高性能17mm非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制

李 煜，方 辉，谭 果，李军利，郭健海，史 晔，何 熙，冯 涛，张海军



高性能17mm非制冷氧化钒红外焦平面探测器的研制

李 煜1,2，方 辉1，谭 果1，李军利1，郭健海1，史 晔1，何 熙1，冯 涛1，张海军1

（1. 北方广微科技有限公司，北京 100089；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

研制出一款640×512高性能17mm非制冷氧化钒红外焦平面探测器。读出电路输入级采用镜像电路获得盲像元（d）和感光像元（s）电流差的积分电流（int），并能够有效抑制输入偏压噪声；同时采用逐行积分、逐列读出模式。氧化钒采用单层微桥工艺；像元桥臂间距缩至0.8mm，以尽可能增大桥面及VO面积，有效提高像元响应率。器件采用高可靠性的金属真空封装。测试结果表明，器件的噪声等效温差（NETD）小于45mK，响应率大于15mV/K，热响应时间小于10ms。

非制冷；红外焦平面；氧化钒；读出电路

0 引言

自20世纪90年代，非制冷红外热像仪相较于制冷型红外热像仪，具有低成本、低功耗、小型化、易使用、易维护等优点，迅速进入军、民用领域。至今，非制冷焦平面产品已发展到中、大规模640×512、1024×768阵列，像素尺寸缩小到17mm甚至到12mm（BAE的TWV640），噪声等效温差（NETD）降低到30mK @F/1以下，帧频提高到60Hz（640×512规格），以及宽波段（中波和长波），120Hz高帧频的非制冷探测器也逐渐形成产品[1-8]。

随着非制冷探测器的应用领域不断延伸，各大厂商的各种规格非制冷探测器出货量猛增，尤其640×512（480）规格、17mm中心距这款探测器，更是独占鳌头。厂商的工艺稳定、成熟，给用户在性能、数量、价格等方面提供了保证，这种规格的产品成为非制冷红外焦平面探测器的典型产品。国内外几乎所有非制冷探测器厂家，均推出了此款产品。国内外该系列产品呈现如下特点：①规格上大多是640×480，②热敏材料VO和a-Si一同发展，③帧频一般有30Hz、60Hz可选，以满足不同应用需求，④NETD大都小于50mK，⑤热响应时间大都在12ms以下。同时，由于探测器的用户需求以及探测器厂家的技术差异，导致这系列探测器的输出方式模拟、数字均有，金属、陶瓷、晶圆级等封装方式并存，各厂家产品之间的通用性、兼容性、互换性差。国外640系列中心距为17mm的产品参见表1[1-8]，国内640系列中心距为17mm的产品参见表2[9-11]。

北方广微推出的这款640×512 VO红外焦平面组件产品，读出电路输入级采用镜像电路模式，采用了像素级、列级片上非均匀校正（OCC）技术；设计并开发了高响应的单层VO微桥器件工艺，同时优化桥臂宽度、间距，以达到最大的热辐射吸收面积，使17mm中心矩的像元获得了较低噪声等效温差（NETD）。组件采用金属真空封装，具有更好的环境适应性、可靠性，可广泛用于各种平台的热成像系统。

表1 国外640（17mm）系列非制冷红外探测器

表2 国内640系列非制冷红外探测器

1 640×512（中心距17mm）探测器设计

1.1 探测器总体设计

红外探测器组件主要有：VO微测辐射热计、硅读出电路、真空封装等。热辐射聚焦到焦平面阵列上，微桥阵列的红外吸收层吸收红外能量后温度发生变化，从而引起微桥热敏层电阻值发生相应的改变；读出电路将像元的电阻变化通过恒压偏置转换为电流信号，电流信号通过积分器进行放大，将放大的信号通过并-串转换，再经过缓冲放大输出到片外；真空封装保持微桥阵列在真空环境、相对稳定温度下工作。VO微测辐射热计设计主要涉及桥臂桥面设计、VO图形设计、膜层厚度设计等；读出电路设计主要是像元级、列级等片上非均匀预校正设计，偏置电路、镜像电路、积分电路、输出级等模块的低噪声低功耗设计；真空封装设计主要有结构设计、金属管壳、盖板、锗窗、半导体恒温器（TEC）等部件设计。示意图参见图1。

