具有帶有集成金屬層的紅外成像器的系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】具有帶有集成金屬層的紅外成像器的系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年11月27日提出的申請?zhí)枮?1/730，435，題為“INFRAREDIMAGER WITH INTEGRATED METAL LAYERS”的美國臨時申請的權益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
[0003]本申請還要求申請?zhí)枮?1/748，018，申請日為2012年12月31日，題為“COMPACTMULT1-SPECTRUM IMAGING WITH FUS1N”的美國臨時專利申請的權益，通過引用的方式將其作為整體合并于此。
技術領域
[0004]本使用新型的一個或者多個實施方式通常涉及熱成像裝置，更具體地，例如，涉及用于實現這種裝置的集成電路。
【背景技術】
[0005]紅外成像裝置，諸如紅外攝像機或其它裝置，通常用紅外傳感器陣列來實現。這種裝置通常被實現為具有提供在紅外傳感器和相關電路之間的互連的集成電路。例如，這種互連可提供在紅外傳感器和讀出集成電路(R0IC)的各種部件之間。
[0006]許多現有的紅外成像裝置用相對大的紅外傳感器陣列來實現。遺憾的是，隨著紅外傳感器的數量的增加，通常需要更大數量的互連金屬層，以提供在紅外傳感器和R0IC部件之間的信號路徑。這使集成電路的設計復雜化，并增加了它們的相關制造成本。
【實用新型內容】
[0007]提供了使用集成電路實現、操作和制造紅外成像裝置的各種技術。在一個實施方式中，一種系統(tǒng)包括焦平面陣列(FPA)集成電路，該焦平面陣列集成電路包括:適于成像場景的紅外傳感器陣列；多個有源電路部件；布置在該電路部件上方且連接到該電路部件的第一金屬層；布置在第一金屬層上方且連接到第一金屬層的第二金屬層；布置在第二金屬層上方且在紅外傳感器下方的第三金屬層，其中第三金屬層被連接到第二金屬層和紅外傳感器；其中第一、第二和第三金屬層是在紅外傳感器和電路部件之間FPA僅有的金屬層；并且其中第一、第二和第三金屬層適于在電路部件和紅外傳感器之間按路線傳送信號。
[0008]在一個實施方式中，電路部件包括包含有多個列放大器、列多路復用器和行多路復用器的讀出集成電路；所述信號對應于由所述紅外傳感器捕獲的圖像幀；和第一金屬層、第二金屬層和第三金屬層適于從紅外傳感器向讀出集成電路按路線傳送信號。
[0009]在一個實施方式中，電路部件包括偏置電路，其中所述信號包括經由所述第一金屬層、第二金屬層和第三金屬層從所述偏置電路向所述紅外傳感器按路線傳送的偏置電壓。所述偏置電路可以適于響應于從1.5伏特至2.8伏特范圍中選擇的調節(jié)電壓提供所述偏置電壓。電路部件可以進一步包括低壓差穩(wěn)壓器，其適于響應于從2.8伏特至11伏特范圍中選擇的外部供應電壓向所述偏置電路提供所述調節(jié)電壓。
[0010]在一個實施方式中，電路部件包括M0SFET晶體管。
[0011]在一個實施方式中，焦平面陣列集成電路進一步包括:在所述有源的電路部件上方且在所述紅外傳感器下方的多層絕緣層，其中所述電路部件、所述第一金屬層、所述第二金屬層、所述第三金屬層和所述紅外傳感器被對應的各個絕緣層隔開；穿過所述絕緣層的第一層以將所述第一金屬層連接到所述電路部件的第一組通孔；穿過所述絕緣層的第二層以將所述第二金屬層連接到所述第一金屬層的第二組通孔；穿過所述絕緣層的第三層以將所述第三金屬層連接到所述第二金屬層的第三組通孔；和穿過所述絕緣層的第四層以將所述紅外傳感器連接到所述第三金屬層的第四組通孔。
