專利名稱：檢測(cè)電磁輻射的器件和系統(tǒng)、讀取成像測(cè)輻射熱計(jì)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于微型測(cè)輻射熱器件來(lái)檢測(cè)電磁輻射、更具體地為檢測(cè)紅外輻射的領(lǐng)域。
更具體地，本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)電磁輻射的器件，所述器件包括對(duì)輻射敏感的電阻成〗象測(cè)輻射熱計(jì)和電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)，所述電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)用于電氣連接到信號(hào)整形電路，所述電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)與所述成像測(cè)輻射熱計(jì)電氣關(guān)聯(lián)，使得流經(jīng)電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電流被從流經(jīng)成《象測(cè)輻射熱計(jì)的電流中減去。
背景技術(shù)：
在紅外檢測(cè)器領(lǐng)域，已知使用以矩陣形式配置并且適于在環(huán)境溫度工作(即不需要冷卻至很低的溫度)的器件，這種器件與稱作"量子檢測(cè)器"的檢測(cè)器件形成對(duì)比，所述檢測(cè)器件需要工作在很低的溫度， 一般在液氮
的溫度o
這些未冷卻的檢測(cè)器傳統(tǒng)上利用合適材料的物理量根據(jù)300 K附近溫度的變化。在測(cè)輻射熱檢測(cè)器的情況下，所述物理量是電阻率。
此類未冷卻的檢測(cè)器通常涉及
—吸收紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化成熱量的裝置，
—使所述檢測(cè)器熱絕緣的裝置，使得檢測(cè)器可在紅外輻射作用下#>
熱，
-測(cè)溫裝置，在測(cè)輻射熱檢測(cè)器的情況下，使用電阻元件，—以及讀取由測(cè)溫裝置提供的電信號(hào)的裝置。
用于紅外成像的檢測(cè)器常規(guī)地以基#測(cè)器的一維或二維矩陣形式來(lái)制造，所述矩陣以稱作"單片"的方法來(lái)形成、或被轉(zhuǎn)移到通常由硅制成的襯底，在襯底中構(gòu)成了用于順序?qū)ぶ匪鵬i^本險(xiǎn)測(cè)器的裝置，以及用于電激勵(lì)和預(yù)處理由這些基4*測(cè)器生成的電信號(hào)的裝置。所述襯底和所集成的裝置常被稱作"讀出電路"。
為了通過(guò)所述檢測(cè)器獲取景物，通過(guò)合適的光學(xué)器件使景物投射到基 本檢測(cè)器矩陣上，通過(guò)讀出電路向每個(gè)基本檢測(cè)器或每行此類檢測(cè)器施加
時(shí)鐘控制的電激勵(lì)，以便獲得構(gòu)成由每個(gè)所述基;^企測(cè)器達(dá)到的溫度的圖 像的電信號(hào)。然后，所述信號(hào)由讀出電路、然后可選地由封裝之外的電子 器件更精細(xì)或更簡(jiǎn)單地進(jìn)行處理，以便生成所觀察景物的熱圖像。
使用測(cè)輻射熱檢測(cè)器的主要困難在于代表所觀察景物的局部溫 度變化的檢測(cè)器電阻與它們的平均值相比的相對(duì)變化很小。
事實(shí)上，所觀察景物在8-14nm (對(duì)應(yīng)于地球大氣的透明帶寬，測(cè) 輻射熱檢測(cè)器常用于大氣中)之間的紅外線的熱輻射的物理規(guī)律導(dǎo)致以 下情況當(dāng)景物溫度在300K附近每變化1K，則檢測(cè)器焦平面上有大約 50jiW/cm2的微分功率dP。通過(guò)應(yīng)用上述物理規(guī)律，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以容易地確定所述值。
所述估計(jì)對(duì)于具有f/1光圏(在景物和檢測(cè)器之間高的透射)的光學(xué) 器件并且在下述情況下是有效的當(dāng)檢測(cè)器在指定的波段以外僅接收可忽 略量的能量，例如通常如果所述封裝具有窗口 ，所述窗口在所述區(qū)間內(nèi)是 透明的而在所指出的界限的兩側(cè)是不透明的。
作為推論，在熱平衡時(shí)測(cè)輻射熱計(jì)的與其表面S上吸收的紅外功 率dP有關(guān)的溫度變化dT由下it^達(dá)式給出
dT = Rth dP,
其中Rth是測(cè)輻射熱計(jì)的敏感部分和支撐所述敏感部分的等溫 襯底之間的熱阻，所述敏感部分在紅外輻射作用下被加熱。
