電阻陣作為一種動態紅外景象產生器件，在紅外半實物仿真領域有著重要的應用。電阻陣可實現的規模與性能與紅外微輻射像素列陣的設計有著密切的關系。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所和中國科學院大學的科研團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“大規模電阻陣紅外景象產生器件的像素設計研究”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生器方面的研究工作。

文中從應用系統對大規模電阻陣器件的要求出發，結合電阻陣工作原理，提出了像素驅動電路與MEMS結構一體化的高占空比像素陣列設計。實驗結果表明，在較低像素功耗下，像素可實現中波紅外與長波紅外表觀溫度分別超過700 K和600 K。高占空比的微輻射元陣列設計在提高電阻陣性能方面具有明顯的優勢，且在規模上具有很強的可拓展性。該項研究為國產大規模電阻陣的研制指明了方向。

紅外仿真應用對電阻陣的性能要求

電阻陣由片上CMOS電路和紅外微輻射元陣列組成，其結構框圖詳見圖1(a)。其工作過程是，紅外圖像數據通過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據發送到每一個像素驅動電路上，低熱導結構的電阻陣MEMS微輻射元在驅動電路和圖像幀同步信號的控制下加熱升溫，從而產生相應的紅外熱圖像出射，如圖1(b)所示。

圖1 (a)電阻陣結構框圖；(b)紅外圖像產生示意圖

目標模擬器的主要性能指標包括：輻射波段、紅外表觀溫度（等效黑體溫度）范圍、圖像幀頻、圖像規模和圖像灰度等級。對于紅外仿真應用來說，目標模擬器的列陣規模直接決定了圖像的分辨率。目前，國內外的紅外成像系統分辨率已經普遍達到512×512或640×480，為保證目標模擬器與成像系統的圖像匹配，一般要求目標模擬器的圖像分辨率要達到成像系統分辨率的四倍左右，因此，目標模擬器的規模達到1024×1024非常有必要。為了保證紅外動態目標仿真的時效性，一般要求圖像刷新頻率不低于100 Hz，這對數據傳輸速度的要求較高，因此大規模電阻陣一般需要在片上集成DAC陣列，以實現數字圖像數據的高速傳輸以及對圖像灰度等級的精準控制。紅外輻射波段要覆蓋軍事領域常用的中波紅外（3~5 μm）和長波紅外（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仿真。最低的表觀溫度由器件散熱環境決定，通常是室溫。最高表觀溫度越高越好，一般要求不低于600 K。除了性能指標外，溫度動態范圍可調、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。

像素列陣的設計是電阻陣器件設計的基礎。像素電路決定了圖像的控制方式，但驅動能力有限，需要高輻射效率的微輻射體補償電路能力的不足，因此有必要進行微輻射元與像素電路的一體化設計研究。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計研究的目標。

高占空比的紅外微輻射元與像素電路的一體化設計

像素電路設計及其工作特性

為實現微輻射陣列的單體驅動和整體圖像刷新，電阻陣中每一個微輻射元的加熱電阻R須由一個像素電路控制和驅動，如圖2(a)所示。像素電路主要由信號寄存電路和驅動電路組成。其中，信號寄存電路采用“乒乓”工作模式，分為AB兩路，每路由兩個傳輸門開關和一個電容構成。在圖像幀同步信號Frame的控制下，AB中的一路由電容控制當前幀的像素驅動電流，同時另一路從行選列選電路中接收下一幀的圖像驅動信號并寄存于電容中，從而實現“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現，這得益于微輻射元置于電路上方的MEMS設計方案，保證占空比的同時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，驅動電壓的刷新時間將遠小于微輻射元的反應時間，因此，圖像刷新的主要限制是微輻射元的熱響應速度。

圖2 (a)電阻陣像素驅動電路；(b)快閃模式與掃描模式結合時序圖

微輻射元內電阻R由一個MOS管驅動，形成源跟隨放大器結構。如圖3所示，最大驅動效率在不同的CMOS制造工藝以及不同MOS管尺寸下會有較大差異。

圖3 微輻射元電壓VR和MOS管驅動效率隨柵輸入電壓Vin的變化

MOS管控制電壓VG由信號電壓VS和偏置電壓Vbias共同組成，而VS由圖像數字信號經DAC轉換形成。電阻的γ和α的實際存在，以及加熱功率與電壓的平方關系，使得驅動電壓輸入與輻射功率輸出之間的關系具有較強非線性特性。輻射圖像灰度分辨率的控制也將具有較強非線性特性，其由DAC的分辨率和R的大小共同決定。