[0012]在一個實施方式中，所述信號是第一信號；所述第二金屬層適于在所述電路部件中的第一電路部件和第二電路部件之間按路線傳送第二信號；和其中所述第三金屬層適于在所述電路部件中的第三電路部件和第四電路部件之間按路線傳送第三信號。
[0013]在一個實施方式中，所述紅外傳感器是微測輻射熱儀；紅外傳感器的所述陣列尺寸為80乘60 ;并且所述系統(tǒng)是適于插入到尺寸小于8.5mm乘8.5mm的插槽中的紅外成像豐旲塊。
[0014]在一個實施方式中，所述系統(tǒng)進一步包括適于處理有意模糊的圖像幀的處理器，其中所述模糊的圖像幀包括與所述場景有關的模糊的熱圖像數據和由所述系統(tǒng)引入的噪聲，其中所述處理器適于:使用所述模糊的圖像幀確定多個非均勻校正項，以減少所述噪聲的至少一部分；和將所述非均勻校正項應用于由所述紅外傳感器捕獲的圖像幀。
[0015]在另一個實施方式中，一種方法包括使用焦平面陣列(FPA)集成電路成像場景，該焦平面陣列集成電路包括:適于成像場景的紅外傳感器陣列，多個有源電路部件，布置在該電路部件上方且連接到該電路部件的第一金屬層，布置在第一金屬層上方且連接到第一金屬層的第二金屬層，布置在第二金屬層上方且在紅外傳感器下方的第三金屬層，其中第三金屬層被連接到第二金屬層和紅外傳感器，并且其中第一、第二和第三金屬層是在紅外傳感器和電路部件之間FPA僅有的金屬層；和經由第一、第二和第三金屬層在電路部件和紅外傳感器之間按路線傳送信號。
[0016]在另一個實施方式中，一種制造焦平面陣列(FPA)集成電路的方法包括:形成多個有源電路部件；在該有源電路部件的上方，形成多個絕緣層；在該有源電路部件上方形成第一、第二和第三金屬層；在金屬層和絕緣層上方形成多外紅外傳感器；其中電路部件、第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層和紅外傳感器被對應的各個絕緣層隔開；其中第一、第二和第三金屬層是在紅外傳感器和電路部件之間FPA僅有的金屬層；并且其中第一、第二和第三金屬層適于在電路部件和紅外傳感器之間按路線傳送信號。
[0017]本實用新型的范圍由權利要求書限定，通過引用的方式將這部分合并于此。通過考慮下面對一個或者多個實施方式的詳細描述，將會向本領域技術人員提供對本實用新型實施方式的更加完整的理解以及其中附加的優(yōu)點的實現。下面將參考首先會簡要描述的附圖。
【附圖說明】
[0018]圖1示出了根據本公開實施方式的、被配置為在主機裝置中實現的紅外成像模塊。
[0019]圖2示出了根據本公開實施方式的、裝配后的紅外成像模塊。
[0020]圖3示出了根據本公開實施方式的、并列的置于插座之上的紅外成像模塊的分解圖。
[0021]圖4示出了根據本公開實施方式的、包括紅外傳感器陣列的紅外傳感器組件的框圖。
[0022]圖5示出了根據本公開實施方式的、確定非均勻校正(NUC)項的各種操作的流程圖。
[0023]圖6示出了根據本公開實施方式的、相鄰像素之間的差值。
[0024]圖7示出了根據本公開實施方式的平場校正技術。
[0025]圖8示出了根據本公開實施方式的、應用在圖像處理流水線中的圖5的各種圖像處理技術和其他操作。
[0026]圖9示出了根據本公開實施方式的時域噪聲削減步驟。
[0027]圖10示出了根據本公開實施方式的、圖8的圖像處理流水線的幾個步驟的具體的實施細節(jié)。
[0028]圖11示出了根據本公開實施方式的、附近像素中的空間相關的固定模式噪聲(FPN) ο
[0029]圖12示出了根據本公開實施方式的、包括紅外傳感器陣列和低壓差穩(wěn)壓器的紅外傳感器組件的另一個實現方式的框圖。