因此，對(duì)于具有典型尺寸為大約30fim x 30nm(這代表9 '10-6 112 的面積)的測(cè)輻射熱計(jì)，根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的典型熱阻約為20到 60MK/W，這導(dǎo)致當(dāng)測(cè)輻射熱計(jì)觀察到的景物部分的溫度每變化1K 時(shí)，測(cè)輻射熱計(jì)的溫度升高約0.01K到0.03K。
如果Rb表示在測(cè)輻射熱的敏感材料的兩個(gè)電流流入電極之間觀 察到的電阻，則所得的電阻變化dRb由下i^達(dá)式表示
dRb = TCR dT
其中TCR是在工作溫度附近時(shí)構(gòu)成測(cè)輻射熱計(jì)敏感部分的材料 的電阻的相對(duì)變化系數(shù)，常規(guī)地其對(duì)于本領(lǐng)域常用材料(氧化釩，非
5晶硅)而言接近每K為-2。/。。因此，由景物中1K的變化所產(chǎn)生的電 阻相對(duì)變化dR/R約為0.02到0.06%，或者約為2 '10-4到6 '10力K。
然而如今，所要求的熱成像分辨率遠(yuǎn)高于1K， 一般為0.05K甚 至更小。此類結(jié)果可通過(guò)制備具有很高熱阻Rth的結(jié)構(gòu)并同時(shí)使用復(fù) 雜的技術(shù)來(lái)獲得。然而，仍有測(cè)量極小的電阻相對(duì)變化的需要，如前 面所述典型約為l(T6量級(jí)的電阻相對(duì)變化，來(lái)解析幾十亳開(kāi)爾文 (milliKelvin)的時(shí)空溫度變4匕。
為了闡明^使用這樣小的變化的困難，圖l示出具有電阻Rb的電 阻測(cè)輻射熱計(jì)12的讀取電路的示意圖，其受到紅外輻射、并在其端 子之一連接到預(yù)定的恒定偏置電壓VDDA。讀取電路包括由以下各項(xiàng) 構(gòu)成的積分器10:
-運(yùn)算放大器14,其同相輸入端(+ )設(shè)定在預(yù)定的恒定電壓Vbus;
-電容器16，其具有預(yù)定的電容Cint,并且連接在放大器14的>^相 輸入端(-)和輸出端之間；
-零復(fù)位開(kāi)關(guān)18,其與電容器16并聯(lián)連接，并且可通過(guò)復(fù)位信號(hào)來(lái) 控制。
讀取電路還包括
-第一讀取開(kāi)關(guān)20，其可通過(guò)"選擇"信號(hào)來(lái)控制，并且連接到運(yùn) 算放大器的^jN輸入端(一 );
-MOS注入晶體管22,其中柵極設(shè)定在預(yù)定的恒定電壓GFID，源 極連接到測(cè)輻射熱計(jì)12的另 一端，漏極連接到第 一選擇開(kāi)關(guān)20的另 一端； 以及
-數(shù)據(jù)處理單元23，其連接到運(yùn)算放大器14的輸出端，并根據(jù)運(yùn)算 放大器的輸出端的電壓Vout來(lái)確定由所述測(cè)輻射熱計(jì)所接收的紅外輻射 所引起的測(cè)輻射熱計(jì)12的電阻變化，從而確定紅外輻射。
在測(cè)輻射熱計(jì)12的讀取周期開(kāi)始時(shí)，通過(guò)將復(fù)位信號(hào)設(shè)定在適 當(dāng)?shù)闹祦?lái)將在電容器16的放電周期之后處于閉合狀態(tài)的零復(fù)位開(kāi)關(guān) 18切換到斷開(kāi)狀態(tài)。通過(guò)調(diào)節(jié)"選擇"信號(hào)來(lái)將處于斷開(kāi)狀態(tài)的第 一讀取開(kāi)關(guān)20切換到閉合狀態(tài)。然后流經(jīng)測(cè)輻射熱計(jì)12的電流;故電 容器16積分。當(dāng)從讀取周期開(kāi)始起過(guò)去了預(yù)定的積分時(shí)間△ Tint時(shí)， 第一讀取開(kāi)關(guān)20切換到斷開(kāi)狀態(tài)。則在積分器的輸出端的電壓V。ut、即測(cè)輻射熱計(jì)的電阻Rb的圖像由下述表達(dá)式給出:
其中Vb咖是測(cè)輻射熱計(jì)12的端子上的電壓，為了筒便，假設(shè) Rb在積分時(shí)間T^期間僅輕微變化。
因此，可使用同時(shí)積分(通過(guò)N個(gè)積分器)或順序積分(在位于 行末端或列末端的積分器上，甚至在用于矩陣的單個(gè)積分器上)+艮據(jù) 所述原理來(lái)讀取N個(gè)電阻(測(cè)輻射熱計(jì))的矩陣。
