摘要：根据“天问一号”火星矿物光谱仪短波红外探测组件小型化、轻量化、低功耗的需求,分析了红外探测器匹配性设计、集成式制冷机杜瓦适应性研制的难点。针对短波红外探测器高灵敏度、低温目标及多光谱探测需求的长积分时间模式的集成封装、抗大量级星器分离冲击等特点,提出了高信噪比探测器总体设计、具有噪声隔离和集成式冷平台结构设计、抗径向冲击的斜支撑结构设计等。解决了短波红外集成组件探测器低温下低热应力、长积分时间下干扰隔离、大量级力学加固、航天应用的高可靠性厚膜电路研制等关键技术。成功研制了短波碲镉汞探测器杜瓦制冷组件,并经过高低温循环、随机振动及机械冲击等严苛的空间环境热学力学适应性试验验证,试验前后组件性能未发生明显变化,满足火星矿物光谱仪工程化应用的要求。

摘要：集成冷光学的红外探测器杜瓦封装在中波、长波红外组件研制中具有重要意义,有利于抑制红外辐射背景、提升仪器灵敏度和集成度。提出了集成冷光学的中波、长波双波段探测器杜瓦组件,设计了一体化冷平台支撑、低漏热透镜支撑等新结构,解决了冷光学透镜组与探测器组合、双波段探测器透镜组之间高精度配准及高强度单点支撑钎焊等新工艺,建立了该冷光学集成组件杜瓦的冷面温度均匀性、双温区控制以及低热负载等关键参数。实现了杜瓦液氮热负载小于0.85 W,中波工作于73 K,冷面温度均匀性0.36 K,长波工作于65 K,冷面温度均匀性0.08 K,探测器与透镜组配准精度偏差优于±10μm,探测器光学模组间配准偏差优于±15μm。该新型杜瓦已通过一系列空间环境适应性试验验证,成功应用于风云四号系列气象卫星大气垂直探测仪中。

摘要：低温应用的大功率器件需要设计高冷却效率的液冷室结构。采用计算流体动力学(CFD)方法模拟了以液氮-氮气两相流为制冷剂的空腔结构、微通道结构和扰流柱结构的流动与传热过程。结果表明,相比于空腔结构和微槽道结构,扰流柱结构具有较好的换热能力。圆形扰流柱易发展45°方向支流,而方形扰流柱结构有利于垂直方向流速均匀化。相较于平行排布,扰流柱交错排列时圆形和方形扰流柱结构中流速分布更为均匀。对比对流换热系数发现,交错排布优于平行排布,方形扰流柱优于圆形扰流柱。换热效果最好的结构为交错排布的2 mm方形扰流柱,对流换热系数为4223 W/(m^(2)·K),较空腔结构提高125.83%。采用上述结构进行测试验证,在107.6 W加热功率工况下冷头测温点温度与相同功率下仿真结果有较好的对应性。

摘要：目前红外探测器采用传统读出方法很难通过一次积分实现其本身的动态范围。为实现红外探测器的大动态范围不换档读出,引入脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)结构,同时为保证弱信号时的注入效率,结合CTIA输入级,对红外探测器不换档大动态范围读出方法进行研究。提出一种CTIA输入级脉冲频率调制(PFM)读出方法,在系统级层面搭建实验系统并结合短波红外InGaAs单元探测器进行数字量化实验。详细分析了强信号时由系统结构延迟时间引起的转换线性度问题,并建立非理想条件下的数字量化转换模型。实验结果显示,提出的CTIA输入级PFM红外探测器读出方法动态范围达到97 dB,为红外探测器不换档大动态范围读出提供了一种可行方案,并为数字化读出电路设计奠定理论基础。

摘要：本文针对大规模高帧频读出电路的数字信号输出建立了高速数据传输模型。首先由集总参数模型得到传输电路3 d B带宽及响应时间常数与各器件参数之间的关系,指明了输出级MOS管的尺寸及传输线负载是决定高速时域响应特性的关键参数。进一步采用分布参数模型,利用Elmore延时模型更精确地确定了响应时间常数的数学解析式,获得了可使带宽最大化的输出级尺寸的最优设计。仿真结果表明,在典型的64×64面阵功耗和面积约束条件下,优化后传输门和复合逻辑门两种三态传输电路的输出3 dB带宽分别可达293 MHz和395 MHz。

