專利名稱：利用輻射熱檢測(cè)器檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用輻射熱檢測(cè)器檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備。本發(fā)明的應(yīng) 用領(lǐng)域尤其涉及紅外成像。
背景技術(shù)：
在紅外檢測(cè)器領(lǐng)域中，已知可以使用設(shè)計(jì)成陣列形式能夠在環(huán)境溫度 下工作(即，不需要冷卻到非常低的溫度)的設(shè)備，這些設(shè)備與被稱作"量 子紅外檢測(cè)器"的檢測(cè)設(shè)備形成對(duì)比，后者只能在非常低的溫度下(通常 是在液氮溫度下)工作。
這些非冷卻檢測(cè)器傳統(tǒng)上使用合適材料的、作為在大約300K的溫度 的函數(shù)的某個(gè)物理量的變化進(jìn)行工作。在輻射熱檢測(cè)器的情形下，該物理 量為電阻率。
這種非冷卻檢測(cè)器一般涉及 -吸收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱的裝置；
—使檢測(cè)器熱絕緣從而使其溫度由于要檢測(cè)的紅外輻射的影響而升高的
裝置；
-在輻射熱檢測(cè)器的情形中，^"吏用電阻元件的測(cè)溫裝置；
—以及所述測(cè)溫裝置提供的電信號(hào)的讀取裝置。
打算用于紅外成像的檢測(cè)器傳統(tǒng)上被制成單元檢測(cè)器的一維或二維 陣列，所述陣列被"單片"形成或安裝在通常由硅構(gòu)成的基底上，而該基 底合并了順序地尋址單元檢測(cè)器的裝置以及對(duì)由這些單元檢測(cè)器產(chǎn)生的 電信號(hào)進(jìn)行電激發(fā)(激勵(lì))的裝置和進(jìn)行預(yù)處理的裝置.這些順序?qū)ぶ费b 置、電^L裝置和預(yù)處理裝置形成在基底上，并構(gòu)成讀取電路。
為了使用該檢測(cè)器來(lái)獲得景象,通過(guò)合適的光學(xué)系統(tǒng)將景象投影到單 元檢測(cè)器陣列上，其中每個(gè)單元檢測(cè)器構(gòu)成圖像點(diǎn)或像素，時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的電 激勵(lì)通過(guò)讀取電路被施加到每個(gè)單元檢測(cè)器或者施加到這種檢測(cè)器的每
一行，以便獲得電信號(hào)，該電信號(hào)是由每個(gè)所述單元檢測(cè)器所達(dá)到的溫度 的圖像。然后，該信號(hào)由讀取電路或多或少地進(jìn)行處理，然后，如果可用， 則由封裝之外的電子設(shè)備進(jìn)行處理，以便產(chǎn)生所觀察景象的熱圖像。
當(dāng)使用輻射熱檢測(cè)器時(shí)，所遇到的最主要的困難是，相對(duì)于這些檢測(cè) 器的電阻的平均值而言，表示所觀察景象的局部溫度變化的這些電阻的相 對(duì)變化是非常小的。
輻射熱檢測(cè)器和基底之間由構(gòu)造所決定的有限熱阻的存在意味著基 底溫度對(duì)輻射熱檢測(cè)器溫度的影響比入射通量所導(dǎo)致的溫度變化要敏感 得多，而從要檢測(cè)信號(hào)的角度看，入射通量所導(dǎo)致的溫度變化是唯一要考 慮的變化。因此，在正常的熱穩(wěn)定條件下基底溫度的殘^M^伏會(huì)在從輻射 熱檢測(cè)器所獲得的信號(hào)中產(chǎn)生不想要的成分，該成分會(huì)對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生不 利影響，如果檢測(cè)器沒(méi)有這種熱穩(wěn)定系統(tǒng)的話就^A如此，而使用沒(méi)有這 種熱穩(wěn)定系統(tǒng)的檢測(cè)器以降低成本的情形越來(lái)越多。傳統(tǒng)地，對(duì)基底進(jìn)行 熱控制以便防止或者至少是限制這種效應(yīng)。
另外，使用"補(bǔ)償"結(jié)構(gòu)，以便使焦平面溫度對(duì)檢測(cè)器響應(yīng)的影響最 小。使用這些結(jié)構(gòu)來(lái)產(chǎn)生所謂的補(bǔ)償電流，這些結(jié)構(gòu)通常是稱作"盲輻射 熱檢測(cè)器"的輻射熱檢測(cè)器，即，對(duì)入射的光通量不敏感而對(duì)基底溫度敏 感的輻射熱檢測(cè)器，其中，根據(jù)電路的配置方式，從成像輻射熱檢測(cè)器(即， 檢測(cè)輻射熱檢測(cè)器)所獲得的電流中減去所述補(bǔ)償電流。
通常，建立這些補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，使得它們相對(duì)于基底具有非常低的熱阻， 不像成像輻射熱檢測(cè)器一樣。
