電阻陣作為一種動(dòng)態(tài)紅外景象產(chǎn)生器件，在紅外半實(shí)物仿真領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。電阻陣可實(shí)現(xiàn)的規(guī)模與性能與紅外微輻射像素列陣的設(shè)計(jì)有著密切的關(guān)系。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“大規(guī)模電阻陣紅外景象產(chǎn)生器件的像素設(shè)計(jì)研究”為主題的文章。該文章第一作者為翟叼豪，通訊作者為陳永平研究員，主要從事電阻陣紅外景象產(chǎn)生器方面的研究工作。
文中從應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)大規(guī)模電阻陣器件的要求出發(fā)，結(jié)合電阻陣工作原理，提出了像素驅(qū)動(dòng)電路與MEMS結(jié)構(gòu)一體化的高占空比像素陣列設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較低像素功耗下，像素可實(shí)現(xiàn)中波紅外與長(zhǎng)波紅外表觀溫度分別超過(guò)700 K和600 K。高占空比的微輻射元陣列設(shè)計(jì)在提高電阻陣性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，且在規(guī)模上具有很強(qiáng)的可拓展性。該項(xiàng)研究為國(guó)產(chǎn)大規(guī)模電阻陣的研制指明了方向。
電阻陣由片上CMOS電路和紅外微輻射元陣列組成，其結(jié)構(gòu)框圖詳見(jiàn)圖1(a)。其工作過(guò)程是，紅外圖像數(shù)據(jù)通過(guò)接口電路輸入到電阻陣芯片，由片上尋址掃描電路將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到每一個(gè)像素驅(qū)動(dòng)電路上，低熱導(dǎo)結(jié)構(gòu)的電阻陣MEMS微輻射元在驅(qū)動(dòng)電路和圖像幀同步信號(hào)的控制下加熱升溫，從而產(chǎn)生相應(yīng)的紅外熱圖像出射，如圖1(b)所示。
圖1 (a)電阻陣結(jié)構(gòu)框圖；(b)紅外圖像產(chǎn)生示意圖
目標(biāo)模擬器的主要性能指標(biāo)包括：輻射波段、紅外表觀溫度（等效黑體溫度）范圍、圖像幀頻、圖像規(guī)模和圖像灰度等級(jí)。對(duì)于紅外仿真應(yīng)用來(lái)說(shuō)，目標(biāo)模擬器的列陣規(guī)模直接決定了圖像的分辨率。目前，國(guó)內(nèi)外的紅外成像系統(tǒng)分辨率已經(jīng)普遍達(dá)到512×512或640×480，為保證目標(biāo)模擬器與成像系統(tǒng)的圖像匹配，一般要求目標(biāo)模擬器的圖像分辨率要達(dá)到成像系統(tǒng)分辨率的四倍左右，因此，目標(biāo)模擬器的規(guī)模達(dá)到1024×1024非常有必要。為了保證紅外動(dòng)態(tài)目標(biāo)仿真的時(shí)效性，一般要求圖像刷新頻率不低于100 Hz，這對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度的要求較高，因此大規(guī)模電阻陣一般需要在片上集成DAC陣列，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸以及對(duì)圖像灰度等級(jí)的精準(zhǔn)控制。紅外輻射波段要覆蓋軍事領(lǐng)域常用的中波紅外（3~5 μm）和長(zhǎng)波紅外（8~12 μm）波段，以滿足在單波段的高性能仿真或者多波段目標(biāo)仿真。最低的表觀溫度由器件散熱環(huán)境決定，通常是室溫。最高表觀溫度越高越好，一般要求不低于600 K。除了性能指標(biāo)外，溫度動(dòng)態(tài)范圍可調(diào)、幀頻可變、灰度控制曲線可控、圖像同步刷新等芯片功能也同樣重要。
像素列陣的設(shè)計(jì)是電阻陣器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。像素電路決定了圖像的控制方式，但驅(qū)動(dòng)能力有限，需要高輻射效率的微輻射體補(bǔ)償電路能力的不足，因此有必要進(jìn)行微輻射元與像素電路的一體化設(shè)計(jì)研究。像素列陣的性能直接決定了電阻陣器件的性能上限。可拓展至1024×1024規(guī)模、可工作于200 Hz幀頻和表觀溫度接近600 K的像素陣列是筆者設(shè)計(jì)研究的目標(biāo)。