摘要：针对短波红外焦平面的大动态范围需求,设计了一种像素级脉冲频率调制(PFM)模数转换器(ADC)。传统PFM ADC采用DI输入级,进行弱信号探测时,注入效率会下降,造成动态范围的损失。设计的PFM ADC采用CTIA输入级,弱信号探测时仍能维持高注入效率;同时采用两档增益和增益自选择技术,使得每个像素都能够根据输入的光电流自动选择增益,在提升动态范围的同时,不增加额外的功耗。在0.18μm CMOS工艺模型下,仿真结果表明该电路的动态范围达到100.1 dB,单元ADC功耗小于10.54μW,并且基于所设计的改进型PFM ADC设计了规模为32×32、中心距为50μm的像素级数字化读出电路。

摘要：高性能大规模小像元短波红外InGaAs焦平面探测器是新一代航天遥感仪器向高空间分辨率、高能量分辨率、高时间分辨率发展需要的核心器件。文中报道了高密度InGaAs探测器阵列设计与制备,并与匹配的Si-CMOS读出电路倒焊互连形成焦平面的最新研究进展,重点突破了高密度小像素探测器的暗电流和噪声抑制、百万像素焦平面倒焊互连等关键技术,解决了高平整度芯片面形控制、In柱凸点形貌和高度一致性控制、高密度倒焊偏移控制等倒焊新工艺,研制了像元中心距10μm的2 560×2 048元焦平面探测器,其峰值探测率优于1.0×10^(13)cm·Hz^(1/2)/W,响应不均匀性优于3%,有效像元率优于99.7%,动态范围优于120 dB。采用该焦平面进行了实验室演示成像,图片清晰。

摘要：为了适应第三代红外焦平面高密度、微型化发展方向,设计了一款大面阵小像元低功耗640×512-5μm InGaAs短波红外焦平面读出电路。重点研究了3T像素单元简易结构的性能,分析其对芯片暗电流、焦平面噪声的影响,实现了卷帘曝光工作方式、列级缓冲器动态工作以及四通道输出功能。利用可编程增益放大器,实现增益可调以及噪声抑制功能。基于0.18μm 3.3 V标准CMOS工艺,在输入时钟频率为5 MHz条件下,对小像素单元进行性能分析,阵列窗口进行四通道输出以及线性度仿真。结果表明,电容反馈跨阻放大器(CTIA)输入级偏压变化约30 mV,工作帧频为54 Hz,输出摆幅为1.7 V,最大功耗小于150 mW,线性度为99.987%。

摘要：采用分子束外延方法生长的PIN型InP/InGaAs/InP双异质结材料制备了正照射256×1元近红外探测器,并与128×1奇偶两路读出电路互连,制备了近红外256×1元焦平面探测器.针对近红外InGaAs焦平面探测器中的无效像元问题,通过光学显微镜、扫描电镜和电学测试将无效像元进行分类,并分析了无效像元产生的原因.研究结果表明光敏芯片较低的零偏电阻、键压过程引入的损伤和虚焊以及钝化膜侧面覆盖较薄导致了无效像元的产生,通过光敏芯片设计结构改进和钝化膜工艺优化,消除了近红外256×1元InGaAs焦平面探测器的无效像元.

摘要：提出了一种新型的超低功耗读出电路用于18μm中心距1 024×1 024面阵规模的AlGaN紫外焦平面。为了实现低功耗设计紫外焦平面读出电路,采用了三种设计方法,包括:电容反馈跨阻放大器CTIA结构采用工作在亚阈值区的单端输入运算放大器,列像素源随缓冲器和电平移位电路共用同一个电流源负载以及列级缓冲器的分时尾电流源设计。由于像素单元内CTIA采用了单端输入运算放大器,在3.3 V供电电压下,每个像素单元最小工作电流仅8.5 nA。该读出电路设计了可调偏置电流电路使读出电路能得到更好的性能并基于SMIC 0.18μm 1P6M混合信号工艺平台进行了设计制造。测试结果表明:由于采用了上述设计方法,整个芯片的功耗在2 MHz时钟8路输出模式下仅67.3 mW。