图1 探测器组件构成示意图

根据探测器组件主要指标，如阵列规模、中心距、噪声等效温差（NETD）、帧频、功耗等，进一步把指标分解到读出电路、MEMS、封装等各个部件。探测器阵列规模、中心距决定了读出电路芯片尺寸，并制约了读出电路加工工艺的选取；MEMS的工艺水平决定了MEMS的理论模型与指标计算。探测器的噪声、功耗主要由读出电路和MEMS两部分贡献；为了达到器件工作的帧频，读出电路首先要满足该帧频工作，并且输出通道数与读出速率指标相互约束，MEMS的最大热响应时间也因此确定；根据工艺建立的模型及结构设计，仿真计算出MEMS的热容、热导等指标，最后得到器件的噪声等效温差。读出电路、MEMS分解的主要指标分别如表3和表4。

1.2 读出电路设计

读出电路用于将MEMS像元感受到辐射转化的电阻变化并读出。通过把MEMS像元的电阻变化通过恒压偏置转换为电流信号，采用积分器进行积分放大转换成电压信号，并存储、选通以及模拟缓冲器输出。

表3 640×512 (17mm) ROIC分解指标

表4 640×512 (17mm)MEMS分解指标

在读出电路片上有高精度、低噪声的半导体温度传感器用于将芯片的温度反馈到半导体恒温器控制系统中，从而实现对衬底温度准确稳定地控制。还包含有传感器像元非均匀校正电路，通过查找、计算获得每个探测器像元的合适偏压，每个像元偏压确定后将固化成OCC数据文档。器件使用时，通过探测器端口输入OCC数据来校正在传感器制造过程中不可避免的传感器像元的不均匀性，包括阻值、TCR、红外吸收、热容、热导等不均匀性。通过片上非均匀校正，使探测器组件满足NETD、动态范围、响应率均匀性等性能指标。

此款非制冷读出电路是低功耗、低噪声的混合电路，采用全定制设计方法设计。

1.2.1 模拟信号通道设计

640×512读出电路的模拟信号通道如图2所示。主要包括3部分：镜像电路、积分器和输出buffer。镜像电路的功能主要是将盲像元（d）和感光像元（s）的电流相减得到积分电流（int），同时能够对结点sk、eb和gnd输入偏置电压的噪声进行一定抑制。镜像电路包括d、s、多个盲像元级联（dm）和多个感光像元级联（sm）等4个氧化钒电阻以及对应的饱和管1、2、1m和2m。s是探测单元电阻，能够随外界目标的红外辐射变化而变化。d和dm是盲像元，其温度约等于衬底温度，与目标温度无关。

读出电路需要对MEMS传感器进行恒压偏置，进而读出相应的电流变化，并在偏置过程中不产生额外的噪声和干扰，采用镜像电路这种结构对偏置电压的噪声和干扰有一定的抑制作用。

积分器的作用是将电流积分，转化成电压，起到了放大和滤波的作用。每列一个，一共640个。输出buffer的作用是通过列选开关，将一行积分器的电压按顺序输出，可多列共用一个buffer。

模拟输出o的表达式(1)为：

式中：bd是d的偏压；bs是s的偏压。

1.2.2 总体架构设计

图3给出了640×512读出电路的结构框图，此ROIC 主要由以下几部分组成：640×512阵列电路、列积分电路模块、列级缓存器、输出级、偏置电压产生模块、中央控制器模块、行/列选通器、OCC控制及转换模块等。