為實(shí)現(xiàn)微輻射陣列的單體驅(qū)動(dòng)和整體圖像刷新，電阻陣中每一個(gè)微輻射元的加熱電阻R須由一個(gè)像素電路控制和驅(qū)動(dòng)，如圖2(a)所示。像素電路主要由信號(hào)寄存電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。其中，信號(hào)寄存電路采用“乒乓”工作模式，分為AB兩路，每路由兩個(gè)傳輸門開關(guān)和一個(gè)電容構(gòu)成。在圖像幀同步信號(hào)Frame的控制下，AB中的一路由電容控制當(dāng)前幀的像素驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)另一路從行選列選電路中接收下一幀的圖像驅(qū)動(dòng)信號(hào)并寄存于電容中，從而實(shí)現(xiàn)“掃描模式”與“快閃”模式的兼容，如圖2(b)所示。該電路相比于256×256規(guī)模電阻陣像素多了一路控制電路，使得全像素同步刷新得以實(shí)現(xiàn)，這得益于微輻射元置于電路上方的MEMS設(shè)計(jì)方案，保證占空比的同時(shí)留下了更多的電路面積用于放置電容和MOS管。由于像素電容在fF量級(jí)，驅(qū)動(dòng)電壓的刷新時(shí)間將遠(yuǎn)小于微輻射元的反應(yīng)時(shí)間，因此，圖像刷新的主要限制是微輻射元的熱響應(yīng)速度。
圖2 (a)電阻陣像素驅(qū)動(dòng)電路；(b)快閃模式與掃描模式結(jié)合時(shí)序圖
微輻射元內(nèi)電阻R由一個(gè)MOS管驅(qū)動(dòng)，形成源跟隨放大器結(jié)構(gòu)。如圖3所示，最大驅(qū)動(dòng)效率在不同的CMOS制造工藝以及不同MOS管尺寸下會(huì)有較大差異。
圖3 微輻射元電壓VR和MOS管驅(qū)動(dòng)效率隨柵輸入電壓Vin的變化
MOS管控制電壓VG由信號(hào)電壓VS和偏置電壓Vbias共同組成，而VS由圖像數(shù)字信號(hào)經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換形成。電阻的γ和α的實(shí)際存在，以及加熱功率與電壓的平方關(guān)系，使得驅(qū)動(dòng)電壓輸入與輻射功率輸出之間的關(guān)系具有較強(qiáng)非線性特性。輻射圖像灰度分辨率的控制也將具有較強(qiáng)非線性特性，其由DAC的分辨率和R的大小共同決定。
此外，由圖3可知：MOS管驅(qū)動(dòng)效率小于1，其本身也會(huì)產(chǎn)生一部分熱量。系統(tǒng)散熱能力決定了微輻射元陣列的總功耗上限，限制了圖像的最高最低紅外表觀溫度。以驅(qū)動(dòng)效率等于60%為例，以0.6 mW驅(qū)動(dòng)微輻射元，像素總功耗為1 mW，滿功率運(yùn)轉(zhuǎn)的極限條件下1024×1024陣列總功耗為1 kW，在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中電阻陣大部分時(shí)間工作于極限功率的一半以下，散熱條件較容易滿足。為了保持大規(guī)模電阻陣列的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，微輻射元功率應(yīng)限制在0.6 mW以下。
微輻射元與像素電路的一體化設(shè)計(jì)
CMOS電路上垂直集成MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
像素電路和MEMS電阻共同組成一個(gè)像素，其集成方式主要有兩種技術(shù)方案。一種方案是將像素電路與MEMS電阻設(shè)置在一個(gè)平面內(nèi)，像素電路與MEMS電阻通過(guò)水平金屬線連接，MEMS結(jié)構(gòu)則通過(guò)腐蝕硅襯底形成。目前國(guó)內(nèi)自研的256×256及512×512電阻陣均采用了這種方案，但這種方案的MEMS微輻射元占空比低，在進(jìn)一步擴(kuò)大器件規(guī)模方面面臨諸多困難和限制。另一種技術(shù)方案是在像素電路上方垂直集成MEMS電阻，其結(jié)構(gòu)和剖面示意如圖4所示。