因此當(dāng)紅外景物的投射激發(fā)了所制備的矩陣時(shí)，V。ut將顯示代表 了景物的空間變化(從每個(gè)測(cè)輻射熱計(jì)產(chǎn)生)。可想到在檢測(cè)器之間 上述電壓V一很大程度上包括恒定的部分(稱作"共模"信號(hào))，因 此其在成〗象方面是不重要的。只有VQUt的與(在測(cè)輻射熱計(jì)之間的) 局部差別和所接收光功率的時(shí)間變化(景物隨時(shí)間變化)相關(guān)的極小 變化才構(gòu)成了所觀察景物的有用信號(hào)。
事實(shí)上，微電子電路在電壓(幾伏特)方面的固有限制、測(cè)輻射 熱電阻Rb的易得到和可控制的值(幾十到幾百千歐姆)以及需要^吏
用足夠短的積分時(shí)間將導(dǎo)致使用很大的電容Cint,這無(wú)論如何不適于
每個(gè)基本點(diǎn)或檢測(cè)像素中的可用區(qū)域(關(guān)于測(cè)輻射熱計(jì)的區(qū)域)，甚 至實(shí)際上不適于將所述電容轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)于感測(cè)矩陣的讀取電路的表 面外部，在所述表面外部所述區(qū)域不受限制。因此必須設(shè)置讀取漠式， 所述讀取模式將待積分的電流限制在與可合理得到的電容相適應(yīng)的 電平。
此外，由于在襯底和測(cè)輻射熱計(jì)之間存在熱耦合，襯底經(jīng)受的熱 變化被傳導(dǎo)到測(cè)輻射熱計(jì)。由于通常的測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)此類變化具有很 高的靈敏度，其結(jié)果是有用的輸出信號(hào)被該背景分量所干擾，這對(duì)于 紅外檢測(cè)的質(zhì)量是有害的。
為了克服這些缺陷，提出了第一電阻結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)用于抑制稱作 "參考"電流的共模電流，其中"參考，，電流在下面文獻(xiàn)中描述
爿/rW ( Yutaka Tanake等人，Proc. SPIE， vol 5074)。
參考電阻結(jié)構(gòu)的原理是將圖1中的電阻測(cè)輻射熱計(jì)12與第二相同電阻測(cè)輻射熱計(jì)相關(guān)聯(lián)，所述第二測(cè)輻射熱計(jì)與第一測(cè)輻射熱計(jì)相 同地被極化并且連接到襯底。所述第二測(cè)輻射熱計(jì)還設(shè)置成一般是通 過(guò)不透明的金屬膜而使得對(duì)來(lái)自景物的光線基本上不敏感。第一和第 二電阻測(cè)輻射熱計(jì)還被關(guān)聯(lián)成使得流經(jīng)第二測(cè)輻射熱計(jì)的電流被從 流經(jīng)第一測(cè)輻射熱計(jì)的電流中減去，讀取電路所使用的正是這個(gè)電流 差。
為了區(qū)分這兩個(gè)測(cè)輻射熱計(jì)的功能，對(duì)第一測(cè)輻射熱計(jì)4吏用"成 像，，測(cè)輻射熱計(jì)來(lái)表達(dá)，而對(duì)第二測(cè)輻射熱計(jì)使用"參考"測(cè)輻射熱 計(jì)來(lái)表達(dá)，盡管在某些應(yīng)用、例如測(cè)溫法中不必形成圖像，而是形成 例如溫度測(cè)量量。
圖2A中示意性示出了參考結(jié)構(gòu)24，其繼續(xù)采用圖1中的與稱作 "參考"電路24的電路相關(guān)的元件。參考電路24包括參考測(cè)輻射熱 計(jì)26、 MOS極化晶體管28以及第二讀取開(kāi)關(guān)30,這些部件分別與 成像測(cè)輻射熱計(jì)12、 MOS注入晶體管22以及第一讀取開(kāi)關(guān)20基本 相同。
元件26、 28以及30還以與元件12、 22以及20相同的方式被極 化并設(shè)置，僅有的差別是參考測(cè)輻射熱計(jì)26具有不透明金屬膜32, 以保護(hù)其免受源于景物的輻射。
電阻參考結(jié)構(gòu)還包括電流鏡34，其一個(gè)輸入支路連接到第二讀 取開(kāi)關(guān)30的端子A，而另一個(gè)輸入支路連接到第一讀取開(kāi)關(guān)20的端 子B。所述電流鏡34基本上在端子B處復(fù)制流經(jīng)參考測(cè)輻射熱計(jì)26 的電流h。
使用電流鏡來(lái)使每行具有一個(gè)參考結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的組合沿著矩 陣檢測(cè)器的參考"列"來(lái)布置。電流鏡是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的結(jié)構(gòu)。 它們通常用于復(fù)制遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)中的參考電流，尤其是允許所述參考電流 分布在大量的電路元件中，而不依賴于它們的電阻負(fù)載。