读出电路不仅具有像素级偏置补偿功能，可对焦平面阵列中的每一个像素进行校正，使输出信号达到比较好的一致性；而且具有探测器偏置调节器，可在焦平面校正后偏置漂移时及时校正。同时，配置字输入口，可输入串行配置字，修改芯片的工作模式，可以方便地修改积分时间、积分电容、偏置电压等，增加了读出电路应用的灵活性。

1.2.3 版图布局设计

640×512读出电路版图设计基于0.5mm DPTM标准CMOS 工艺，读出电路属于典型的数模混合集成电路，又是大规模阵列电路，如何保证阵列的一致性、行列之间的均匀性，是设计的重点和难点。由于阵列中心矩为17mm，因此每行、列的宽度也只有17mm，如此窄的宽度无法让所有连线都通过，如何规划各个电路模块的位置更是一个挑战。

在保证阵列行列版图完全一致，优化进入阵列、行电路、列电路的关键偏置电源线，采用类似二叉树的方式，避免偏压在、方向的宏观趋势。特别是高阻点最容易受数字时钟干扰，采用电源或地线立体屏蔽。同时增加保护环，降低数字电路对模拟电路的干扰。

为了提高电路的成品率，以及电路的抗干扰、抗静电释放（ESD）的能力。强化冗余度的设计，加强ESD及峰值电流的保护设计，增加电源和偏压的去耦能力。同时，合理布局使电路的功耗尽量均匀分布。

图4为整体电路版图，布局与图3一致，方向从下到上依次是OCC电路、氧化钒电阻阵列、积分器和buffer。总的芯片尺寸是14.6mm×15.7mm。

1.3 VOx微桥结构及工艺设计

根据探测器组件的技术指标要求，结合目前的工艺水平，进行17mm像元的桥臂、桥面设计，再根据NETD、热响应时间模型对VO面积和厚度进行优化，并对桥臂、桥面其他各层厚度进行优化。具体设计流程如图5所示。

图2 640×512读出电路信号通道示意图

Fig.2 Schematic Diagram Signal Channel of the 640×512 ROIC

图3 640×512读出电路结构框图

Fig.3 Architecture of the 640×512 ROIC

图4 640×512（17mm）读出电路版图

Fig.4 Layout of 640×512 ROIC

图5 MEMS设计的流程

Fig.5 Process of MEMS Design

设计除考虑技术指标外，还同时兼顾环境适宜性、可靠性、可测试性、工艺可行性、成本，以及与读出电路接口等原则。

1.3.1 探测单元版图设计

该款17mm像元探测器的MEMS采用单层结构，其冲击和振动特性优于双层结构，单层结构的可靠性已在多种型号的探测器上得到验证。根据工艺规则，将像元桥臂间距缩至工艺允许尺寸，以尽可能增大桥面面积和VO面积，最后得到的图形如图6所示。

图6 中心距17mm像元示意图

1.3.2 桥臂、桥面厚度设计

对于单层结构，桥面为SiN/VO/SiN夹层结构，用于吸收红外辐射并转化为焦耳热，引起VO层温度的升高及阻值变化。桥臂为SiN/Ti/SiN夹层结构，连接桥面与桥墩到读出电路（ROIC），读出VO阻值变化。

由于桥面大小受限，吸收面积上难再提高，只有通过提高单位面积吸收率使像元吸收功率得到提高。根据VO和Ti等材料参数，通过建模、仿真，计算出桥臂Ti、桥面VO的厚度，可以分别计算出像元的桥臂热导、桥面热导和桥面热容，最终得到像元的热响应时间。根据像元结构、各层厚度和膜系红外吸收谱可估算探测单元在20℃和35℃黑体辐射下的吸收功率差。根据优化设计的桥臂长度、宽度，选取合理的膜层厚度，可实现较高的响应率以及较低的噪声等效温差。