圖4 微輻射元垂直集成結(jié)構(gòu)（a）和截面示意（b）
與非制冷焦平面不同的是，雖然都是在像素電路上集成MEMS結(jié)構(gòu)，但電阻陣作為一種功率型高溫輻射器件，其像素電流的大小比非制冷焦平面高一個(gè)量級(jí)以上。因此，MEMS電阻與像素電路之間可靠的垂直電學(xué)連接非常重要。在電阻陣MEMS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用了兩端金屬柱與CMOS電路的頂層金屬連接的方案，將電阻陣復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)懸置于電路之上形成高架式“微橋”結(jié)構(gòu)。兩端金屬柱既起到力學(xué)支撐作用，也起到電學(xué)連接作用。金屬柱與襯底的接觸面積設(shè)計(jì)為8 μm×8 μm，較大的面積保證了微輻射元與襯底金屬的良好電連接。微橋細(xì)長(zhǎng)的橋腿則起到熱隔離作用，寬度為2~4 μm，需根據(jù)仿真結(jié)果輔助設(shè)計(jì)最優(yōu)值。器件在工作時(shí)，微橋中部大塊區(qū)域?yàn)橹饕t外輻射面。輻射面內(nèi)部的S型電阻阻值較大，通過(guò)橋腿內(nèi)的阻值較小的電極與金屬柱連接。由于MEMS電阻直接架設(shè)在像素電路之上，器件的占空比得到了大幅提升。在像素大小46 μm × 46 μm情況下，器件的占空比可達(dá)到51%。
微橋的主要結(jié)構(gòu)材料采用氮化硅薄膜。氮化硅薄膜不僅耐高溫，殘余應(yīng)力的工藝控制也較簡(jiǎn)單，楊氏模量較大，加工過(guò)程中和工作過(guò)程中均不易發(fā)生形變。同時(shí)，氮化硅還具有熱導(dǎo)系數(shù)較低、長(zhǎng)波紅外輻射率高等優(yōu)點(diǎn)。電極材料可采用熱導(dǎo)率相對(duì)較低的鈦。電阻材料可采用金屬鉑或鎳鉻薄膜，兼顧耐高溫和低電阻溫度系數(shù)的要求。碳化硅等薄膜的加入可起到MEMS紅外輻射特性的調(diào)控作用。
由于電阻陣通常工作于真空環(huán)境中，空氣熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)均可忽略。輻射功率占比通常在5%以下，計(jì)算物理溫度變化時(shí)可忽略該項(xiàng)。物理溫升最大值為P/GL，P決定于CMOS電路的設(shè)計(jì)。微輻射元的最高溫度決定了紅外輻射量。
對(duì)于紅外探測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，電阻陣紅外圖像的紅外表觀溫度（等效黑體溫度）是像素內(nèi)所有紅外輻射通量綜合的平均等效值。假設(shè)MEMS微橋的平均溫度為T，襯底的平均溫度為Ts，電阻陣像素在λ?~λ?波段內(nèi)的輻射能量可用公式(10)表達(dá)，單位為W·sr?1。
決定電阻陣紅外輻射特性的關(guān)鍵因素有MEMS微輻射元的占空比、比熱容、熱導(dǎo)和表面發(fā)射率等。在達(dá)到同樣等效黑體溫度的情況下，高占空比像素設(shè)計(jì)可以顯著緩解MEMS微橋的溫升壓力。通過(guò)MEMS微橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以使電阻陣的像素功率、占空比、溫升、輻射波段等特性達(dá)到最優(yōu)化的平衡，同時(shí)，這種垂直集成的電阻陣MEMS設(shè)計(jì)在規(guī)模上具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。
電阻陣微橋結(jié)構(gòu)的紅外光學(xué)特性
熱平衡下，電阻陣微橋的紅外吸收率等于紅外發(fā)射率。設(shè)計(jì)上可通過(guò)增強(qiáng)吸收的設(shè)計(jì)方法增強(qiáng)發(fā)射。通過(guò)調(diào)整厚度變量組(d?、d?、d?、h)以及增加襯底表面反射層，可形成特定波段高吸收的光學(xué)諧振腔。襯底表面反射層可通過(guò)CMOS電路的金屬走線布局實(shí)現(xiàn)。采用(d?、d?、d?、h) = (100 nm, 400 nm, 500 nm, 1700 nm)的厚度設(shè)計(jì)，根據(jù)各層薄膜的折射率（n）和消光系數(shù)（k）的測(cè)試數(shù)據(jù)，利用光學(xué)薄膜特征矩陣法計(jì)算得到其在4~14 μm的表面吸收率、透過(guò)率和反射率，如圖5所示。其在4~5 μm中波紅外和8~12 μm長(zhǎng)波紅外波段的平均表面發(fā)射率分別達(dá)到0.7和0.8。碳化硅在4~5 μm中波紅外波段消光系數(shù)較大，使得微輻射元的中波紅外表面發(fā)射率有明顯提升，由此實(shí)現(xiàn)了雙波段均具有高表面發(fā)射率的設(shè)計(jì)。若想在不增加厚度情況下達(dá)到更高發(fā)射率，則需應(yīng)用在中長(zhǎng)波紅外波段擁有更高消光系數(shù)的薄膜。
