“高分五號”衛星多譜段集成TDI線列紅外探測器

王成剛 東海杰 劉澤巍 謝珩 李冬冰 喻松林

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“高分五號”衛星多譜段集成TDI線列紅外探測器

王成剛 東海杰 劉澤巍 謝珩 李冬冰 喻松林

（華北光電技術研究所，北京 100015）

多譜段集成TDI線列紅外探測器組件是“高分五號”衛星全譜段光譜成像儀的核心器件。為滿足航天型號應用要求，華北光電技術研究所項目團隊立足已有技術基礎，創新性地開發了具有自主知識產權的“多譜段集成TDI線列紅外探測器組件技術”，引領了中國多譜段集成紅外探測器技術的發展，譜段集成數量達到4個，分別實現了短中波4個譜段和長波4個譜段的集成，譜段從短波1.55μm覆蓋至長波12.5μm，并根據探測組件在軌工作剖面，開展了地面8年壽命的試驗考核。測試和試驗結果表明：多譜段集成TDI線列紅外探測器組件產品的性能、環境適應性和可靠性滿足要求。

多譜段集成 時間延遲積分電荷耦合器件 紅外探測器 “高分五號”衛星

0 引言

隨著紅外探測技術在宇航領域的廣泛應用，目前在環境監測、資源調查等應用領域，對多譜段集成紅外探測器[1-3]的需求越來越迫切。其優勢是，通過多譜段（覆蓋短波、中波、長波紅外）集成可以大大減少載荷體積和質量，降低光學設計難度；另外，從獲取的多個譜段的高空間分辨率光譜圖像數據可以從空間匹配和光譜匹配兩方面對地物目標進行分析和識別，從而取得更加豐富的地物目標信息，提高地物目標的探測能力。

隨著紅外探測器技術自身的發展及應用牽引，長線列紅外探測器正在從單譜段向多譜段集成方向發展，集成譜段數量也在逐漸增多。相比于單一譜段紅外探測器，多譜段集成紅外探測器對讀出電路設計提出了諸多挑戰，如低功耗、低噪聲、多譜段集成設計等[4]。為滿足“高分五號”衛星（以下稱GF-5衛星）全譜段光譜成像儀對探測器的需求，在國家重大科技專項支持下，華北光電技術研究所組建了多譜段集成TDI線列紅外探測器組件項目團隊，從2011年開始，開展了組件總體設計、關鍵技術攻關、產品研制和地面驗證等專項攻關工作。

1 多譜段集成TDI線列紅外探測器組件設計

全譜段光譜成像儀紅外探測器組件光譜覆蓋范圍為1.55~12.5μm，共計8個譜段，采用了2個紅外探測器組件，完成8個譜段的集成。短中波組件集成了短波2個譜段、中波2個譜段，共4個譜段（SW1，SW2，MW1，MW2），短波每個譜段探測器像元規模為3 072×3元、中波每個譜段像元規模1 536×3元；長波組件集成了4個譜段（LW1，LW2，LW3，LW4），每個譜段像元規模為1 536×3元。該組件是目前國內集成譜段最多、光譜覆蓋范圍最寬的紅外探測器組件。項目組創新性地開發了具有自主知識產權的“紅外TDI線列探測器多譜段集成技術”，引領了我國多譜段集成紅外探測器技術的發展。

紅外探測器譜段集成示意如圖1所示。紅外焦平面組件總體設計采用紅外探測器大尺寸冷箱封裝結構形式，主要由紅外探測器、冷箱封裝結構和脈沖管制冷機組成。紅外探測器采用3個子模塊（DS1、DS2和DS3）交錯拼接，子模塊由探測器芯片和讀出電路互連而成；探測器芯片采用碲鎘汞外延材料制造光伏二極管陣列，實現光電轉換功能；讀出電路采用數模混合型集成電路，標準0.35μm硅CMOS工藝制造；探測器輸出的電子學信號通過讀出電路進行電荷積分、存儲、放大和順序讀出；探測器芯片與讀出電路芯片采用銦柱倒裝焊接結構互連，實現探測器電信號輸出與讀出電路電子學輸入的連通；封裝結構采用大尺寸冷箱，前端帶有紅外窗片，內部安裝組合濾光片以限定所需波段紅外光譜，實現紅外探測器的波段響應特性；冷箱結構通過適配制冷機進行耦合工作，形成探測器制冷機組件。

圖1 紅外探測器譜段集成示意

2 多譜段集成TDI線列紅外探測器組件研制

在總體設計基礎上，研究組首次提出了單邊電子學引出、非原位注入互連結構設計，解決了讀出電路多譜段集成設計難題；針對4譜段集成信號處理的串擾問題，提出的版圖布線隔離及低寄生效應版圖設計，降低了寄生負載及電路間串擾，最終實現輸出總線負載電容2.7pF，讀出電路譜段內奇偶像元輸出差異小于8mV。

針對雙碲鎘汞芯片共片互連在同一個讀出電路上的特點，開發了多芯片灌膠減薄技術，獲得了溢膠均勻的探測器混成芯片。同時，針對長波12.5μm器件開發襯底減薄工藝，保證了12.5μm長波探測器性能，長波12.5μm器件平均峰值探測率達到8.5×1010cm·Hz1/2·W–1，探測器組件完成了300次開關機可靠性壽命試驗，性能穩定。