這樣，消除了大部分所謂的"共模電流"，即不代表源于要檢測(cè)的景 象的信息的電流。
另夕卜，有利的是，由于所述補(bǔ)償結(jié)構(gòu)基本上與讀取電路從而與焦平面 具有同樣的溫度，所以，這實(shí)際上允許顯著地抑制焦平面溫度的任何波動(dòng)。 將這些補(bǔ)償結(jié)構(gòu)"同一地"、重復(fù)地安排在陣列的每個(gè)列中以減小電路的 復(fù)雜性和總尺寸是一種已知的手段。
當(dāng)每次一行地圖像進(jìn)行電子掃描時(shí)，用同一補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)輻射熱 檢測(cè)器列順序地進(jìn)行補(bǔ)償。然而，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)固有地呈現(xiàn)出電阻的空間變化 性，這是由于在其制造過(guò)程中所使用的技術(shù)處理(這些技術(shù)處理通常源自 半導(dǎo)體工業(yè))所造成的。
另外，盲輻射熱檢測(cè)器(像成像輻射熱檢測(cè)器)以及讀取電路的某些
功能通常受噪聲現(xiàn)象(具體說(shuō)是所謂的"l/f"噪聲)的影響。1/f噪聲通 常使傳感器輸出水平產(chǎn)生低頻漂移(特別是極低頻漂移)，這對(duì)圖像質(zhì)量 有不利的影響。補(bǔ)償信號(hào)的低頻變化從一個(gè)列到下一個(gè)列是不同步的，該 低頻變化使得補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的列排列對(duì)圖像的質(zhì)量有負(fù)面影響。除了采取某些 特殊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)措施以減小這種變化性之外， 一般地，必須開(kāi)發(fā)補(bǔ)償算法 并將之運(yùn)用到成像器的輸出上以便提高圖像質(zhì)量。
在例如下列應(yīng)用中說(shuō)明了使用盲輻射熱檢測(cè)器的電阻型輻射熱檢測(cè)
器的讀取電路
* "Uncooled amorphous silicon technology enhancement for 25 jim pixel pitch achievement" ， E. MOTTIN et al; Infrared Technology and Applications XXVIII, SPIE Vol. 4820;
* "320 x 240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric and process control applications", B. FIEQUE et al, Optical Systems Design Conference, SPIE 5251， Sept 29;
* "Low cost amorphous silicon based 160 x 120 uncooled microbolometer 2D array for high volume applications", C. TROUILLEAU et al， Optical Systems Design Conference SPIE 5251-16。
圖1示意性示出讀取輻射熱檢測(cè)器的活動(dòng)陣列的原理。
像素l (在這里，術(shù)語(yǔ)"像素"的解釋延伸為是指在一個(gè)單元檢測(cè)點(diǎn) 的影響下的全部結(jié)構(gòu))包括活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器2、 NMOS電荷注入晶體管 3以及將像素1連接到讀取列5的開(kāi)關(guān)4,像素l在這里用虛線表示。補(bǔ) 償結(jié)構(gòu)6在所討論的技術(shù)領(lǐng)域中使用的術(shù)語(yǔ)中也被稱作基準(zhǔn)限幅器(base clipper )，它包括與電源VSK和PMOS電荷注入晶體管8相連的盲輻射 熱檢測(cè)器7。在正常的操作期間，PMOS晶體管處于飽和模式。其電流Ic。mp 流過(guò)補(bǔ)償臂，用下面的表達(dá)式來(lái)定義
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中
* Ve。mp表示橫跨補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器7終端的電壓；
* Rc。呻表示所述補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器的電阻。流過(guò)包括NMOS電荷注入晶體管3的活動(dòng)臂的電流由下述關(guān)系表示:
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中