圖5 SiC和SiNx薄膜的折射率(n)（a）和消光系數(shù)(k)（b）數(shù)據(jù)；包含、不包含SiC薄膜的微輻射元紅外光學(xué)特性仿真結(jié)果（c）
通過(guò)熱力學(xué)仿真，獲得了不同功率下微輻射元的物理溫度、熱響應(yīng)時(shí)間、紅外表觀溫度和形變等工作特性，建立圖像數(shù)據(jù)輸入到紅外輻射輸出的函數(shù)關(guān)系。表1為仿真所用材料的各項(xiàng)參數(shù)。
圖6顯示了不同橋腿形狀的微輻射元在0.6 mW功率驅(qū)動(dòng)下的熱平衡溫度分布特性和力學(xué)特性。兩端金屬柱所接觸襯底溫度為20 ℃。可見(jiàn)不同功率下橋面溫度分布均勻，溫差不超10 ℃，絕大部分溫差落在兩側(cè)橋腿上。由仿真可見(jiàn)，低應(yīng)力氮化硅的應(yīng)用使得微輻射元的形變量極小，主要為翹曲，最大位移量小于300 nm，平行于襯底面的位移量極小，可忽略不計(jì)，表明占空比仍有提升空間。高頻狀態(tài)下工作時(shí)，橋體會(huì)反復(fù)形變積累動(dòng)能，小形變量有助于延長(zhǎng)器件的壽命，同時(shí)避免輻射面與其他部分接觸形成熱短路導(dǎo)致輻射能量大幅下降。
圖6 0.6 mW功率下微輻射元的溫度分布（a）和形變（b）仿真結(jié)果
在同樣的功率驅(qū)動(dòng)下，不同長(zhǎng)度組設(shè)計(jì)的微輻射元的熱導(dǎo)、熱容、熱響應(yīng)時(shí)間以及中波和長(zhǎng)波紅外表觀溫度的仿真結(jié)算結(jié)果如表2所示。可見(jiàn)三種設(shè)計(jì)均能滿足紅外表觀溫度的性能要求，L?=2 μm時(shí)，中波紅外和長(zhǎng)波紅外表觀溫度分別超過(guò)了800 K和700 K，但犧牲了熱響應(yīng)速度，熱響應(yīng)時(shí)間超過(guò)了5 ms。L?=4 μm時(shí)，熱響應(yīng)時(shí)間不足2 ms，但紅外表觀溫度較小。取中間值L?=3 μm作為最終的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足性能要求的同時(shí)擁有較好的容錯(cuò)率。
取橋腿寬度為3 μm，根據(jù)公式(9)可計(jì)算得到像元在不同功率下的紅外表觀溫度，仿真結(jié)果如圖7所示。驅(qū)動(dòng)功率與紅外表觀溫度成近線性關(guān)系，0.6 mW功率驅(qū)動(dòng)下，像素最高中波紅外表觀溫度可達(dá)658 K，最高長(zhǎng)波紅外表觀溫度可達(dá)582 K，均超過(guò)了目前在用的國(guó)產(chǎn)電阻陣器件所能達(dá)到的紅外表觀溫度。圖7中間子圖是紅外輻射亮度與控制電壓關(guān)系的仿真結(jié)果。輻射亮度的控制特性直接反映了紅外圖像的灰度控制性能。由電壓驅(qū)動(dòng)MOS管電流，電流使電阻溫度變化，繼而反映到輻射亮度的變化，該過(guò)程中的多個(gè)轉(zhuǎn)換使得控制曲線具有較明顯的非線性。以采用12 bit DAC輸出為例，明顯可見(jiàn)在低等級(jí)段輻射亮度分辨率較高，而高等級(jí)段分辨率較低，且在中波紅外波段非線性更強(qiáng)，這對(duì)于圖像灰度控制和非均勻性校正來(lái)說(shuō)均是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于文中所設(shè)計(jì)的像素CMOS驅(qū)動(dòng)電路的功能簡(jiǎn)單，為陣列外圍驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)留下了很大的設(shè)計(jì)空間，在設(shè)計(jì)芯片時(shí)可考慮在片上直接集成現(xiàn)場(chǎng)非線性校正電路。熱響應(yīng)特性的仿真結(jié)果顯示，不同功率驅(qū)動(dòng)下的升降溫?zé)犴憫?yīng)時(shí)間幾乎無(wú)區(qū)別，均小于5 ms，微輻射元可工作于200 Hz以上。