因此，流經(jīng)參考測(cè)輻射熱計(jì)的電流i2基本上等于共模電流，而參 考測(cè)輻射熱計(jì)經(jīng)受與成像測(cè)輻射熱計(jì)相同的來(lái)自襯底的熱變化。因
此，流經(jīng)成〗象測(cè)輻射熱計(jì)的電流^和流經(jīng)參考測(cè)輻射熱計(jì)i2的電流之
差h-i2基本上擺脫了干擾，即共模電流和與襯底的熱變化相關(guān)的分
量。因此所述電流差h - i2基本上對(duì)應(yīng)于成4象測(cè)輻射熱計(jì)12的電阻變 化所引起的電流，所述成像測(cè)輻射熱計(jì)12的電阻變化是由于被源于景物的紅外輻射所加熱而導(dǎo)致。
然而，電阻參考結(jié)構(gòu)技術(shù)上m^制作。事實(shí)上，為了獲得其令人
滿意的操作，保護(hù)測(cè)輻射熱計(jì)的金屬膜32必須對(duì)于源于景物的光線
完全不透明，同時(shí)與所述結(jié)構(gòu)的其它元件熱絕緣，以避免對(duì)參考測(cè)輻射熱計(jì)的任何熱干擾。顯然此類膜難于設(shè)計(jì)和制作。
為了克服上述缺陷，還提出了用于抑制共模電流的稱作"補(bǔ)償"
電阻結(jié)構(gòu)的第二電阻結(jié)構(gòu)，其在下述文獻(xiàn)中描述"t/"c^/Wfl挑o/^/rons si/Zcow efi^/fce附e/if /or 25/i柳/7ix:e/ / /fc/r ac/r/eve附eW (E.Mottin等人,Proc. SPIE， Technology and Application XXVIII, vol. 4820)。
圖2B示意性示出了該補(bǔ)償結(jié)構(gòu)52,其包括測(cè)輻射熱計(jì)50,所述測(cè)輻射熱計(jì)50 —般使用與有源的測(cè)輻射熱計(jì)12相同的材料構(gòu)成，但是由于在構(gòu)造上與襯底相比熱阻很小，并且可選地還具有光罩，因此本質(zhì)上對(duì)入射輻射不敏感。所述補(bǔ)償結(jié)構(gòu)52還包括用于測(cè)輻射熱計(jì)50的極化的晶體管54。稱作"熱化"的測(cè)輻射熱計(jì)50在端子之一連接到固定電壓源VSK,而在另一個(gè)端子連接到晶體管54的源極，晶體管54的柵極被升高到固定電位GSK,而漏極連接到放大器14的反相輸入端(一 )。
電阻50的值和極化被設(shè)定為產(chǎn)生強(qiáng)度與電流Ii相當(dāng)?shù)墓材ｋ娏?3，所述共模電流13在積分器10的求和點(diǎn)上祐^從電流L中減去，因此積分器10對(duì)電流L -13進(jìn)行積分。
如果測(cè)輻射熱計(jì)50的熱阻與成像熱輻射熱計(jì)12的熱阻相比很小， 一般至少差103倍，則所述結(jié)構(gòu)在共模抑制方面是有效的，因?yàn)槿绻皇沁@樣，當(dāng)景物的較暖區(qū)域在這些結(jié)構(gòu)上形成圖像時(shí)就會(huì)形成不代表景物的、對(duì)圖像質(zhì)量有害的不期望的對(duì)比度。例如通過(guò)將測(cè)輻射熱元件50構(gòu)造成直接與襯底相接觸，可實(shí)現(xiàn)所述高熱傳導(dǎo)的結(jié)果。
然而，此類構(gòu)造導(dǎo)致了以下問(wèn)題在技術(shù)組裝期間難以控制結(jié)構(gòu)的平整度，并且實(shí)際上，必須將測(cè)輻射熱計(jì)50形成在與測(cè)輻射熱計(jì)12的敏感膜相同的水平。結(jié)果除非采取復(fù)雜的技術(shù)測(cè)量，否則通常在元件50和襯底之間存在非零熱阻，而復(fù)雜的4支術(shù)測(cè)量對(duì)于這樣制備的檢測(cè)器的制造產(chǎn)出和成本是有害的。
在所述的應(yīng)用參考結(jié)構(gòu)的情況下，所述參考結(jié)構(gòu)至少在使用補(bǔ)償結(jié)構(gòu)期間是有用的，因此必須在這些共才莫抑制結(jié)構(gòu)上提供降低感光度的不透明罩，然而制備此類膜所意味的嚴(yán)重復(fù)雜化必然由于制造中的 額外步驟而帶來(lái)附加成本并且必然降低生產(chǎn)率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過(guò)提出具有共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的結(jié)構(gòu)來(lái)解決上 述問(wèn)題，所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)被有效地與源自景物的輻射隔離，而無(wú) 需使用物理保護(hù)罩。