L表示活動(dòng)臂的電流；
Vae表示橫跨活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器2終端的電壓；
Rae表示所述活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器的電阻。
選取MOS電荷注入晶體管的偏壓，使得在沒(méi)有任何入射的景象光通 量時(shí)(即，例如，當(dāng)系統(tǒng)光關(guān)閉時(shí))，活動(dòng)臂和盲補(bǔ)償臂之間的電流差
dI=Icomp-Iac基本上為零。
讀取活動(dòng)臂是兩步操作。第一步包括閉合"復(fù)位"開(kāi)關(guān)9，使運(yùn)算放 大器11的積分電容10短路。于是有
Vou產(chǎn)V"BUS
因此，由虛線5所示的讀取列5的電勢(shì)為VBUS。然后，斷開(kāi)"復(fù)位" 開(kāi)關(guān)9并閉合"選擇"開(kāi)關(guān)4從而將像素1連接到讀取列5上。在有限的 積分時(shí)間Tint內(nèi)由電容Cint10對(duì)電流差dl進(jìn)行積分。在參考情形中，即 在，見(jiàn)察溫度均勻的景象的情形中，積分產(chǎn)生了被稱作"連續(xù)電平"或NC 的輸出電壓電平，這通常顯示了成像陣列的變化性。這是用來(lái)表征讀取活 動(dòng)輻射熱檢測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)方法。
Cint
對(duì)輻射熱檢測(cè)器施加偏壓以確保動(dòng)態(tài)輸出信號(hào)響應(yīng)和活動(dòng)補(bǔ)償。
通it^J"最后一項(xiàng)考慮函數(shù)dl(t)在Tint上的積分可以獲得更嚴(yán)格的表 達(dá)式，這是因?yàn)殡娏鱅ae和I,p不是常數(shù)。然而，為了清SA見(jiàn)，上W 達(dá)式足以說(shuō)明要考慮的參數(shù)了 。
該讀取系統(tǒng)有某些局限，這些局限與在讀取電路上復(fù)制列補(bǔ)償模式
(columnar compensation pattern)的方式碎目關(guān)。事實(shí)上，每個(gè)歹'J都有^卜 償輻射熱檢測(cè)器和PMOS電荷注入晶體管。這些不同元件從一列到下一 列的不完美復(fù)制會(huì)導(dǎo)致不均勻的補(bǔ)償效率，而這種不完美的復(fù)制是所采用 的制造技術(shù)的 ￡的空間變化性所固有的。該統(tǒng)計(jì)上的變化性使得補(bǔ)償電 流從一列到下一列是不均勻的，并引起出現(xiàn)可看到的列差異，而這個(gè)列差 異會(huì)影響有用信號(hào)。
電阻Rc。mp的變化ARe。mp產(chǎn)生下述形式的電流變化
祉o琴=—2 -編o = - " M，
補(bǔ)償電流也可以表示為MOSFET電荷注入晶體管的電流方程的函 數(shù)，表達(dá)式如下
= ^ -
2 、
其中，
* Hp表示正栽流子的遷移率；
* C。x表示柵氧電容；
* Wp表示PMOS溝道寬度；
* Lp表示PMOS溝道長(zhǎng)度；
* Vsgp表示PMOS晶體管的柵極電壓；
* V腿表示PMOS晶體管的閾值電壓。
這個(gè)方程中的許多參數(shù)可能變化，因此會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償電流的列不均勻 性。顯然，從一列到下一列的平版印刷(lithographic)^^故Wp和Lp涉及電 流差異。溝道長(zhǎng)度的波動(dòng)也是這種不均勻性的可能的原因之一。有一些本 領(lǐng)域技術(shù)人員很熟悉的技術(shù)用來(lái)限制這些變化。
相反，閾值電壓VthP的變化產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題。假設(shè)閾值電壓的變化為 8Vth，則列電流的變化就可以表示為
<formula>formula see original document page 7</formula>除了該靜態(tài)變化外，圖1所示的電游^還對(duì)與1/f噪聲相關(guān)的低頻波動(dòng)
敏感。在兩個(gè)頻率fmin和fn^之間所產(chǎn)生的1/f噪聲功率按照下面的關(guān)系 通過(guò)對(duì)這兩個(gè)界限之間的噪聲鐠密度進(jìn)行積分來(lái)表示
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，
kB為玻爾茲曼常數(shù)；
!^表示材料的l/f噪聲系數(shù)。