圖7 性能仿真結(jié)果。（a）表觀溫度與功率關(guān)系；（b）輻射亮度與電壓控制關(guān)系；（c）熱響應(yīng)曲線
采用在CMOS晶圓上方繼續(xù)加工，垂直集成MEMS工藝的方案。MEMS工藝與CMOS集成電路制造工藝分離，可對(duì)芯片設(shè)計(jì)和微輻射元陣列設(shè)計(jì)分別驗(yàn)證，降低試錯(cuò)成本。微輻射元陣列制備工藝流程如圖8所示，依次為：犧牲層制備（圖8(a)）；氮化硅薄膜沉積（圖8(b)）；金屬柱制備（圖8(c)）；電學(xué)薄膜沉積與圖形化（圖8(d)）；氮化硅薄膜沉積（圖8(e)）；碳化硅薄膜沉積與圖形化（圖8(f)）；氮化硅薄膜沉積與微橋形狀刻蝕（圖8(g)）；犧牲層去除（圖8(h)）。
圖8 MEMS工藝流程圖
小陣列制備與測(cè)試
設(shè)計(jì)了640×410微輻射元陣列，在帶有金屬網(wǎng)絡(luò)的8 in(1 in=2.54 cm)晶圓上進(jìn)行了MEMS工藝流片實(shí)驗(yàn)。圖9為微輻射元陣列的微觀圖像，圖中單元結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)，圖形均勻，在去除犧牲層后，金屬柱與橋腿可支撐橋面，且無(wú)明顯形變，與預(yù)測(cè)一致。證明MEMS工藝方案可行且一致性良好。
圖9 640×410微輻射陣列樣品的SEM顯微圖
陣列樣品下方金屬網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可對(duì)陣列進(jìn)行抽樣點(diǎn)亮，圖10為陣列樣品的角落區(qū)域與中間區(qū)域的4×1 pixel在空氣中驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)波紅外圖像，結(jié)果顯示電學(xué)連接正常，微輻射元可正常驅(qū)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)加熱功率0.6 mW條件下，空氣中像素在8~12 μm波段的表觀溫度約為400 K。考慮到大氣環(huán)境和真空環(huán)境中像素?zé)釋?dǎo)相差約有3倍，測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)仿真結(jié)果基本相符。嚴(yán)格的性能測(cè)試需要集成CMOS電路并將陣列進(jìn)行真空封裝方可進(jìn)行。初步測(cè)試結(jié)果證明了設(shè)計(jì)的可行性。
圖10 640×410陣列樣品的角落（a）與中間（b）處的4×1 pixel在空氣中驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)波紅外圖像
針對(duì)大規(guī)模高輻射效率電阻陣紅外景象產(chǎn)生器的研制設(shè)計(jì)需求，提出了CMOS像素驅(qū)動(dòng)電路與高占空比微輻射元陣列一體化的設(shè)計(jì)方案。驅(qū)動(dòng)電路兼容掃描模式和快閃模式。微輻射元占空比達(dá)51%。設(shè)計(jì)仿真表明，在0.6 mW功率驅(qū)動(dòng)下，熱響應(yīng)時(shí)間小于5 ms，陣列像元的最高中波紅外表觀溫度達(dá)658 K，最高長(zhǎng)波紅外表觀溫度達(dá)582 K，應(yīng)力翹曲小于300 nm。本文提出了完整的MEMS工藝制備方案，通過(guò)小陣列流片驗(yàn)證了制備方案可行性，并通過(guò)初步測(cè)試驗(yàn)證了樣品的功能完整性。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高輻射效率和強(qiáng)可拓展性，為大規(guī)模電阻陣的研制指明了方向。
這項(xiàng)研究獲得中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX383）的資助和支持。
DOI: 10.3788/IRLA20230028
延伸閱讀：
《新興圖像傳感器技術(shù)及市場(chǎng)-2024版》
《光譜成像市場(chǎng)和趨勢(shì)-2022版》
