UMBIRFPA的计算机仿真及非均匀性校正研究
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摘要
非致冷微测辐射热计红外焦平面阵列(UMBIRFPA)是当代信息科学技术中红外技术学科的具有带动性的学科研究前沿之一。论文从红外技术、红外探测器和UMBIRFPA的历史、现状到发展趋势进行了比较全面的阐述。介绍了包括UMBIRFPA在内的红外探测器在军事及民事中的应用，重点描述了UMBIRFPA在民用上的广阔前景。
UMBIRFPA的研制涉及到器件原理研究、红外材料的研制、微机械制造技术、低功耗信号读出技术、信号处理技术、红外成像技术、器件封装技术等方面。本文以对微测辐射热计工作原理的研究为基础，建立了UMBIRFPA的物理模型，对微测辐射热计进行了计算机仿真，并着重对UMBIRFPA的非均匀性问题进行了深入的研究。
微测辐射热计是UMBIRFPA的核心部分，它是把红外辐射转换为温度变化再转换为电学量变化的象元单位。论文研究了微测辐射热计的结构与工作原理，并详细分析了红外辐射、传播、成像、吸收，给出了热平衡过程的计算方法。由于微测辐射热计在施加偏置电压的情况下，电热效应与红外辐射的共同作用使它表现出与其他红外探测器完全不同的一些特征，文中给出了响应率、噪声、噪声等效功率、噪声等效温差、光学增益、探测率等参数的计算方法，这些参数中的部分是微测辐射热计独有的，或者与其他的红外探测器的同一参数有所区别。
非均匀性是任何焦平面阵列中必须解决的一个重要问题，而UMBIRFPA的非均匀性问题更为突出，尤其特别的是它受UMBIRFPA衬底温度的影响非常严重。如果要用传统的两点校正法来校正，必须采用昂贵的恒温系统，而且增加了系统的复杂程度。文中分析了UMBIRFPA的非均匀性受衬底温度影响的原因，计算了衬底温度对非均匀性影响的大小，提出采用三点非均匀性校正新方法来克服衬底温度的影响，并分析了这种新方法的原理、实现方案和校正系数的获取流程。新方法使得对衬底温度控制变化范围的要求从0.01K降低到5K左右，因此控温更方便并且温度控制的方法可以从制冷改变为加热，这样可以大大降低系统的成本和复杂程度。
UMBIRFPA是一种新型的红外探测器件，微测辐射热计的工作原理复杂，其性能受到很多因素的影响，目前国内尚处于发展初期，缺少实际的设计经验和理论认识，同时UMBIRFPA又是在集成电路工艺线上生产的，投资大、周期长，如果设计不当，不仅可能导致灵敏度降低、动态范围缩小、噪声增大、非均匀性增大等问题，更可能的是根本就不能用于成像，从而造成很大损失。本论文根据UMBIRFPA的原理，建立它的软件仿真系统，它可以根据给定的结构、环境、电路设置等参数首先模拟光热、热电转换过程，并可根据电路结构，模拟校准、参数调节并读出信号，给出读出电流和电压、光学增益、光学增益比、非均匀性等各特征量的定量变化过程，预测制成后器件的各种性能参数。因此通过对该模型的仿真，可以帮助人们认识微测辐射热计的原理与规律，分析设计过程中的不合理因素，检验各种设计方案，确定某些参数的最佳设置，以减少研制过程的时间和费用。
最后论文还给出了UMBIRFPA中部分相关电路的设计方案。
The uncooled microbolometer infrared focal plane arrays (IRFPA) is the leading edge of research on infrared technology in information science today. In this paper, the history, present status and trend in development of infrared technology, infrared detectors and UMBIRFPA were rounded represented. The military and civil applications of UMBIRFPA were introduced. Especially, much prospect of UMBIRFPA is described.