在兩個(gè)積分界限fmin和f，x之間，由補(bǔ)償結(jié)構(gòu)增加的噪聲功率(如上 式所表示的)對(duì)于每十倍頻率增加一個(gè)恒定增量。補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器被一 直施加偏壓，因此可以認(rèn)為積分期間的頻率下限fmin是非常低的，以至于 一旦激活了檢測(cè)器，該分量就在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi) 一直是具有能量的。列干擾(本 領(lǐng)域的技術(shù)人員將其解析地表示為上面的噪聲功率)表現(xiàn)為偏移，如果考 慮比幀頻率低的頻率的話，該偏移在一階下從一個(gè)圖像到下一個(gè)圖像是不 變的，但如果裝有這種檢測(cè)器的照相機(jī)工作了幾分鐘的話，該偏移在較長(zhǎng) 的時(shí)間上是可變的。
除了該P(yáng)艮制外，市場(chǎng)的趨勢(shì)是采用像素?cái)?shù)更多的輻射熱傳感器，這意 味著，從最遠(yuǎn)處的活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器的角度來(lái)看，每個(gè)列的補(bǔ)償輻射熱檢 測(cè)器充當(dāng)著"局部的"溫度參考，而在小的成像器中，所述補(bǔ)償輻射熱檢 測(cè)器可以充當(dāng)絕對(duì)的溫度參考。因此，如果不管是什么起源的熱源(例如， 局部耗散或多或少熱量的電路元件)能夠影響全部或者部分的補(bǔ)償輻射熱 檢測(cè)器的話，那么后者就根據(jù)它們與干擾源的距離而受到影響，從而產(chǎn)生 補(bǔ)償電流分布，這個(gè)電流分布不合乎由與此無(wú)關(guān)的感光輻射熱檢測(cè)器所感 受到的基底溫度的變化，或者， 一般來(lái)說(shuō)，補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器受到所述熱 源的影響是不同的。
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)設(shè)備，該檢測(cè)設(shè)^^吏用單個(gè)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)并且可以克 服圖像質(zhì)量的局限，尤其是與列反差的差異相關(guān)的局限。

發(fā)明內(nèi)容
這種用于檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備包括對(duì)入射輻射敏感的并被稱作"活動(dòng) 的"的輻射熱檢測(cè)器的陣列，和對(duì)所述輻射不敏感的并被稱作"盲的"的 輻射熱檢測(cè)器，所述陣列和盲輻射熱檢測(cè)器被形成在基底上，在基底上也
形成有讀取電路，用來(lái)順序地對(duì)所述陣列的每行檢測(cè)器進(jìn)行尋址，處于單 個(gè)行中的每個(gè)活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器被同時(shí)施加偏壓。
根據(jù)本發(fā)明，所述讀取電路還包括
基于所述盲輻射熱檢測(cè)器來(lái)產(chǎn)生參考電流的裝置；
*將所述參考電流同時(shí)復(fù)制給所述陣列的每列的裝置；
*多個(gè)電流積分器，每個(gè)積分器與所述陣列的一列相關(guān)，并用來(lái)對(duì)流過(guò) 當(dāng)前正被讀取的行中的活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器的電流和所述那樣復(fù)制的參考 電流之間的電流差進(jìn)行積分。
換句話說(shuō)，整個(gè)輻射熱檢測(cè)器陣列由單個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)補(bǔ)償，從而可以防止 使用現(xiàn)有技術(shù)中的檢測(cè)器時(shí)所觀察到的列反差。
根據(jù)本發(fā)明，產(chǎn)生參考電流的裝置包括
*電源線，與所述盲輻射熱檢測(cè)器的端子之一相連；
*電荷注入晶體管，與所述盲輻射熱檢測(cè)器的另一端子相連，以^更通過(guò) 施加到其柵極上的電壓產(chǎn)生所述參考電流；
電流電壓轉(zhuǎn)換器，將所述參考電流轉(zhuǎn)換為參考電壓。
根據(jù)本發(fā)明，所述盲輻射熱檢測(cè)器可以由一個(gè)或多個(gè)彼此相連的單元 盲輻射熱檢測(cè)器構(gòu)成。這個(gè)或這些盲輻射熱檢測(cè)器的產(chǎn)生方式類似于活動(dòng) 輻射熱檢測(cè)器，但其相對(duì)于基底的熱阻可以忽略不計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明，將所述參考電流同時(shí)復(fù)制給所述陣列的每個(gè)列的所述裝 置由位于所述每列中的電流鏡構(gòu)成，所述電流鏡各自包含電壓電流轉(zhuǎn)換 器。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)有利的方面，每列中所使用的電流鏡為差分電流鏡。