1.3.3 MEMS像元噪声计算

Sensor的噪声主要由Johnson噪声（Johnson）、Flick噪声（Flick）、Thermal噪声（Thermal）组成[12]。Sensor的总噪声为：

式中：

式中：为玻尔兹曼常数；2＝1/(2×i)、1＝0.01Hz；i为积分时间；为像元热容参数。K为VO材料结构参数；b为像元偏压。初步估算，MEMS总噪声小于0.4mV。

1.4 可测试设计

由于640×512读出电路是复杂的模数混合电路，为了判断各个具体功能模块是否按设计要求工作，以及分析电路失效部位、失效原因等，方便改进设计和修正错误，提高可靠性。整个读出电路设计了正常工作模式、电路测试模式、半成品测试及筛选模式等。

读出电路的测试性设计包括两方面，数字部分的测试性设计和模拟电路的测试性设计。数字部分的测试通过操作模式数据以及对应的译码器实现，能将多个感兴趣的数字信号通过开关连接到数字测试引脚，方便用户调试。模拟部分的测试也可以通过操作模式数据及译码器实现，将感兴趣的模拟信号通过开关连接到模拟测试引脚。

读出电路芯片的边缘做有PCM区，可作为MEMS设计、MEMS工艺的验证测试单元，并可测试热响应时间和电阻等。

1.5 封装设计

640×512（中心矩17mm）探测器使用金属管壳、TEC和吸气剂的封装方式，直接使用小锗窗与盖板焊接好后再和管壳钎焊。金属壳体主要从结构设计、材料选择、制备工艺等方面开展研制工作。不仅在理论上能够达到最优的高强度性能，而且在工艺实现方面，通过改善金属壳体的焊接手段、健全焊点检测工艺、提高零部件的加工精度及装配精度来保证金属壳体的高强度性能。通过小体积多层布线陶瓷引线块和高强度集成式陶瓷金属管壳的研究，开发出满足使用要求的陶瓷金属封装。

TEC由冷片、热片、PN结例子和引线组成；窗片使用全通小锗窗，其窗片大小由Sensor区域面积决定，内外都镀增透膜；盖板采用铁镍合金制成，盖板镂空区域的中心点和贴片后的Sensor的中心点重合。将焊接好的锗窗和盖板平行缝焊至半成品的管壳上，经过后续工艺，得到封装好的探测器。探测器封装示意图如图7。

图7 小锗窗封装探测器示意图

2 器件制备及半成品筛选

2.1 器件制备

读出电路通过测试后，经过清洗、反射层制备、牺牲层涂胶、氮化硅沉积、VO薄膜沉积、干法刻蚀、牺牲层释放等工艺，制备出微桥结构的MEMS器件。VO薄膜不仅具有高的TCR、合适的方块电阻，还要有致密的微观相结构、稳定的加工重复性和平滑的电阻温度特性。由于钒呈现多种稳定的化学价态，其氧化物在自然界有多达13种不同的相结构[13]，半导体性质的VO薄膜沉积工艺窗口非常窄，薄膜性质很容易在金属-半导体-绝缘介质间变化，VO薄膜的厚度和方阻的非均匀性是生长过程中的核心工艺参数，直接与最终产品的非均匀性、盲元、NETD指标相关联。红外辐射的吸收主要在桥面区域（SiN/VO/SiN）的三明治结构，作为微机械支撑和热绝缘的SiN薄膜的应力对MEMS结构的光、热、电、机械等性能影响较大。桥面、桥臂等图形的特征尺寸及边缘刻蚀质量也会严重影响器件的电学、机械性能。

因此，在工艺过程中重点解决低应力SiN薄膜、高质量VO薄膜、低缺陷牺牲层的制备，以及氧化钒及桥墩刻蚀、高精度光刻等工艺。同时，依据工艺模型仿真来优化、平衡各膜系厚度，实现了器件高响应率、低NETD，并具有较高的成品率和批次一致性。主要工艺流程如图8。17mm像元MEMS照片如图9。像元的热响应时间大约为8.5ms，如图10所示。

