非制冷红外焦平面CMOS读出电路设计与实现研究

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与制冷红外成像系统相比,非制冷红外成像系统可在室温工作,省掉了昂贵且笨重的制冷设备,从而大大减小了系统的体积、成本和功耗;此外,还可提供更宽的频谱响应和更长的工作时间。国外研制机构已经为军事用户提供了大量成本更低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。但我国的非制冷红外成像研究与生产起步较晚,且受到工业基础制约,技术远滞后于国外,而市场需求却日益增加,因此发展非制冷红外成像技术已刻不容缓。本文基于以上背景,针对非制冷红外成像系统的核心器件——CMOS焦平面读出电路(ROIC)展开了设计与实现研究。首先在充分了解国内外最新研究动态后,作者作为主研参与了国家973 XXX项目(编号:51313XXX),自主设计并流片验证了单片式320×240非制冷热释电红外焦平面阵列(IRFPA)读出电路,特别是自主设计并验证了单片式耐高温非制冷红外CMOS读出电路的工艺流程,解决了铁电探测材料高温退火与CMOS工艺不兼容的问题。之后作者作为主研又研制了另外两款具有广阔市场前景的红外CMOS焦平面读出电路,即非制冷微测辐射热计160×120读出电路,以及非制冷短波红外320×256多功能快照式读出电路。在以上课题研究中,针对不同类型的非制冷红外探测器,自主设计了相适应的读出电路结构,并全面考虑版图、工艺以及对探测器的接口等问题。本文主要的贡献和创新点如下:1、在铁电型非制冷红外读出电路研制中,提出了一种与标准CMOS工艺兼容的耐熔金属硅化物连线结构,并通过320×240大阵列读出电路的设计、流片及测试验证,获得了有良好耐高温特性的低阻互连线结构,解决了铁电型IRFPA的单片集成耐高温问题。经查新验证,此方法国内外未见报道,已申请中国发明专利并获授权,专利号:200610021450.4。2、针对热释电探测单元是阻抗极高的容性元件,提出了一种基于有源电阻的电阻反馈跨导放大型(RTIA)红外焦平面读出电路结构,该设计采用亚阈区MOS管实现1011Ω以上的有源大电阻,能与热释电红外探测器的阻抗良好匹配,结合两管共源放大器对热释电微弱信号进行高增益电流放大。相对于采用特殊高阻材料的RTIA,本电路不附加材料和工艺,且所采用的三管前置读出结构适用于大阵列热释电焦平面探测器。3、基于前述第2点提到的RTIA,提出采用浅耗尽管(Native MOSFET)作为有源大反馈电阻实现RTIA,因为Native MOS在工艺流程中不增加掩膜版,而且相比工作在亚阈区的增强型MOS,Native MOS的栅极直接接地,省去了偏置电路,且增强了电阻稳定性。4、在非制冷短波320×256红外焦平面读出电路研制中,本文采用了应用更广泛的快照工作模式,即要求阵列中的所有探测单元同时积分,并将积分信号保存在单元内部后读出。虽然这种模式可以自由调节积分时间,使信号增强,满足高分辨率、高灵敏度、高速红外探测需求;但是在芯片设计中,要求有限的像元面积内包含积分放大电路和采样保持电路。而作者在缺乏参考资料和设计细节的情况下,完成了该芯片的自主设计和流片验证,采用共源共栅(Cascode)电容反馈跨导放大(CTIA)结构代替传统两级运放CTIA,并同时在30×30μm2像元面积内集成采样保持电路、缓冲器、反饱和功能,实现了快照式读出,通过调节积分电容和积分时间,可将动态范围成倍扩展。同时,基于格雷码原理设计的控制电路,实现了动态窗口读出,图像翻转,1、2、4路输出等多种实用功能。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-9页
第一章 绪论第14-26页
    1.1 非制冷红外成像技术第14-17页
    1.2 非制冷红外焦平面 CMOS 读出电路第17-21页
    1.3 国内外研究进展第21-23页
    1.4 本文的主要工作及内容安排第23-26页
        1.4.1 主要工作和创新第23-24页
        1.4.2 论文内容安排第24-26页
第二章 非制冷热释电320×240 读出电路设计与实现第26-61页
    2.1 热释电探测原理介绍第26-29页
    2.2 热释电探测器国内外发展动态第29-31页
    2.3 热释电读出电路设计第31-39页
        2.3.1 热释电读出电路整体设计第31-37页
        2.3.2 热释电读出电路仿真分析第37-39页
    2.4 热释电读出电路耐高温设计第39-53页
        2.4.1 版图设计第39-43页
        2.4.2 耐高温工艺设计第43-52页
        2.4.3 小结第52-53页
    2.5 热释电 RTIA 读出电路设计第53-59页
        2.5.1 亚阈区RTIA 前置放大电路设计第53-55页
        2.5.2 亚阈区RTIA 测试结果及分析第55-58页
        2.5.3 Native MOS RTIA 设计与仿真分析第58-59页
    2.6 本章小结第59-61页
第三章 微测辐射热计160×120 读出电路设计与实现第61-102页
    3.1 微测辐射热计探测原理及发展方向第61-63页
    3.2 微测辐射热计模型建立第63-69页
    3.3 微测辐射热计读出电路设计第69-91页
        3.3.1 微测辐射热计读出电路整体设计第69-73页
        3.3.2 微测辐射热计读出电路模块设计第73-91页
    3.4 微测辐射热计读出电路版图设计第91-95页
    3.5 芯片测试结果及分析第95-101页
    3.6 本章小结第101-102页
第四章 短波红外320×256 快照式读出电路设计与实现第102-135页
    4.1 短波红外探测原理第102-106页
        4.1.1 短波红外介绍第102-103页
        4.1.2 短波红外焦平面探测技术第103-105页
        4.1.3 短波红外成像技术进展第105-106页
    4.2 短波红外320×256 读出电路设计第106-124页
        4.2.1 短波红外读出电路整体设计第106-108页
        4.2.2 短波红外读出电路模块设计第108-123页
        4.2.3 短波红外读出电路全仿真第123-124页
    4.3 短波红外读出电路版图设计第124-129页
    4.4 短波读出电路测试结果及分析第129-133页
    4.5 本章小结第133-135页
第五章 结论第135-137页
致谢第137-138页
参考文献第138-146页
博士在学期间的研究成果第146-148页
    一、已发表、录用的论文第146-147页
    二、参与的科研工作第147-148页
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