通過(guò)下面參考附圖并且僅由示例方式所給出的說(shuō)明，更容易理解本發(fā) 明的實(shí)現(xiàn)方式及其優(yōu)點(diǎn)。
圖l是用于讀取活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器陣列的原理的示意圖，如上所述；
圖2是類似于圖1的示意圖，但示出本發(fā)明的一般原理；
圖3是類似于圖2的本發(fā)明另 一個(gè)實(shí)施例的示意圖，示出參考結(jié)構(gòu)中 的電流源和差分電流鏡以及每列的結(jié)構(gòu)的差分電流鏡。
具體實(shí)施例方式
在其余說(shuō)明中，在可應(yīng)用時(shí)，使用相同的附圖標(biāo)記來(lái)識(shí)別相同的或者 具有同樣功能類型的元件。
一般來(lái)說(shuō)，如已經(jīng)說(shuō)明的，在生成了讀取電路的M底上形成輻射熱 檢測(cè)器的陣列。該基底在其活動(dòng)結(jié)構(gòu)的區(qū)域，即在感光區(qū)的正下方，覆蓋 了金屬反射層。該反射層采用已知方式來(lái)設(shè)計(jì)，用來(lái)在基底和檢測(cè)器的吸 收部分之間形成1/4波腔。
利用"鋪砌的"懸浮膜來(lái)形成光敏活動(dòng)區(qū)(optically active area )，該 懸浮膜位于讀取電5MUi，包括輻射熱檢測(cè)材料。這些膜由基本垂直而導(dǎo) 電的結(jié)構(gòu)來(lái)支撐。這些結(jié)構(gòu)由金屬材料制成，也用來(lái)通過(guò)導(dǎo)電但不導(dǎo)熱的 伸長(zhǎng)結(jié)構(gòu)將讀取電路所產(chǎn)生的激發(fā)電勢(shì)導(dǎo)向每個(gè)單元輻射熱檢測(cè)器的膜 的導(dǎo)電部分(也稱作"電極")。
該熱阻也被稱作"熱隔離"，用來(lái)允許輻射熱檢測(cè)器的溫度由于要檢 測(cè)的紅外輻射效應(yīng)的緣故而升高。
讀取電路順序地應(yīng)用流過(guò)懸浮結(jié)構(gòu)的電流。該電流流過(guò)一種材料，該 材料的電阻率隨著溫度而變化，并被稱為"輻射熱檢測(cè)材料"。在這種應(yīng) 用中最廣泛使用的材料是氧化釩( 一般分子式為VOx)和非晶硅(a-Si )。
為該陣列提供補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)用來(lái)分流流過(guò)構(gòu)成陣列的每個(gè)輻 射熱檢測(cè)器的大部分共模電流，其原理根據(jù)圖2進(jìn)行說(shuō)明。
該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)對(duì)于整個(gè)陣列是唯一的。
才艮據(jù)本發(fā)明的一方面，該單個(gè)的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)18包括由一個(gè)或幾個(gè)單元 輻射熱檢測(cè)器連在一起所構(gòu)成的電阻為Re。mp的盲的，更準(zhǔn)確地i兌^l對(duì)紅 外輻射不敏感的補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器12。電源線13 (VSK)被連接到所述 電阻Rc。mp的一端。所述電阻的另一端與電荷注入晶體管14相連，以<更通 過(guò)施加在所述晶體管柵極上的柵極電壓(GSK)使參考電流(Iref)流過(guò) 補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器12的電阻Re。，。因此，通過(guò)由柵極電壓(GSK)控制 的電荷注入晶體管14可以穩(wěn)定地為盲輻射熱檢測(cè)器12提供偏壓。
電流-電壓轉(zhuǎn)換器15將參考電流(Iref)轉(zhuǎn)換為參考電壓(Vref)。
通過(guò)位于所述列5的電流鏡16將該參考電流(Iref)復(fù)制^個(gè)列， 每個(gè)列包括電壓(Vref)到電流(Iref)轉(zhuǎn)換器。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)電流鏡是很熟悉的，因此這里不需要詳細(xì)對(duì)其進(jìn) fr沈明。只是簡(jiǎn)單地提醒讀者，這種電流鏡是一種專用電路，其由可以將
