出集成电路1非致冷红外探测器机理2.非致冷红外探测器设计方案间的比较热电堆测辐射热计热释电物理效应塞贝克效应载流子浓度迁移率介电极化强度探测对象温度梯度温度温度变化信号电压V电阻R极化强度Q温度控制不需要需要不需要/需要斩波器不需要不需要需要珀耳帖效应（1834）IT12T2种不同金属或半导体，通电接头处有吸放热现象Π12IdtdQ汤姆逊效应dxTT+dTI存在温度梯度，有电流，则除了产生和电阻有关的焦耳热，导体各部分会变冷变热，原来的温度分布就会改变。为维持原有的温度分布，导体各部分必须吸收或放出热量。dxdTIdxdQ3.塞贝克效应（1821）温差电流温差电动势温差电偶TVs•如果存在一个温差，热区有声子浓度增加，声子就会从热接扩散到冷接。由于电子和声子之间的碰撞，电子会受到声子的扩散电流带来的动量的影响，这种效应称为声子牵引效应，它将加速塞贝克效应。例子：N型半导体的塞贝克效应（2个机理）费米能级P型半导体，多数载流子是空穴，因此热电场的极性相反，换句话说，N型半导体的塞贝克系数的符号为正，而P型为负。对于一个本征半导体，电子浓度和空穴浓度都会增加，这样热接和冷接之间的电子和空穴浓度都会不同，而只有电子和空穴之间由浓度差异引起的移动才能产生塞贝克效应，而这个迁移率变化的差异比冻结范围小得多，因此这种情况较非本征情况发生塞贝克效应的几率小得多。热电堆:响应度和响应时间是测辐射热电偶的两个重要参数。但两者之间是互相制约的，不可能同时得到改善。较好的商品测辐射热电堆的低频探测率为1×109cmHz1/2W-1，响应时间从1---10ms。冷结热结屏板铜引线铜引线通常在设计热电偶时，着眼于响应度高，响应时间短和器件阻抗要合适。增加串联热电偶数目，可以提高响应速度，但降低了响应度，同时热电堆的噪声等效功率也会相应增加。不过，在热电堆中，每个热电偶受照面的热容量可以做得很小，而整体受照面比较大，这样可以使热电堆的性能优于热电偶。测辐射热电堆可分为两类：块状材料制成的器件薄膜器件4.不同的热电堆红外探测器（1）.密歇更大学,199132像素的线性热电堆红外探测器列。（2）.Sarro等人1988年10像素线性的热电堆红外探测器阵列（3）.德国物理技术大学1991,Volkein等人；P型（Bi1-xSbx）2Te3和N型Bi1-xSbx薄膜构成一个简单的热电堆.72个结点，500V/W响应率（4）.TH利用N型和P型PS作热电材料（5）.Honeywell120像素的线性热电堆红外图像传感器（6）.日本防御代办处和NEC制备128×128像素的热电堆IRFPA利用N型和P型PS为热电材料2.128×128像素的热电堆红外焦平面阵列测得PS的塞贝克系数掺杂浓度（CM-3)多晶硅的塞贝克系数其他金属的塞贝克系数：在00C的塞贝克系数：铂为4.4V/0C，铁为15.0V/0C，铋为110V/0C，锑为47V/0C。多晶硅热电堆红外探测器热电堆IRFPA像素结构硅底层制备在硅表面单片集成结构提高填充因子，67%80×84um×450nm气隙腐蚀1um牺牲层32对热结点位于隔膜中心，冷结点位于隔膜外延，该处的热传导很厉害，故冷结点的温度总是与底座相等，因此可认为它是一个热存储器。热结点和冷结点被Al层挡住以减小接触电阻。2.热电堆红外探测器的特性响应率V/W斩波频率Hz斩波频率与响应率的关系真空里带有金黑体的500K黑体3.信号读出电路热电堆读出晶体管便置电压积累电容信号读出电路。CCD，电荷耦合器件将来自于热电堆的电势差施加到读出的金属氧化物半导体晶体管（MOS）的栅极上，从而控制漏电流。源极接地，而漏极电流与存储电容器相连，即CCD本身。CCD容量是2×107个电子。热电堆的另一端和偏置电压相连。4.电荷耦合器件扫描器成像区存贮区水平CCD扫描部分由扫描成像的垂直CCD以及扫描存储区的垂直CCD和水平CCD组成，以及带有一个源跟踪放大器的漂流扩散输出。这种器件的帧速是120Hz。垂直CCD和水平CCD的时钟频率分别为17KHz和2.6MHz。该芯片垂直方向尺寸19.5mm，水平方向15.2mm。因为CCD扫描器和漂流扩散输出几乎没有噪声，因此主要噪声源是来自读出晶体管的散粒噪声。CCD扫描器制备在一个（100）P型Si衬底上，垂直CCD和水平CCD都设计成埋沟型。它们具有重叠双层PS电极。用于图像和存储区的垂直CCD由四相时钟脉冲驱动，水平CCD由二相时钟脉冲驱动。5.封装热电堆红外焦平面阵列的封装封装直径大小为41mm，高度14mm。在2～15μm波长由于作为红外吸收体的金黑体的吸收率大于90%，因此光谱响应由光学透镜和封装窗口的透射率决定。封装窗口由带有透射10μm波长增透膜的Ge构成，光学透镜的增透膜层也设计在为10μm波长左右。6.性能由128×128像素的热电堆红外焦平面阵列拍摄热区是白色区域。输出位移分布为22%，该值通过模拟和数字位移校正电路校正，但没有进行增益校正。阵列的平均噪声等效温差（NETD）在f/1.0透镜下为0.50C。分辨率主要受到垂直CCD和水平CCD上的电荷迁移效率低的限制在这个器件里，拍摄到的16384个像素中有162个死点。可成像运动目标，因此我们可以认为对于非致冷红外成像，128×128像素的PS热电堆红外焦平面阵列FPA的热电堆技术是可行的。7.改进措施1．灵敏度一般来说又与电荷存储能力的平方根成正比。如果用CMOS扫描器，其电荷存储能力将是CCD的10倍或更多。2．即使在热电偶的个数减少的情况下也应该降低光阑的热传导率。据估计，如果热电偶的对数从32降到1，热传导率就会降至原来的1/100，而灵敏度会扩大3倍，PS的热传导率也会降低，而塞贝克系数却提高了。3．为了提高分辨率，CCD的传输效率应该提高。与5—15m的可见光CCD图像传感器相比，100m的像素间距是很大的。如果每次传输的电荷传输长度很大，那么有助于电荷传输的干涉区域就会变小。因此，可以通过优化CCD通道的掺杂剖面结构来提高干涉区域。总结优点：1）PS用作热电材料，整个制备过程就可在硅的集成电路制备厂中生产，从而该技术可以实现低价和大规模生产2）使用冷接作为温度基准，因此不需要温度控制器件的规格说明和性能参数成像区128×128mm（V）象素数128（H）×128（V）象素尺寸100um（H）×100um（V）填充因子67%传感器方案热电堆传感器材料多晶硅扫描器电荷耦合器件噪声等效温差0.5K(f=1)