There are various techniques involved in the development of UMBIRFPA, such as principle of the device, micro-machined technique, readout integrated circuit(ROIC), signal process, infrared imaging, device capsulation and so on. In this paper, the physical model of UMBIRFPA is established and computer simulated based on the research on the principle of microbolometer. At the same time, the nonunifomity of UMBIRFPA is deeply studied.
Microbolometer, which is the key part of UMBIRFPA, is the unit absorbing the Infrared radiation and changing it into heat quantity and electrical quantity. The author studied the construction and principle of the microbolometer and analyzed infrared radiation, transmission, imaging and absorbing. Then the computing method of thermal equilibrium process is given. As the microbolometer which is voltage biased express some characters different from other infrared detectors under the effect of electric heat and infrared radiation together, the computing method of parameters ,such as responsivity, noise, noise equivalent temperature different(NETD), noise equivalent power(NEP), optical gain, detectivity and so on is given in this paper. Some of these parameters are particular compared with other detectors, and some have difference between microbolometer and other detectors.
Nonuniformity which must be corrected in all focal plane array is more greater in UMBIRFPA. It is special that nonuniformity be effected by substrate temperature in UMBIRFPA. The costly constant temperature system must be employed if using the traditional two point correction method, moreover, the system is more complex. In this paper, the reason for which the substrate temperature effects the nonuniformity of UMBIRFPA is analyzed. It is brought forward that using three point correction method to minish the substrate temperature's influence on nonuniformity of UMBIRFPA. The principle of the new method, the way to realize the method and the flow process to obtain the correction coefficients were given simultaneously. With the method, the control range of substrate temperature can beincreased from 0.01k to 5K, and the temperature method can be changed from cooling to heating. So the cost and complexity of system can be reduced.
As UMBIRFPA is a new type of infrared detecting device, its work principle is complex and its performance is affected by many factors. In the initial stage of developing, the design experiment and theoretical understanding are little interiorly. Furthermore, the problems such as sensitivity reduced, dynamic range shortened, nonuniformity increased come forth if UMBIRFPA is not designed properly. Even it can't be used in imaging. This will cause a large waste because UMBIRFPA is produced on IC production line, the investment is huge and the period is long. The author established s software simulation system base on the principle of UMBIRFPA. The system can simulate the transfer process of photo-thermal and thermal-electric at a given parameter setting of structure, environment and circuit. On the basis of circuit structure, the calibration, parameter adjusting and signal readout can be simulated, the vary process of readout circuit, readout voltage, optical gain, optical gain rate, and uniformity can be given. In addition, all kinds of character parameters of device can be forecasted. By means of simulating the model, it can help people to realize the principle and laws of microbolometer, analyze the improper factors in design course, verify the rationality of different design scheme, confirm the best setting of some parameters. Consequently, the expense in the produce process can
UMBIRFPA的研制涉及到器件原理研究、红外材料的研制、微机械制造技术、低功耗信号读出技术、信号处理技术、红外成像技术、器件封装技术等方面。本文以对微测辐射热计工作原理的研究为基础，建立了UMBIRFPA的物理模型，对微测辐射热计进行了计算机仿真，并着重对UMBIRFPA的非均匀性问题进行了深入的研究。
微测辐射热计是UMBIRFPA的核心部分，它是把红外辐射转换为温度变化再转换为电学量变化的象元单位。论文研究了微测辐射热计的结构与工作原理，并详细分析了红外辐射、传播、成像、吸收，给出了热平衡过程的计算方法。由于微测辐射热计在施加偏置电压的情况下，电热效应与红外辐射的共同作用使它表现出与其他红外探测器完全不同的一些特征，文中给出了响应率、噪声、噪声等效功率、噪声等效温差、光学增益、探测率等参数的计算方法，这些参数中的部分是微测辐射热计独有的，或者与其他的红外探测器的同一参数有所区别。
非均匀性是任何焦平面阵列中必须解决的一个重要问题，而UMBIRFPA的非均匀性问题更为突出，尤其特别的是它受UMBIRFPA衬底温度的影响非常严重。如果要用传统的两点校正法来校正，必须采用昂贵的恒温系统，而且增加了系统的复杂程度。文中分析了UMBIRFPA的非均匀性受衬底温度影响的原因，计算了衬底温度对非均匀性影响的大小，提出采用三点非均匀性校正新方法来克服衬底温度的影响，并分析了这种新方法的原理、实现方案和校正系数的获取流程。新方法使得对衬底温度控制变化范围的要求从0.01K降低到5K左右，因此控温更方便并且温度控制的方法可以从制冷改变为加热，这样可以大大降低系统的成本和复杂程度。