參考電流W反映(復(fù)制)為輸出電流的晶體管構(gòu)成，該輸出電流理想情 況下等于參考電流，但實(shí)際上總是與參考電流成比例，不管與輸出電^lM目 連的負(fù)載(在本情形中為下述積分器)為多少。
實(shí)際上，電流積分器19由放大器11和電容10形成，其與陣列中的
每個(gè)列5相關(guān)。該積分器用來(lái)對(duì)流過(guò)當(dāng)前正被讀取的行中的活動(dòng)輻射熱檢 測(cè)器2的電流和來(lái)自電流鏡的參考電流(Iref)之間的電流差進(jìn)行積分。
因此，利用電流鏡16，可以將參考電流Uef)根據(jù)電流12復(fù)制給陣
列的全部列。所述列的每一個(gè)具有附加的電流鏡17，以便將電流12的方
向反轉(zhuǎn)成補(bǔ)償電流13，從而使參考電流(Iref)符合通常使用的積分結(jié)構(gòu)。
因此，每個(gè)列中不再有任何補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器，整個(gè)陣列只有單個(gè)的 補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器。
應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，只有活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器2與檢測(cè)器的iM目連時(shí)電流鏡 17才是必須的，這種務(wù)泮不是檢測(cè)器進(jìn)行工作所必須的。因此，可以使 活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器2與電壓VSK或任何大于VBUS的其它電位相連，以便 通過(guò)直接將電流鏡16的晶體管與列5相連來(lái)去掉電流鏡17。
根據(jù)發(fā)明的特定設(shè)備克服了與分布的補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器相關(guān)的變化。 明顯地，消除了列變化的一個(gè)源頭，而該變化正是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的檢測(cè)陣 列的缺點(diǎn)之一。
另夕卜，去掉該傳統(tǒng)上與每個(gè)列相關(guān)的補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器就所用基底的 表面積而言可以節(jié)省大量的空間。提醒讀者的是，這些補(bǔ)償結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有 盡可能小的低頻噪聲水平，以便不會(huì)4吏成像器的總性能退化。為了實(shí)現(xiàn)該 目標(biāo)，需要使用體積較大的感光材料以便產(chǎn)生低噪聲補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，因此，要 求相當(dāng)大的表面積，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)上使用薄層來(lái)制造這些結(jié)構(gòu)。
圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施例由于所用多個(gè)MOS結(jié)構(gòu)的幾何上的和工 藝上的變化性會(huì)有一些局限。使用本領(lǐng)域人員所熟悉的緊密設(shè)計(jì)技術(shù)不能 將用來(lái)將電流分配到每個(gè)列的電流鏡配對(duì)，這是因?yàn)樵谕ǔＳ龅降膽?yīng)用中 所述電流鏡的兩個(gè)臂之間的距離很容易為幾個(gè)毫米。另夕卜，在使用電流鏡 結(jié)構(gòu)分配電流時(shí)，不可能使用已知的倒反饋(inverse feedback)技術(shù)，因?yàn)樗械碾娏麋R有共同的參考臂。
為了克服這些局限，在圖3所示的一個(gè)有利的實(shí)施例中，本發(fā)明建議 使用低^lt的電流鏡，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，采用差分電流鏡。
在這種情形中，根據(jù)已知的設(shè)計(jì)技術(shù)通過(guò)仔細(xì)設(shè)計(jì)晶體管的尺寸，可 以使兩個(gè)緊靠的晶體管配對(duì)。
在這種情形下，保留參考補(bǔ)償結(jié)構(gòu)18。該結(jié)構(gòu)構(gòu)成參考電流源i產(chǎn)W。
它與差分電流到電壓轉(zhuǎn)換器22相連，差分電流到電壓轉(zhuǎn)換器22按已知的
方式包括至少一個(gè)電流鏡和若干電流發(fā)生器。
