红外焦平面阵列原理及其分类

6.电阻负载栅调制读出电路（rl roic）

电阻负载栅极调制电路（rl）的构造思想和目的与 cm 几乎一样（图8），其效果也差不多，只是因用电阻替代了 mos 管，可使象元 1/f 噪声更小，并提高了探测器偏压的均匀性。由于大电阻的制造与数字 cmos 工艺是不兼容的，rl 的阻值不可能很大。此外，因电路结构的原因，当探测器电流很小时，此读出电路的均匀性和线性度都相当差。在大多数的应用中，需要对其输出增益和偏移进行校正才能获得满意的效果，故此类读出电路不见常用。

7.电容反馈跨阻抗放大器（ctia roic）

ctia 是由运放和反馈积分电容构成的一种复位积分器（图9），探测器电流在反馈电容上积分，其增益大小由积分电容确定。它可以提供很低的探测器输入阻抗和恒定的探测器偏置电压，在从很低到很高的背景范围内，都具有非常低的噪声。且输出信号的线性度也很好。此电路的功耗和芯片面积较一般的电路大，复位开关也会带来 ckt 噪声，这也许是它众多优良性能中的一点不足之处。

8.电阻反馈跨阻放大器（rtia roic）

rtia 和 ctia 相似，只是由电阻代替了积分电容和复位开关（图10）。此电路无积分功能，故只能提供与探测器电流成比例的连续输出电压，如要提供高的输出增益，需要大的反馈电阻，但大的电阻占用芯片面积大，且不适宜数字 cmos 工艺。因此，读出电路阵列几乎不用此电路结构。

以上是八种典型读出电路的性能和特点，可根据不同的应用和性能需求进行选用。当然，其中某些性能参数也不是一成不变的，可随工艺水平的发展而变化，如单元面积和成本会随集成电路工艺的进步而得到缓解。最后要指出的是，这些基本电路形式通过某些变化和组合可衍生出新的性能更好的读出电路。

四.国内外发展状况简述

我国非致冷焦平面阵列技术已初步取得进展。1995年，中国科学院长春光学精密机械研究所利用微机械加工技术研制成功了低成本线阵32×128象元硅微测热辐射计阵列，其噪声等效温差（netd）为0.3k，存储时间为1ms。而由中国科学院上海技术物理研究所承担的钛酸锶钡铁电薄膜材料研究项目已于2000年12月通过中国科学院上海分院鉴定[8] 。该项目采用新工艺制备的baxsr1-xtio3铁电薄膜材料性能达到国际领先水平。1987年，美国ti公司演示的第一代非致冷热释电探测器所使用的就是这种铁电薄膜材料。这些研究成果表明，我国的非致冷热成像技术还有很大的潜力。

目前，我国在非致冷红外热成像方面的研究主要集中在部分高等院校和研究院所。这些研究单位主要进行探测器阵列及其工艺的研究。而众多的经营非致冷红外热像仪的公司大部分只停留在制作一些外围设备和开发一些软件的业务上。

在美国、法国和英国等发达国家，单色红外焦平面器件的技术已经基本成熟，以 288×4 长波和 256×256中波为代表的焦平面器件已基本取代了多元光导线列通用组件。256×256 元碲镉汞焦平面探测器已经装备美国agm-130 空对地导弹，320×256 元碲镉汞焦平面探测器在欧洲 storm shadow/scalp e-g 空对地巡航导弹上开始应用，256×256 元 insb 焦平面装备了以色列箭-2 反导系统及美国标准Ⅱ-Ⅳa 导弹，640×512 元 insb 美国战区高空区域防御系统拦截弹(thaad)；640×480 元 insb 热成像仪则装备了 f-22、v-22、f18-e/f 等战机。

在上个世纪 90 年代中期，发展多色焦平面列阵（msfpas）的概念得到了美军方的高度重视，其投入大量资金开展 msfpas 技术研究，预计到 2010 年，新型大规模焦平面列阵 msfpas 将成为美军提高信息获取能力的主要手段之一。

在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中，长波器件已达到 640×480 元的规模，中、短波器件达到了 2048×2048 的规模，长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到了高度地重视。美国预警卫星采用了 6000 元的超长线列双色中、短波焦平面器件，美国大气红外深度探测仪采用了 4000元长波扫描焦平面器件[9]，法国的 spot4 卫星采用了 3000 元的短波扫描焦平面器件。法国 sofradir 公司研制成了 1500 元长线列中长波焦平面器件[10]。2000 年， raytheon/hughes 研制了长波/长波双色焦平面器件，该器件采用分子束外延碲镉汞异质结材料，用反应离子刻蚀（rie）技术形成光敏元，规模达到128×128，40mm 中心距，读出电路（roic）采 0.8 mm 设cmos 计规则，采用 foundry 加工模式，实现了同时光谱积分。

2001 年，美国rockwell公司研制出了128×128元长波/短波、中波/中波双色焦平面器件。该器件采用了分子束外延碲镉汞多层材料，为单极型探测器结构，其探测率分别为 6.0×1011 cmhz1/2w－1 (长波)，1.6×1012 cmhz1/2w-1(短波)。

2000 年法国 leti/lir公司研制出了短波/中波双色焦平面器件，drs 公司用“via-hole”的独特技术获得了双色探测器，而 leti/sofradia 公司也已经获得了碲镉汞双色探测器焦平面列阵。