[0030]圖13示出了根據本公開實施方式的、圖12的紅外傳感器組件的一部分的電路圖。
[0031]圖14示出了根據本公開實施方式的紅外傳感器組件的一部分的橫截面圖。
[0032]圖15示出了根據本公開實施方式的制造紅外傳感器組件的過程。
[0033]通過參考下面的詳細說明，將會更好的理解本實用新型的實施方式及其優(yōu)點。應當理解的是，相同的參考數字用于表示在一副或者多幅附圖中示出的相同元件。
【具體實施方式】
[0034]圖1示出了根據本公開實施方式的、被配置為在主機裝置102中實現的紅外成像模塊100(例如，紅外照相機或者紅外成像裝置)。在一個或者多個實施方式中，可根據晶圓級封裝技術或者其他封裝技術，實現小形狀因子的紅外成像模塊100。
[0035]在一個實施方式中，紅外成像模塊100可被配置為在小型的便攜式主機裝置102中實現，例如，移動電話、平板電腦裝置、膝上型電腦裝置、個人數字助理、可見光照相機、音樂播放器或者任何其他合適的移動裝置。就這方面而言，紅外成像模塊100可用于向主機裝置102提供紅外成像功能。例如，紅外成像模塊100可被配置為捕獲、處理、和/或管理紅外圖像，并將該紅外圖像提供給主機裝置102，主機裝置102能夠以任何期望的方式來使用該紅外圖像(例如，對該紅外圖像進行進一步的處理、存儲到存儲器中、顯示、由運行在主機裝置102中的各種應用程序使用、輸出到其他裝置、或者其他應用)。
[0036]在各種實施方式中，紅外成像模塊100可被配置為在低電壓電平和寬溫度范圍內工作。例如，在一個實施方式中，紅外成像模塊100可使用約2.4伏、2.5伏、2.8伏或更低的電壓的電源工作，并且可在約_20°C到約+60°C的溫度范圍中工作(例如，在約80°C的環(huán)境溫度范圍中提供合適的動態(tài)范圍和性能)。在一個實施方式中，通過使紅外成像模塊100在低電壓電平下工作，與其他類型的紅外成像裝置相比，紅外成像模塊100自身所產生的熱量較少。因此，紅外成像模塊100在工作時，可利用簡化的措施來補償這種自身產生的熱量。
[0037]如圖1所示，主機裝置102可包括插座104、快門105、運動傳感器194、處理器195、存儲器196、顯示器197和/或其他部件198。插座104可被配置為如箭頭101所示的接收紅外成像模塊100。就這方面而言，圖2示出了根據本公開實施方式的、裝配在插座104中的紅外成像模塊100。
[0038]可由一個或者多個加速度計、陀螺儀或者可用于檢測主機裝置102的運動的其他合適的裝置來實現運動傳感器194。處理模塊160或者處理器195可對運動傳感器194進行監(jiān)控并且運動傳感器194向處理模塊160或者處理器195提供信息，以檢測運動。在各種實施方式中，運動傳感器194可實現為主機裝置102的一部分(如圖1所示)，也可實現為紅外成像模塊100、或者連接到主機裝置102或與主機裝置102接觸的其他裝置的一部分。
[0039]處理器195可實現為任何合適的處理裝置(例如，邏輯裝置、微控制器、處理器、專用集成電路(ASIC)或者其他裝置)，主機裝置102可使用上述處理裝置來執(zhí)行適當的指令，例如，存儲在存儲器196中的軟件指令。顯示器197可用于顯示捕獲的和/或處理后的紅外圖像和/或其他圖像、數據和信息。其他部件198可用于實現主機裝置102的任何功能，如可能期望的各種應用(例如，時鐘、溫度傳感器、可見光照相機或者其他部件)。另外，機器可讀介質193可用于存儲非臨時性指令，可將該非臨時性指令加載到存儲器196中并由處理器195執(zhí)行。