為此，本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)電磁輻射的器件，所述器件包括電阻 成像測(cè)輻射熱計(jì)和電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)，所述電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)對(duì) 輻射敏感并且用于電氣連接到信號(hào)整形電路，所述電阻共模抑制測(cè)輻射熱 計(jì)與所述成像測(cè)輻射熱計(jì)電氣關(guān)聯(lián)，使得流經(jīng)所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的 電流被從流經(jīng)所述成像測(cè)輻射熱計(jì)地電流中減去。
根據(jù)本發(fā)明，所述器件包括用于通過(guò)向所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)注入 電流來(lái)控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置。
因此，通過(guò)使用用于控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置，可 以將所述電阻設(shè)定為獨(dú)立于源于景物的輻射的值，并由此通過(guò)這些電氣裝 置將所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)與所述輻射隔離。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，所述器件包括一個(gè)或更多個(gè)下述特征。
用于控制所述共模測(cè)輻射熱計(jì)電阻的裝置包括用于將預(yù)定參考電流 注入共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的裝置。
所述控制裝置包括用于在所述共才莫抑制測(cè)輻射熱計(jì)的端子上的電壓 基本等于預(yù)定的參考電壓時(shí)斷開(kāi)所述電流注入裝置的裝置。
在所述電流注入裝置激活期間，所述參考電壓被設(shè)定為比所述共模抑 制測(cè)輻射熱計(jì)的端子上的電壓高的值。
所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)是參考測(cè)輻射熱計(jì)，并且其包括電流鏡，所 述電流鏡適于在一個(gè)支路上電氣連接到所述成像測(cè)輻射熱計(jì)的端子，而在 另一支路上電氣連接到所述參考測(cè)輻射熱計(jì)的端子。
所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)是補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)。
所述控制裝置適于將所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻固定為依賴于 所述襯底的溫度的參考電阻，所述成像測(cè)輻射熱計(jì)形成于所述襯底之上。
10所述成像測(cè)輻射熱計(jì)和所述共模測(cè)輻射熱計(jì)以惠斯登(Wheatstone) 橋的方式布置。
本發(fā)明還涉及一種用于檢測(cè)電磁輻射的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一行 器件的矩陣，每個(gè)器件包括電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)和電阻共模抑制測(cè)輻射熱 計(jì)，所述電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)電磁輻射敏感，所述電阻共模抑制測(cè)輻射 熱計(jì)與所述成像測(cè)輻射熱計(jì)電氣關(guān)聯(lián)，使得流經(jīng)所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì) 的電流被從流經(jīng)所述成像測(cè)輻射熱計(jì)中減去。每個(gè)器件還包括信號(hào)整形電 路，適于電氣連接到所述成像測(cè)輻射熱計(jì)來(lái)讀取其中的電阻變化。所述系 統(tǒng)的檢測(cè)器件是上述類型。
根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例，所述系統(tǒng)包括一個(gè)或多個(gè)下述特征。