此外，由圖3可知：MOS管驅動效率小于1，其本身也會產生一部分熱量。系統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。以驅動效率等于60%為例，以0.6 mW驅動微輻射元，像素總功耗為1 mW，滿功率運轉的極限條件下1024×1024陣列總功耗為1 kW，在大多數應用場景中電阻陣大部分時間工作于極限功率的一半以下，散熱條件較容易滿足。為了保持大規模電阻陣列的正常運轉，微輻射元功率應限制在0.6 mW以下。

微輻射元與像素電路的一體化設計

CMOS電路上垂直集成MEMS結構設計

像素電路和MEMS電阻共同組成一個像素，其集成方式主要有兩種技術方案。一種方案是將像素電路與MEMS電阻設置在一個平面內，像素電路與MEMS電阻通過水平金屬線連接，MEMS結構則通過腐蝕硅襯底形成。目前國內自研的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，在進一步擴大器件規模方面面臨諸多困難和限制。另一種技術方案是在像素電路上方垂直集成MEMS電阻，其結構和剖面示意如圖4所示。

圖4 微輻射元垂直集成結構（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結構，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量級以上。因此，MEMS電阻與像素電路之間可靠的垂直電學連接非常重要。在電阻陣MEMS結構設計上，采用了兩端金屬柱與CMOS電路的頂層金屬連接的方案，將電阻陣復合薄膜結構懸置于電路之上形成高架式“微橋”結構。兩端金屬柱既起到力學支撐作用，也起到電學連接作用。金屬柱與襯底的接觸面積設計為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。微橋細長的橋腿則起到熱隔離作用，寬度為2~4 μm，需根據仿真結果輔助設計最優值。器件在工作時，微橋中部大塊區域為主要紅外輻射面。輻射面內部的S型電阻阻值較大，通過橋腿內的阻值較小的電極與金屬柱連接。由于MEMS電阻直接架設在像素電路之上，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，器件的占空比可達到51%。

微橋的主要結構材料采用氮化硅薄膜。氮化硅薄膜不僅耐高溫，殘余應力的工藝控制也較簡單，楊氏模量較大，加工過程中和工作過程中均不易發生形變。同時，氮化硅還具有熱導系數較低、長波紅外輻射率高等優點。電極材料可采用熱導率相對較低的鈦。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的要求。碳化硅等薄膜的加入可起到MEMS紅外輻射特性的調控作用。

由于電阻陣通常工作于真空環境中，空氣熱對流和熱傳導均可忽略。輻射功率占比通常在5%以下，計算物理溫度變化時可忽略該項。物理溫升最大值為P/GL，P決定于CMOS電路的設計。微輻射元的最高溫度決定了紅外輻射量。

對于紅外探測系統來說，電阻陣紅外圖像的紅外表觀溫度（等效黑體溫度）是像素內所有紅外輻射通量綜合的平均等效值。假設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?波段內的輻射能量可用公式(10)表達，單位為W·sr?1。

決定電阻陣紅外輻射特性的關鍵因素有MEMS微輻射元的占空比、比熱容、熱導和表面發射率等。在達到同樣等效黑體溫度的情況下，高占空比像素設計可以顯著緩解MEMS微橋的溫升壓力。通過MEMS微橋結構設計的優化，可以使電阻陣的像素功率、占空比、溫升、輻射波段等特性達到最優化的平衡，同時，這種垂直集成的電阻陣MEMS設計在規模上具有較強的可擴展性。

電阻陣微橋結構的紅外光學特性

熱平衡下，電阻陣微橋的紅外吸收率等于紅外發射率。設計上可通過增強吸收的設計方法增強發射。通過調整厚度變量組(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諧振腔。襯底表面反射層可通過CMOS電路的金屬走線布局實現。采用(d?、d?、d?、h) = (100 nm, 400 nm, 500 nm, 1700 nm)的厚度設計，根據各層薄膜的折射率（n）和消光系數（k）的測試數據，利用光學薄膜特征矩陣法計算得到其在4~14 μm的表面吸收率、透過率和反射率，如圖5所示。其在4~5 μm中波紅外和8~12 μm長波紅外波段的平均表面發射率分別達到0.7和0.8。碳化硅在4~5 μm中波紅外波段消光系數較大，使得微輻射元的中波紅外表面發射率有明顯提升，由此實現了雙波段均具有高表面發射率的設計。若想在不增加厚度情況下達到更高發射率，則需應用在中長波紅外波段擁有更高消光系數的薄膜。

圖5 SiC和SiNx薄膜的折射率(n)（a）和消光系數(k)（b）數據；包含、不包含SiC薄膜的微輻射元紅外光學特性仿真結果（c）

熱力學仿真

通過熱力學仿真，獲得了不同功率下微輻射元的物理溫度、熱響應時間、紅外表觀溫度和形變等工作特性，建立圖像數據輸入到紅外輻射輸出的函數關系。表1為仿真所用材料的各項參數。

