CMOS摄像器件和红外焦平面器

、CMOS摄摄像器件 1990s，CMOS技术术用于图图像传传感器，其优优点结结构简单简单 ，耗电电量是普通CCD的1/3，制造成本比CCD低，可将处处理电电路等完全集成。1、CMOS像素结结构 无源像素结结构，1967，Weckler无源像素单单元具有结结构简单简单 、像素填充率高及量子效率比较较高的优优点。但是，由于传输线电传输线电 容较较大，CMOS无源像素传传感器的读读出噪声较较高，而且随着像素数目增加，读读出速率加快，读读出噪声变变得更大。 无源像素型（PPS）和有源像素型（APS） 由一反向偏置光敏二极管和一个开关管构成，开关管开启，二极管与垂直列线线连连通，信号电电荷 读读出。有源像素结结构APS（Active Pixel Structure )光电电二极管型有源像素（PPAPS）1994，哥伦伦比亚亚大学 在像元内引入缓缓冲器或放大器，可改善像元性能，称为为有源像素传传感器。功耗小，量子效率高。每个像元有3个晶体管。大多数中低性能的应应用 。光栅栅型有源像素结结构（GPAPS）光栅栅型有源像素型CMOS每个像素5个晶体管，采用0.25um CMOS工艺艺允许许达到5um像素间间距，浮置扩扩散电电容的典型值为值为 10-14F量级级，产产生20uV/e的增益，读读出噪声可达5-20均方根电电子。成像质质量高。工作过过程： 光生信号电电荷积积分在光栅栅PG下，浮置扩扩散节节点A复位（电压电压 VDD）；然后改变变光栅栅脉冲，收集在光栅栅下的信号电电荷 转转移到扩扩散节节点。复位电压电压 水平与信号电压电压 水平之差即传传感器的输输出信号。p1997年，东东芝公司研制成功640*640像素光敏二极管型CMOS APS，像素尺寸umum，具有彩色滤滤色膜和微透镜阵镜阵 列。p2000年，美国Foveon公司和美国国家半导导体公司采用umCMOS工艺艺研制成功4096*4096像素CMOS APS，像素尺寸5um*5um，管芯尺寸22mm*22mm，是集成度最高，分辨率最高的CMOS固体摄摄像器件。 微透镜镜改善低光特性 CMOS APS图图像传传感器的功耗较较小。但与PPS相比，有源像素结结构的填充系数小，典型值为值为 20%-30%。像素尺寸减小后低光照下灵敏度迅速降低，采用滤滤色片和在CMOS上制作微透镜组镜组 合以及CMOS工艺艺的优势优势 ，前景好于CCD。p外界光照射像素阵阵列，产产生信号电电荷，行选选通逻逻辑单辑单 元选选通相应应的行像素单单元，单单元内信号电电荷通过过各自所在列总线传输总线传输 到对应对应 的模拟拟信号处处理器(ASP)及A/D变换变换 器，转换转换 成相应应的数字图图像信号输输出。p行选选通单单元扫扫描方式：逐行扫扫描和隔行扫扫描。 隔行扫扫描可以提高图图像的场频场频 ，但会降低图图像的清晰度。p行选选通逻辑单逻辑单 元和列选选通逻辑单逻辑单 元配合，可以实实现现图图像的窗口提取功能，读读出感兴兴趣窗口内像元的图图像信息。 2、CMOS摄摄像器件的总总体结结构MOS 摄摄像器件的工作原理：Y1 Y2信号输输出Y移位寄存器X 移位寄存器X1X2RLEMOS开关光电电二极管A/D数字信号输输出3、CMOS与CCD器件的比较较 CCD摄摄像器件p灵敏度高、噪声低、像素面积积小p难难与驱动电驱动电 路及信号处处理电电路单单片集成，需要使用相对对高的工作电压电压 ，制造成本比较较高 CMOS摄摄像器件p集成能力强、体积积小、工作电压单电压单 一、功耗低、动态动态 范围宽围宽 、抗辐辐射和制造成本低p需进进一步提高器件的信噪比和灵敏度CMOS与CCD器件的对对比 CCD vs. CMOSpIntegrationpPower Consumption pResolutionpImage Quality pSpeed pCostExcellent 20-50 mWUp to 12 MpixBeing improvedUp to thousands frame/s Poor2-5 WUp to 14 MpixHistorically bestUsually up to 100 frame/sNikon D100$2,500Canon 300D$800、红红外焦平面器件 第三代第三代红红红红外外热热热热像技像技术术术术 Infrared Focal Plane Arrays, IRFPA红红外热热像仪仪的基本结结构红红外热热像仪仪的核心-红红外焦平面器件克服了主动红动红 外夜视视需要依靠人工热辐热辐 射，并由此产产生容易自我暴露的缺点；克服了被动动微光夜视视完全依赖赖于环环境自然光和无光不能成像的缺点; 穿透烟雾雾和尘尘埃的能力很强；目标伪标伪 装困难难；远远距离、全天候观观察；有很高的温度灵敏度和较较高的空间间分辨能力热热成像技术术的优势优势 ： 由于这类这类 器件工作是一般安放在成像透镜镜的焦面上，所以它们们又被叫做红红外焦平面器件（IRFPA）。 成像透镜红红外焦平面器件结结构 1、IRFPAIRFPA的工作条件 pIRFPA通常工作于13um、35um和812um的红红外波段并多数探测测300K背景中的目标标;p红红外成像条件是在300K背景中探测测温度变变化为为的目标标; p随波长长的变长变长 ，背景辐辐射的光子密度增加。