更準(zhǔn)確地說(shuō)，該轉(zhuǎn)換器包括
*共模電流Ie。m的源24;
進(jìn)行I隱+Iref/2操作的電流加法器25;
*進(jìn)行Ic。m-Iref/2 ^Mt的電流減法器26。
該轉(zhuǎn)換器可以確保電流到電壓轉(zhuǎn)換，以便分別定義下面
與電流UIref/2等價(jià)的參考電壓Vcmd+;
與電流Ie。m-Iref/2等價(jià)的參考電壓Vcmd-;
這兩個(gè)參考電壓被分布在檢測(cè)設(shè)備的全部列中。
因此，該轉(zhuǎn)換器由單個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，為整個(gè)檢測(cè)器所共用，并用附圖標(biāo)
記20來(lái)表示。
每個(gè)列包括電壓到電流轉(zhuǎn)換器23，每個(gè)電壓到電流轉(zhuǎn)換器23包括 兩個(gè)電壓到電流轉(zhuǎn)換器27、 28，它們分別將參考電壓V^d+轉(zhuǎn)換成電
流L = Ic。m+Iref/2，以及將參考電壓V咖d-轉(zhuǎn)換成電流12 = Ic咖-Irrf/2;
進(jìn)行I^l2操作的電流減法器29。
差分電流鏡的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及其固有的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是 熟知的，因此，不需要在本發(fā)明的上下文中對(duì)其做進(jìn)一步的詳述。
通過(guò)位于所述列5的每一個(gè)中的電流鏡16可以將從所述電壓到電流 轉(zhuǎn)換器23所獲得的電流復(fù)制給所述每個(gè)列。因此，利用電流鏡16，可以 將參考電流(Iref)根據(jù)電流h復(fù)制給所述陣列的全部列。所述陣列的每 一個(gè)具有附加的電流鏡17，以便將電流h的方向反轉(zhuǎn)成補(bǔ)償電流，從而 使參考電流(Iref)符合上述的積分結(jié)構(gòu)19。
明顯地，在該特定實(shí)施例的情形中，構(gòu)成單個(gè)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)20的晶體管 彼此非?？拷虼巳菀着鋵?duì)。相似地，晶體管27和28位于每個(gè)列中， 因此也容易配對(duì)。相反，后者不能與結(jié)構(gòu)20的晶體管配對(duì)。采用雙差分
電壓Vem/Hy Vcmd-而不是單電壓Vref可以在實(shí)質(zhì)上限制分布在每個(gè)列中的
單元電子結(jié)構(gòu)(MOS)的空間變化性的影響，尤其是就閾值電壓的變化 性而言。因此，與圖2中的實(shí)施例相比，可以獲得更大的準(zhǔn)確度，而在圖 2所示的實(shí)施例中，不可能使晶體管15與16配對(duì)，因?yàn)榫w管16按列 分布。
不管所選的實(shí)施例如何，每個(gè)列中的補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器被去掉了，這 也消除了在諸如圖1所示的常恥險(xiǎn)測(cè)結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的1/f噪聲。
無(wú)可否認(rèn)，在本發(fā)明使用的單個(gè)補(bǔ)償輻射熱檢測(cè)器的工作期間，仍然 有1/f噪聲，但通過(guò)以基底表面積為代價(jià)使用體積足夠大的輻射熱檢測(cè)材 料可以將該噪聲4艮容易地減小到可以忽略的量，而所U底表面積相對(duì)于 成像器的總的表面積而言非常小。
另外，與在圖1中所示根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)的每個(gè)列中構(gòu)造輻射熱檢 測(cè)補(bǔ)償結(jié)構(gòu)所需要的面積相比，所述使用面積是絕對(duì)可以忽略不計(jì)的。
此外，其影響可以施加到所述陣列的全部像素，而不;i從一列到另一 列以不相關(guān)的方式起作用，任何殘余影響的傷害會(huì)小很多。
最后，利用本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的技術(shù)，可以使電流鏡所引入的 1/f噪聲減到最小。
本發(fā)明在使用輻射熱進(jìn)行檢測(cè)的圖像傳感器領(lǐng)域中尤其有用，而不管 光學(xué)檢測(cè)帶和所用的輻射熱傳感器的類型(特別是基于非晶硅(a-Si)、 氧化釩(VOx)和金屬(Ti)，但不限于此)。
除此以外，由于本發(fā)明能夠適應(yīng)各種工作溫度，所以本發(fā)明也可用于 熱控傳感器以及用于焦平面溫度可變的傳感器。
