设计了一款64×64面阵规格、片上集成存储器的超高速红外焦平面数字读出集成电路,将其与中波红外焦平面探测器芯片进行了互连,成功研制出超高速64×64中波红外图像传感器。实验结果表明,所研制超高速红外图像传感器的帧频达到1 MHz,存储深度为100帧,对黑体温度呈现近似线性响应,具有优于3.6 K的温度分辨率。

研制出一款小像元10 μm中心距红外焦平面探测器CMOS（complementary metal oxide semiconductor）读出电路ROIC（read out integrated circuit）。读出电路设计包括积分后读出（integration then reading，ITR）和积分同时读出（integration while reading，IWR）模式，ITR模式下有2档增益，电荷满阱容量分别为4.3 Me?和1.6 Me?，其他功能包括抗晕、串口功能控制以及全芯片电注入测试功能。读出电路采用0.18 μm工艺，电源电压3.3 V，测试结果表现出良好的性能：在77 K条件下，全帧频100 Hz，读出电路噪声小于0.2 mV。本文介绍了该款读出电路设计的基本架构，分析了在小的积分电容下电路抗干扰能力的设计。在测试过程中，发现了盲元拖尾现象，分析了拖尾现象产生的原因，为解决拖尾现象设计了抗晕管栅压产生电路，最后给出了整个电路的测试结果。

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。

在读出电路有限的像元面积内获得尽可能大的电荷存储量是实现甚高灵敏度红外探测器的关键。基于脉冲频率调制的像元级模数转换(ADC)是实现甚高灵敏度红外探测器读出电路的主要方法, 阐述了像元级脉冲频率调制ADC的原理, 介绍了美国麻省理工学院林肯实验室、法国CEA-LETI在像元级数字读出电路的研究进展。作为从立体空间拓展电路密度的新技术, 介绍了三维读出电路的研究进展。最后介绍了昆明物理研究所甚高灵敏度红外探测器读出电路的研究进展。利用像元级ADC技术和数字域时间延迟积分(TDI)技术, 昆明物理研究所研制的长波512×8数字化TDI红外探测器组件, 峰值灵敏度达到1.5 mK。

红外焦平面的数字读出是信息化发展的必然方向, 其关键技术是数字读出电路。介绍了数字读出电路的发展现状和主要架构, 重点分析了时间噪声和空间噪声的来源和影响, 并给出低噪声设计指导。同时对线性度、动态范围和帧频等主要性能进行了讨论, 设计了两款数字读出电路。采用列级ADC数字读出架构设计了640×512数字焦平面探测器读出电路, 读出噪声测试结果为150 μV, 互连中波探测器测试NETD为13 mK。基于数字像元读出架构设计了384×288数字焦平面探测器读出电路, 互连长波探测器测试NETD小于4 mK, 动态范围超过90 dB, 帧频达到1 000 Hz。所设计的两款读出电路有效提升了红外焦平面的灵敏度、动态范围和帧频等性能, 表明数字读出电路技术对红外探测器性能的提升具有重要作用。