图8 MEMS（17 mm）主要工艺流程

图9 640×512（17mm）MEMS照片

图10 像元热响应时间

2.2 半成品筛选

MEMS制备好后，就要裂片、封装，最后制备出探测器组件。其中，有一个重要环节，就是半成品测试筛选，挑出性能合格的管芯，进入封装工艺。半成品测试主要是MEMS微桥在非真空环境下的电性能测试。选取合理的测试参数、判断标准，以便快速筛选出可以封装成合格器件的芯片。封装后的探测器组件照片如图11所示。

3 性能及成像

依据国标GB/T 13584-2011和GB/T 17444-1998对640×512（17mm）氧化钒红外探测器的相关参数进行测试，从中抽取5支探测器统计如表3。

图11 640×512（17mm）非制冷焦平面探测器

表3 非制冷型640×512（17mm）氧化钒红外探测器参数测试统计表

图12 探测器无效像元分布图

图13和图14是随机抽取一支探测器的响应率和时间噪声分布图。噪声的分布接近高斯分布，但响应率的分布与高斯分布有些偏差，还需要进一步提高工艺控制。

图13 探测器响应率直方图（5pF, 25ms）

图14 探测器时间噪声直方图（5pF, 25ms）

图15是探测器对人脸的成像图片，仅仅只做了去坏点和直方均衡操作。画面比较细腻，人的五官、头发和眉毛以及手掌残留的热量都清晰可见，边缘锐利，对比度高，整体成像效果很好。

图15 640×512（17mm）非制冷探测器成像图片

图16是随机抽取一个生产批的探测器NETD的直方图统计，可以看出产品的批次一致性较好，NETD主要分布在43mK～47mK之间。

图16 非制冷640×512（17mm）红外探测器生产批的NETD的直方图

4 结论

研制出的640×512（17mm）氧化钒红外探测器具有低NETD、较高响应率。而且实现批量化订单生产，成品率较高，产品性能分布集中。该探测器可适用于各个军民领域，同时该探测器的系列技术可扩展到1024×768等更大规格，及14mm像素及以下的探测器组件开发，有效地提升了非制冷VO焦平面探测器开发的设计和工艺能力。

致谢

衷心感谢李璟、李中伟、马丽丽、刘国辉、李帅、杨跃等北方广微科技有限公司“640×512（17mm）氧化钒红外探测器”项目组成员给予的支持和卓越的工作。

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Development of High-Performance 17mm Uncooled VOInfrared Focal Plane Array

LI Yu1,2，FANG Hui1，TAN Guo1，LI Junli1，GUO Jianhai1，SHI Ye1，HE Xi1，FENG Tao1，ZHANG Haijun1

(1.,100089,; 2.,650223,)

A 640×512 high-performance 17mm uncooled VOinfrared focal plane detector is developed. A readout integrated circuit (ROIC) in the input stage uses mirror circuits to obtain the difference between the currents flowing through the blind pixel (d) and photosensitive pixels (s), which is the integrating current (int), and can effectively reduce the noise contribution of input bias voltages; furthermore, the ROIC adopts a rolling-shutter mode for integration and a pixel-by-pixel mode for readout. In order to increase the responsivity and decrease the negative electron-transfer dissociation (NETD), the pixel bridge arm spacing is reduced to 0.8mm and the sensitive area of VOis maximized. The device uses a high-reliability metal vacuum package. The experimental results show that the NETD of the device is less than 45mK, the corresponding responsivity is greater than 15mV/K, and the thermal time constant is less than 10ms.

uncooled，IRFPA，VO，ROIC，NETD

TN215

A

1001-8891(2017)09-0785-09

2016-06-23；

2017-09-04.

李煜（1975-），男，四川武胜人，研究员级高工，主要从事红外焦平面探测器及系统信号处理技术研究。E-mail：yu.li@gwic.com.cn。