此外，本發(fā)明在各列上具有固有的好的低頻噪聲性能，這就可以將本 發(fā)明所述的檢測(cè)器集成在沒(méi)有快門(mén)的照相機(jī)中。
很顯然，本發(fā)明也完全兼容具有這種快門(mén)的傳統(tǒng)相機(jī)。這就使這種相 機(jī)的制造成本有實(shí)質(zhì)性的減少，并且也簡(jiǎn)化了用戶的使用。
權(quán)利要求
1.一種用于檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備，包括對(duì)入射輻射敏感的并被稱作“活動(dòng)的”的輻射熱檢測(cè)器(2)的陣列，和對(duì)所述輻射不敏感的并被稱作“盲的”的輻射熱檢測(cè)器(12)，所述陣列和盲輻射熱檢測(cè)器被形成在基底上，在基底上也形成有讀取電路，用來(lái)順序地對(duì)所述陣列的每行檢測(cè)器進(jìn)行尋址，處于單個(gè)行中的每個(gè)活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器被同時(shí)施加偏壓，其特征在于，所述讀取電路也包括基于所述盲輻射熱檢測(cè)器(12)來(lái)產(chǎn)生參考電流(Iref)的裝置；將所述參考電流(Iref)同時(shí)復(fù)制給所述陣列的每列的裝置；多個(gè)電流積分器(19)，每個(gè)積分器與所述陣列的一列相關(guān)，并用來(lái)對(duì)流過(guò)當(dāng)前正被讀取的行中的活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器的電流和所述那樣復(fù)制的參考電流之間的電流差進(jìn)行積分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的用于檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備，其特征在于， 所述產(chǎn)生參考電流(Iref)的裝置包括電源線(13),與所述盲輻射熱檢測(cè)器(12)的端子之一相連；電荷注入晶體管(14)，與所述盲輻射熱檢測(cè)器(12)的另一端子相 連，以便通過(guò)施加到其柵極上的電壓產(chǎn)生所述參考電流(Iref);電流電壓轉(zhuǎn)換器(15)，將所述參考電流(Iref)轉(zhuǎn)換為參考電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1和2中任一個(gè)所述的用于檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備， 其特征在于，所述盲輻射熱檢測(cè)器(12)由一個(gè)或多個(gè)彼此相連的單元盲 fe射熱檢測(cè)器構(gòu)成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1到3中任一個(gè)所述的用于檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備， 其特征在于，將所述參考電流(U同時(shí)復(fù)制給所述陣列的每列的所述 裝置由位于每個(gè)所述列中的電流鏡(16)構(gòu)成，所述電流鏡各自包括電壓 電流轉(zhuǎn)換器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備，其特征在于， 每個(gè)所述列中使用的電流鏡為差分電流鏡。
全文摘要
利用輻射熱檢測(cè)器檢測(cè)紅外輻射的設(shè)備，包括對(duì)入射輻射敏感并稱作“活動(dòng)”輻射熱檢測(cè)器的陣列和對(duì)輻射不敏感并稱作“盲的”輻射熱檢測(cè)器，陣列和盲輻射熱檢測(cè)器形成在基底上，基底上也形成讀取電路，用來(lái)順序地對(duì)陣列的每行檢測(cè)器進(jìn)行尋址，單個(gè)行中每個(gè)檢測(cè)用輻射熱檢測(cè)器被同時(shí)偏壓。讀取電路還包括基于盲輻射熱檢測(cè)器來(lái)產(chǎn)生參考電流的裝置；將參考電流同時(shí)復(fù)制給陣列每列的裝置；多個(gè)電流積分器，每個(gè)與陣列的一列相關(guān)，用來(lái)對(duì)流過(guò)當(dāng)前正讀取的行的活動(dòng)輻射熱檢測(cè)器的電流和復(fù)制的參考電流間的電流差進(jìn)行積分。
文檔編號(hào)H04N5/361GK101339074SQ200810111059
公開(kāi)日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2008年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月2日
發(fā)明者伯努瓦·杜邦, 奧利維耶·勒格拉 申請(qǐng)人:Ulis股份公司