表1 微輻射元仿真參數

圖6顯示了不同橋腿形狀的微輻射元在0.6 mW功率驅動下的熱平衡溫度分布特性和力學特性。兩端金屬柱所接觸襯底溫度為20 ℃。可見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橋腿上。由仿真可見，低應力氮化硅的應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，表明占空比仍有提升空間。高頻狀態下工作時，橋體會反復形變積累動能，小形變量有助于延長器件的壽命，同時避免輻射面與其他部分接觸形成熱短路導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）仿真結果

在同樣的功率驅動下，不同長度組設計的微輻射元的熱導、熱容、熱響應時間以及中波和長波紅外表觀溫度的仿真結算結果如表2所示。可見三種設計均能滿足紅外表觀溫度的性能要求，L?=2 μm時，中波紅外和長波紅外表觀溫度分別超過了800 K和700 K，但犧牲了熱響應速度，熱響應時間超過了5 ms。L?=4 μm時，熱響應時間不足2 ms，但紅外表觀溫度較小。取中間值L?=3 μm作為最終的結構設計，滿足性能要求的同時擁有較好的容錯率。

表2 微輻射元的熱屬性與性能

取橋腿寬度為3 μm，根據公式(9)可計算得到像元在不同功率下的紅外表觀溫度，仿真結果如圖7所示。驅動功率與紅外表觀溫度成近線性關系，0.6 mW功率驅動下，像素最高中波紅外表觀溫度可達658 K，最高長波紅外表觀溫度可達582 K，均超過了目前在用的國產電阻陣器件所能達到的紅外表觀溫度。圖7中間子圖是紅外輻射亮度與控制電壓關系的仿真結果。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。由電壓驅動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，該過程中的多個轉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，明顯可見在低等級段輻射亮度分辨率較高，而高等級段分辨率較低，且在中波紅外波段非線性更強，這對于圖像灰度控制和非均勻性校正來說均是一個挑戰。由于文中所設計的像素CMOS驅動電路的功能簡單，為陣列外圍驅動電路的設計留下了很大的設計空間，在設計芯片時可考慮在片上直接集成現場非線性校正電路。熱響應特性的仿真結果顯示，不同功率驅動下的升降溫熱響應時間幾乎無區別，均小于5 ms，微輻射元可工作于200 Hz以上。

圖7 性能仿真結果。（a）表觀溫度與功率關系；（b）輻射亮度與電壓控制關系；（c）熱響應曲線

樣品制備與工藝驗證

制備方案

采用在CMOS晶圓上方繼續加工，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，可對芯片設計和微輻射元陣列設計分別驗證，降低試錯成本。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

小陣列制備與測試

設計了640×410微輻射元陣列，在帶有金屬網絡的8 in(1 in=2.54 cm)晶圓上進行了MEMS工藝流片實驗。圖9為微輻射元陣列的微觀圖像，圖中單元結構清晰可見，圖形均勻，在去除犧牲層后，金屬柱與橋腿可支撐橋面，且無明顯形變，與預測一致。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絡的設計可對陣列進行抽樣點亮，圖10為陣列樣品的角落區域與中間區域的4×1 pixel在空氣中驅動的長波紅外圖像，結果顯示電學連接正常，微輻射元可正常驅動。在驅動加熱功率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。考慮到大氣環境和真空環境中像素熱導相差約有3倍，測試結果與設計仿真結果基本相符。嚴格的性能測試需要集成CMOS電路并將陣列進行真空封裝方可進行。初步測試結果證明了設計的可行性。

圖10 640×410陣列樣品的角落（a）與中間（b）處的4×1 pixel在空氣中驅動的長波紅外圖像

結論

針對大規模高輻射效率電阻陣紅外景象產生器的研制設計需求，提出了CMOS像素驅動電路與高占空比微輻射元陣列一體化的設計方案。驅動電路兼容掃描模式和快閃模式。微輻射元占空比達51%。設計仿真表明，在0.6 mW功率驅動下，熱響應時間小于5 ms，陣列像元的最高中波紅外表觀溫度達658 K，最高長波紅外表觀溫度達582 K，應力翹曲小于300 nm。本文提出了完整的MEMS工藝制備方案，通過小陣列流片驗證了制備方案可行性，并通過初步測試驗證了樣品的功能完整性。該設計實現了高輻射效率和強可拓展性，為大規模電阻陣的研制指明了方向。

審核編輯：彭菁