UMBIRFPA是一种新型的红外探测器件，微测辐射热计的工作原理复杂，其性能受到很多因素的影响，目前国内尚处于发展初期，缺少实际的设计经验和理论认识，同时UMBIRFPA又是在集成电路工艺线上生产的，投资大、周期长，如果设计不当，不仅可能导致灵敏
最后论文还给出了UMBIRFPA中部分相关电路的设计方案。
The uncooled microbolometer infrared focal plane arrays (IRFPA) is the leading edge of research on infrared technology in information science today. In this paper, the history, present status and trend in development of infrared technology, infrared detectors and UMBIRFPA were rounded represented. The military and civil applications of UMBIRFPA were introduced. Especially, much prospect of UMBIRFPA is described.
There are various techniques involved in the development of UMBIRFPA, such as principle of the device, micro-machined technique, readout integrated circuit(ROIC), signal process, infrared imaging, device capsulation and so on. In this paper, the physical model of UMBIRFPA is established and computer simulated based on the research on the principle of microbolometer. At the same time, the nonunifomity of UMBIRFPA is deeply studied.
Microbolometer, which is the key part of UMBIRFPA, is the unit absorbing the Infrared radiation and changing it into heat quantity and electrical quantity. The author studied the construction and principle of the microbolometer and analyzed infrared radiation, transmission, imaging and absorbing. Then the computing method of thermal equilibrium process is given. As the microbolometer which is voltage biased express some characters different from other infrared detectors under the effect of electric heat and infrared radiation together, the computing method of parameters ,such as responsivity, noise, noise equivalent temperature different(NETD), noise equivalent power(NEP), optical gain, detectivity and so on is given in this paper. Some of these parameters are particular compared with other detectors, and some have difference between microbolometer and other detectors.
Nonuniformity which must be corrected in all focal plane array is more greater in UMBIRFPA. It is special that nonuniformity be effected by substrate temperature in UMBIRFPA. The costly constant temperature system must be employed if using the traditional two point correction method, moreover, the system is more complex. In this paper, the reason for which the substrate temperature effects the nonuniformity of UMBIRFPA is analyzed. It is brought forward that using three point correction method to minish the substrate temperature's influence on nonuniformity of UMBIRFPA. The principle of the new method, the way to realize the method and the flow process to obtain the correction coefficients were given simultaneously. With the method, the control range of substrate temperature can be
As UMBIRFPA is a new type of infrared detecting device, its work principle is complex and its performance is affected by many factors. In the initial stage of developing, the design experiment and theoretical understanding are little interiorly. Furthermore, the problems such as sensitivity reduced, dynamic range shortened, nonuniformity increased come forth if UMBIRFPA is not designed properly. Even it can't be used in imaging. This will cause a large waste because UMBIRFPA is produced on IC production line, the investment is huge and the period is long. The author established s software simulation system base on the principle of UMBIRFPA. The system can simulate the transfer process of photo-thermal and thermal-electric at a given parameter setting of structure, environment and circuit. On the basis of circuit structure, the calibration, parameter adjusting and signal readout can be simulated, the vary process of readout circuit, readout voltage, optical gain, optical gain rate, and uniformity can be given. In addition, all kinds of character parameters of device can be forecasted. By means of simulating the model, it can help people to realize the principle and laws of microbolometer, analyze the improper factors in design course, verify the rationality of different design scheme, confirm the best setting of some parameters. Consequently, the expense in the produce process can
引文
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