高帧频红外焦平面探测器在红外**系统、光谱成像和高速测温中有着重要应用。目前,我国高帧频红外焦平面技术还比较落后,这严重制约着我国高端红外**装备、光谱成像技术、高速测温仪器的发展。针对高帧频红外成像应用,设计并流片加工了一款384×288面阵、像元间距为25 μm的数字读出电路,与长波HgCdTe红外探测器芯片进行倒装互连,形成混合探测器芯片,并封装于金属真空杜瓦中,再配置斯特林制冷机,成功研制出了高帧频384×288长波数字红外探测器组件。经测试,所研制器件最高帧频达到1012 Hz,噪声等效温差(NETD)为16.8 mK,动态范围达到95.2 dB。采用所研制器件成功捕捉到了打火机点火瞬间的红外图像,该图像清晰呈现了火焰产生、迸出的过程,获得了良好的成像效果。

太赫兹波成像技术在人体安检、医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。文中面向高速、高灵敏度和便携式太赫兹成像应用需求, 设计实现了一种基于AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管自混频检测机制的太赫兹焦平面成像传感器。该焦平面成像传感器由探测器阵列芯片和CMOS读出电路通过倒装互连实现, 阵列规模达到32×32。探测器阵列中具有对管差分功能的像元设计通过提高探测器的电压响应度和抑制共模电压噪声, 提高了焦平面成像的灵敏度。焦平面成像传感器的输出模拟信号通过片外的模数转换(ADC)芯片转化为数字信号, 由现场可编程门阵列(FPGA)采集后通过Camera Link图像数据与通信接口发送到计算机。利用该焦平面成像传感器, 演示实现了太赫兹光斑、太赫兹干涉环和太赫兹光照下的旋转塑料叶片的视频成像, 帧频达到30 Hz。

红外单光子探测因其超高的检测灵敏度和信噪比, 有效提升了弱光检测系统的性能水平。基于TSMC 0.35 μm CMOS工艺, 提出了一种阵列型数字式红外读出电路及其应用系统的设计方法。采用由OSC多相时钟构成的低段全局共享TDC和高段像素独享TDC的两段式阵列结构, 在170 MHz时钟频率下, 实测获得了小于1 ns的时间分辨率和3 μs的量程, 并在1 kHz的帧率下采用串行模式输出数据, 经相关数据处理, 最终实现测距轮廓成像的功能。

在过去数年里, 红外焦平面列阵( FPA)取得了显著进步, 近来的研发重点已经集中到硅读出集成电路( ROIC)上, 帧频增加、引入新型的信号处理功能是该领域的重要进展。因为优于具有模拟信号输出的探测器, 具有数字信号输出的 FPA备受关注。数模转换器( ADC)在芯片上的实现是数字 FPA的基础, 片上 ADC有三种结构, 即芯片级 ADC、列级 ADC和像元级 ADC。主要通过对部分有关英语文献资料的归纳分析, 介绍了数字化 FPA的发展动向和趋势。

设计了一款低噪声InGaAs焦平面读出电路.提出一种新型相关双采样电路结构, 可在边积分边读出模式下有效抑制积分电容(0.15 pF)的KTC噪声.电路经0.5 μm 5 V Nwell CMOS工艺流片, 测试结果符合设计目标, 在高帧频边积分边读出模式下工作状态良好, 电路噪声约1.7×10-4 V, 动态范围大于80 dB.

针对非制冷微悬臂梁电容式红外探测器, 设计了一款焦平面读出电路.根据电路噪声建模与分析, 对电路进行了优化设计以抑制噪声.采用0.35μm 的CMOS工艺设计, 制造了16×16读出电路原型.测试结果表明, 5V电源电压、50Hz帧频下电路总功耗为16.5mW, 典型工作模式下线性度为99.2%, 通道一致性大于97%, 等效输入噪声电荷小于150e.