探測器譜段間最小間距640μm，且探測器混成芯片全部為背減薄芯片，不能直接進行像元配準，為保證譜段間光譜響應信號互不干擾，根據每個譜段器件光譜響應，對濾光片帶外截止進行了匹配性設計，同時設計特殊對準標識，從而保證每個譜段濾光片與器件精密配準。

基于該組件研制的GF-5衛星全譜段光譜成像儀，是我國第二代推掃型多光譜成像儀（首臺），紅外空間分辨率達到40m，短波絕對輻射定標精度達5%，中波、長波達到1.0K，將滿足我國在環保、國土資源、氣象、農業、減災等領域中的遙感應用。圖2為紅外探測器組件實物，圖3為短波2譜段（SW2）成像儀地面成像。

圖2 紅外探測器組件實物

圖3 短波2譜段（SW2）成像儀地面成像

3 多譜段集成TDI線列紅外探測器組件地面驗證

通過分析研究在軌工作任務剖面，結合紅外探測器的工作特點和可能的失效模式，制定了地面壽命試驗方案，研究組進行了探測器混成芯片電離總劑量輻照和長波探測器組件表開關機壽命試驗。電離總劑量輻照試驗要求產品正常加電工作，用示波器監測產品的輸出波形，劑量率≤5 Rad (Si)/s，總劑量不小于5×104Rad (Si)；開關機壽命試驗要求低溫60±5K到室溫沖擊300次，試驗剖面如圖4。

圖4 探測器組件開關機壽命試驗剖面

電離總劑量輻照試驗選用了3只短中波探測器混成芯片和3只長波探測器混成芯片，完成了電離總劑量輻照試驗和試驗后器件性能測試；選用1臺全譜段光譜成像儀長波紅外探測器組件開展了開關機壽命試驗，受試產品完成300次開關機壽命試驗。

結果表明，紅外探測器組件在試驗前后性能穩定。試驗結果如表1~3所示。

表1 電離總劑量輻照試驗前后短中波混成芯片試驗前后性能測試對比

Tab.1 Performance comparison of short and medium wave hybrid chips before and after ionizing total dose irradiation test

表2 電離總劑量輻照試驗前后長波混成芯片試驗前后性能測試對比

Tab.2 Performance comparison before and after ionizing total dose irradiation test

表3 開關機壽命試驗過程中受試產品性能測試結果

Tab.3 Performance test results of the tested products during the lifetime test of switchgear

4 結束語

在國家重大科技專項的支持下，依據GF-5衛星全譜段光譜成像儀應用要求，創新性地開發了具有自主知識產權的“多譜段集成TDI線列紅外探測器組件技術”，引領了我國多譜段集成紅外探測器技術的發展，并首次在國內研制出4譜段集成紅外探測器組件產品，完成了地面性能測試、環境適應性及可靠性等試驗，組件產品表現出良好的性能和可靠性。

在國家重大科技專項的支持和GF-5衛星型號任務的牽引下，華北光電技術研究所形成了完整的多譜段集成TDI線列紅外探測器組件研制平臺，為后續開展多譜段集成TDI線列紅外探測器組件的研制奠定了良好的基礎。

[1] PEASE C B. Satellite Imaging Instruments[M]. England: Ellis Horwood Limited, 1991.

[2] RIENSTRA J, BALLARD M. Multispectral Focal Plane Assembly for Satellite Remote Sensing[C]// 1998 Institute of Electrical and Electronics Engineers Aerospace Conference, New Mexico, 1998.

[3] DAHLIN M J, O'ROURKE E J. Advanced Focal Plane Array Systems for Next-generation Scanning Remote Sensing Instrument[J]. Proc. of SPIE, 2003, 4820: 406-417.

[4] 王成剛, 劉澤巍, 袁媛, 等. 多譜段線列紅外探測器讀出電路設計優化[J]. 激光與紅外, 2017, 47(6): 736-739. WANG Chenggang, LIU Zewei, YUAN Yuan, et al. Optimization and Design of ROIC for Multispectral Linear Infrared Detector Array[J]. Laser & Infrared, 2017, 47(6): 736-739.(in Chinese)

Development of Multispectral TDI Linear Infrared Detector for GF-5 Satellite

WANG Chenggang DONG Haijie LIU Zewei XIE Heng LI Dongbing YU Songlin

（North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China）

The multispectral linear TDI infrared detector array is one of the core detectors for the full-spectral-band imaging spectrometer of GF-5 satellite. In order to meet the application requirements, we developed “multispectral linear TDI infrared detector array technology” innovatively with self-owned intellectual property rights. This is the leading technology in the multispectral integrating infrared detector in China. The SW-MW multispectral integrating infrared detector and LW multispectral integrating infrared detector have 4 spectral-bandwidths respectively, covering the spectral band from 1.55μm to 12.5μm. According to the working profile of the spectrometer on orbit, we have verified the lifetime of 8 years by tests on ground. Test results show that the performances, the environmental adaptability and reliability can meet the requirements of the satellite.

multispectral; time delayed and integration charge-coupled device; infrared detector; GF-5 satellite

TP732.2

A

1009-8518(2018)03-0080-05

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.009

王成剛，男，1977年生，研究員級高級工程師，主要從事紅外焦平面技術研究。E-mail：wcgzxy77@126.com。

2018-04-16

國家重大科技專項工程

（編輯：陳艷霞）