由普朗克定律计计算出红红外波段300K背景的光谱辐谱辐 射光子密度。p通常光子密度高于1013/cm2s的背景称为为高背景条件，p辐辐射对对比度背景温度变变化1K所引起光子通量变变化与整个光子通量的比值值，它随波长长增长长而减小。pIRFPA工作条件：高背景、低对对比度 1、IRFPA的工作条件 2 、IRFPA的分类类 p按照结结构可分为为单单片式和混合式p按照光学系统扫统扫 描方式可分为为扫扫描型和凝视视型p按照读读出电电路可分为为CCD、MOSFET和CID等类类型p按照制冷方式可分为为制冷型和非制冷型 1.13m波段 代表材料HgCdTe碲镉镉汞2.35m波段 代表材料HgCdTe、InSb锑锑化铟铟、 PtSi硅化铂铂3.812m 波段 代表材料HgCdTe p按照响应应波段与材料可分为为表：一些典型的各波段探测测器。 3、 IRFPA的结结构材料的红红外光谱谱响应应有利于电电荷的存储储与转转移红红外光敏部分信号处处理部分 目前没有能同时时很好地满满足二者要求的材料 IRFPA结结构多样样性单单片式混合式类类似于可见见光CCD，红红外光敏阵阵列和转转移机构同做在窄禁带带本征或掺杂掺杂 非本征半导导体材料上。混合式：红红外光敏做在上述半导导体材料上，信号处处理部分则则做在硅片上。两者之间间用导线连导线连 接。单单片式IRFPA 非本征硅（非本征硅（P P型）型）单单单单片式片式IRFPAIRFPA， 缺点：需制冷、响应度均匀性差。主要有三种主要有三种类类类类型型本征本征单单单单片式片式IRFPA IRFPA ， 缺点：转移效率低、响应均匀性差，存储容量较小。 肖特基肖特基势垒单势垒单势垒单势垒单 片式片式IRFPAIRFPA， 响应应均匀性好，但量子效率较较低。 混合式IRFPA p直接注入方式 是将探测测器阵阵列与转转移部分直接用导线导线 相连连。 特点：结结构简单简单 、功耗低，有直流成分。p间间接注入方式 是通过过缓缓冲级级（有源网络络）进进行连连接。 改善探测测器阵阵列同转转移部分的匹配性能。增加器件功耗，增大尺寸和工艺艺复杂杂性。 探测测器阵阵列采用窄禁带带本征半导导体材料制成，电电荷转转移部分用硅材料。如何建立联联系？电电学连连接方式：探测测器阵阵列与转转移部分的连连接：倒装式 互连连技术术：每个探测测器与多路传输传输 器对对准配接。p采用背照方式4、典型的IRFPA pInSb是一种比较较成熟的中波红红外探测测器材料。pInSb IRFPA是在InSb光伏型探测测器基础础上，采用多元器件工艺艺制成焦平面阵阵列，然后与信号处处理电电路进进行混合集成。p采用前光照结结构的132、1128、1256、1512的线线列IRFPA和背光照结结构的5862、128128、256256、640480、10241024的面阵阵IRFPA InSb IRFPAHg1-xCdxTe IRFPA p通常HgCdTe IRFPA是由HgCdTe光伏探测测器阵阵列和CCD或MOSFET读读出电电路通过铟过铟 柱互连连而组组成混合式结结构。pHgCdTe IRFPA的像素尺寸目前可作到1818um2 HgCdTe材料是目前最重要的红红外探测测器材料，研制与发发展HgCdTe IRFPA是目前的主要方向。基本基本结结结结构构p用于空间间成像光谱仪谱仪 的10241024短波(um) HgCdTe IRFPA；p用于战术导弹寻战术导弹寻 的器和战战略预预警、监视监视 系统统的640480的中波(35um ) HgCdTe IRFPA；p应应用十分广泛的长长波(812um) HgCdTe IRFPA；p目前4N系列（4288、4480、4960）的扫扫描型和6464、128128、640480凝视视型的HgCdTe IRFPA已批量生产产。 主要主要类别类别类别类别硅肖特基势垒势垒 IRFPA p已实现实现 了256256、512512、640480、10241024、19681968等多种型号的器件p硅肖特基势垒势垒 IRFPA的像素目前可作到1717um2 硅肖特基势垒势垒 IRFPA目前已被广泛应应用于近红红外与中红红外波段的热热成像，目前唯一利用已成熟的硅超大规规模集成电电路技术术制造的红红外传传感器。非制冷IRFPA p热释电热释电 探测测器阵阵列p测辐测辐 射热计阵热计阵 列，热释电热释电 氧化钒钒、非晶硅等 多量子阱（MQW）IRFPA p先进进的晶体材料外延工艺艺，在一定的衬衬底材料上，用这这两种工艺艺交替地淀积积两种不同半导导体薄层层，周期性结结构，薄层层厚度从几个到几十个原子层层，形成一种全新的材料，称为为超晶格材料，性质质取决于A和B的性质质及它们们的层层厚，性能也与原来大不相同。分I I、IIII、IIIIII类类类类三种超晶格材料。p工作原理 ：利用子带间带间 的电电子吸收红红外辐辐射跃跃迁，在外电电路作用下形成光电电流，适宜于制作长长波红红外探测测器。p优优点：稳稳定性好、抗辐辐射能力强，均匀性好。多晶硅非制冷焦平面（UFPA） 制冷HgCdTe Micro bolometer 320256（ 320240） 30m30m 45 m 45m 3.7m4.8m 812 m法国法国SOFRADIRSOFRADIR公司探公司探测测测测器器