带衬底温度补偿的微测辐射热计读出电路

　　非致冷微测辐射热计(Uncooled Microbolometer,UMB)由于其功耗低、重量轻、体积紧凑,开机预热时间短及成本低,对于红外探测器的推广应用具有很大意义,在军事和民用领域拥有广阔的应用前景.霍尼韦尔传感器及系统开发中心、波音公司雷声先进红外中心(IRCOE)、络克西德·马丁公司、FLIR系统及休斯圣巴巴拉研究中心SBRC等都是非致冷红外热成像技术领域的先驱,已经有320×240的微测辐射热计摄像仪销售, 640×480的UMB也已经研制成功.中科院长春光机所于1995年利用微机械加工技术研究成功微测辐射热计阵列,噪声等效温差NETD为0. 3 K;上海技物所于1997年报道了其研制的非晶硅材料微测辐射热计,探测率D*达到2×108cm·Hz1/2·W-1;华中科大也报道了128元的氧化钒薄膜UMB,对8~12μm红外波段的响应率104V/W,探测率2×108cm·Hz1/2·W-1[1];兵器211所、电子44所和清华大学微电子所等也都在开展相关工作.

　　受到制作的材料、工艺等因素的影响,UMB探测阵列的非均匀性比较大(远大于10% ).非均匀性的存在不仅要求传感器的接口电路具有很大的动态范围,而且降低成像质量,必须通过校正来改善非均匀性.但是传统的两点校正方案只在一个近乎恒定的衬底温度下才能工作良好.因此通常要使用精密控温装置来稳定温度,这会增加系统的成本、体积和复杂性.笔者提出一种用于UMB的CMOS读出电路,该电路在读出信号的同时能够补偿衬底温度的影响,放宽非均匀性校正对衬底温度的要求.

　　1　微测辐射热计的读出电路结构

　　首先建立微测辐射热计的SPICE模型,以便在EDA软件里面进行热学和电学的混合仿真.在上世纪就开始利用热学和电学的类比仿真来研究集成电路中衬底温度的稳定问题及微型热传感器中的热分布[2-4],称之为“电热仿真”,也就是使用等效电路来模拟器件的热行为的一种仿真方法.图1是根据UMB单元热平衡方程(1),并结合读出电路建立的SPICE模型.其中,Pj是探测元产生的焦耳热,Ts是热沉温度,Td是探测元温度.

　　图1中P_infrared是红外辐照功率;焦耳热Pj的大小与微测辐射热计电流(或电压)、电阻值和TCR有关;它会引起UMB的非线性行为,甚至会损坏UMB,需要尽量的减小.仿真中探测元的参数采用文献[5]的参数中,UMB为负温度系数,方程(2)是电阻与温度的关系.图2是对探测单元施加0. 4 V的脉冲偏置电压,在不同的红外辐照下的电流.

　　需要对探测元施加电压或电流,将其电阻变化转换为电信号读出,微测辐射热计的读出方式有恒流、恒压和分压式等[6].CTIA结构的读出方式将变化电流进行积分,可以使用较小的偏置就得到较大的响应率,并且能够克服列线电容的影响.