[0040]在各種實施方式中，可大量生產紅外成像模塊100和插座104，以推動它們的廣泛應用，例如，其可應用在移動電話或者其他裝置(例如，需要小形狀因子的裝置)中。在一個實施方式中，當紅外成像模塊100安裝到插座104中時，紅外成像模塊100和插座104的組合所顯示出的整體尺寸大約為8.5mm X 8.5mm X 5.9mm。
[0041]圖3示出了根據本公開的實施方式的、并列的置于插座104之上的紅外成像模塊100的分解圖。紅外成像模塊100可包括透鏡鏡筒110、外殼120、紅外傳感器組件128、電路板170、基座150和處理模塊160。
[0042]透鏡鏡筒110可至少部分的裝入光學元件180 (例如，透鏡)，通過透鏡鏡筒110中的孔112，所述光學元件180在圖3中部分的可見。透鏡鏡筒110可包括大致呈圓柱形的延長部分114，其可用于使透鏡鏡筒110與外殼120中的孔122接觸。
[0043]例如，可由安裝在基板140上的帽130 (例如，蓋子)來實現紅外傳感器組件128。紅外傳感器組件128可包括按列或者其他方式設置在基板140上并由帽130覆蓋的多個紅外傳感器132 (例如，紅外探測器)。例如，在一個實施方式中，紅外傳感器組件128可實現為焦平面陣列(FPA)。這種焦平面陣列可實現為例如真空封裝的組件(例如，由帽130和基板140密封)。在一個實施方式中，紅外傳感器組件128可實現為晶片級封裝(例如，紅外傳感器組件128可以是與設置在晶片上一組真空包裝組件相分離的單片)。在一個實施方式中，紅外傳感器組件128可實現為使用約2.4伏、2.5伏、2.8伏或者類似的電壓的電源來工作。
[0044]紅外傳感器132可被配置為檢測目標場景的紅外輻射(例如，紅外能量)，所述目標場景包括:例如中波紅外波段(MWIR)、長波紅外波段(LWIR)、和/或如在特定應用中所期望的其他熱成像波段。在一個實施方式中，可根據晶片級封裝技術來提供紅外傳感器組件128。
[0045]紅外傳感器132可實現為例如微輻射熱計探測器，或者以任意期望的陣列方向圖案配置以提供多個像素的其他類型的熱成像紅外傳感器。在一個實施方式中，紅外傳感器132可實現為具有17微米像素間距的氧化釩(VOx)探測器。在各種實施方式中，可使用約32X32陣列的紅外傳感器132、約64X64陣列的紅外傳感器132、約80X64陣列的紅外傳感器132或者其他大小的陣列。
[0046]基板140可包括各種電路，其中包括例如讀出集成電路(R0IC)，在一個實施方式中，該讀出集成電路(R0IC)的尺寸比約5.5mmX5.5mm小?；?40還可包括接合焊盤142，其可用于當如圖3所示的那樣裝配好紅外成像模塊100時，與放置在外殼120的內表面上的相輔相成的連接點相接觸。在一個實施方式中，可利用執(zhí)行電壓調節(jié)的低壓差穩(wěn)壓器(LD0)來實現R0IC，以降低引入到紅外傳感器組件128中的噪聲，從而提供改進的電源抑制比(PSRR)。另外，通過實現具有R0IC的LD0(例如，在晶圓級封裝內)，可消耗更少的管芯面積并且需要的離散管芯(或者芯片)較少。
[0047]圖4示出了根據本公開的實施方式的、包括紅外傳感器132陣列的紅外傳感器組件128的框圖。在示出的實施方式中，紅外傳感器132作為R0IC 402的單位晶格陣列的一部分。R0IC 402包括偏置產生和定時控制電路404、列放大器405、列多路復用器406、行多路復用器408和輸出放大器410。可通過輸出放大器410將紅外傳感器132捕獲的圖像幀(即，熱圖像)提供給處理模塊160、處理器195和/或任何其他合適的部件，以執(zhí)行本文所描述的各種處理技術。盡管圖4示出的是8X8的陣列，但是任何期望的陣列配置均可用于其他實施方式中。R0IC和紅外傳感器的進一步描述可在2000年2月22日公開的美國專利N0