用于控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)電阻的裝置適于將其電阻調(diào)整到 獨(dú)立于所述景物的值。
所述信號(hào)整形電路適于在讀取所述成像測(cè)輻射熱計(jì)之前被初始化，并 且用于控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)電阻的裝置適于在所述積分電路初 始化期間調(diào)整所述電阻。
本發(fā)明還涉及一種用于讀取測(cè)輻射熱計(jì)矩陣中的電阻成像測(cè)輻射熱 計(jì)的電阻變化的方法，所述測(cè)輻射熱計(jì)矩陣構(gòu)成用于檢測(cè)所述電磁輻射的 系統(tǒng)。
所述方法包括
-使矩陣的共模電流在共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)中流動(dòng)，
-產(chǎn)生流入所述成像測(cè)輻射熱計(jì)和所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電流 之間的電流差，
-根據(jù)所述電流差來(lái)對(duì)與成〗象測(cè)輻射熱計(jì)有關(guān)的信號(hào)進(jìn)行整形。
根據(jù)本發(fā)明，在使共模電$錄所述共#^制測(cè)輻射熱計(jì)中流動(dòng)的步驟 之前，將所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻調(diào)整在這樣的值，所述值低于所 有這些測(cè)輻射熱計(jì)在暴露于具有接近預(yù)定景物動(dòng)態(tài)范圍上限的溫度的景 物時(shí)的電阻值。


通過(guò)閱讀下述僅作為示例提供的說(shuō)明書并結(jié)合附圖可更好地理解本發(fā)明，在所述附圖中，相同的標(biāo)號(hào)表示相同或相似的元件，并且在附圖中
圖l是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的敏感測(cè)輻射熱計(jì)和其讀取裝置的示意圖2A是以利用了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電阻參考結(jié)構(gòu)和相關(guān)的電路元件的
共模補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)充圖l的示意圖2B是以利用了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電阻補(bǔ)償結(jié)構(gòu)和相關(guān)的電路元件的
共模補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)充圖i的示意圖3A是以利用了根據(jù)本發(fā)明的電阻參考結(jié)構(gòu)的共模補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)充圖2A的示意圖3B是以利用了根據(jù)本發(fā)明的電阻補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的共模補(bǔ)償來(lái)補(bǔ)充圖2B的示意圖4是用于利用圖3A和圖3B中示意性示出的電路來(lái)讀取成〗象測(cè)輻射熱計(jì)的方法的流程圖5A是利用根據(jù)本發(fā)明的參考結(jié)構(gòu)的測(cè)輻射熱檢測(cè)器的示意圖5B是利用根據(jù)本發(fā)明的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的測(cè)輻射熱檢測(cè)器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明的電阻參考結(jié)構(gòu)被布置在測(cè)輻射熱檢測(cè)器中，所述測(cè)輻射熱檢測(cè)器包括
-成像測(cè)輻射熱計(jì)的一維或二維成像矩陣，其布置在對(duì)紅外線透明的光學(xué)器件的焦平面中；
:讀取電路，其形成在矩陣表面下面的襯底中，并且包括用于對(duì)矩陣進(jìn)行逐行尋址和逐列積分的裝置；
-一個(gè)或多個(gè)共模補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)，其位于成像矩陣的每行中，或者可替選地，位于成像矩陣的每列中，但是位于對(duì)成像應(yīng)用而言形成圖像的敏感區(qū)域之外。
測(cè)輻射熱檢測(cè)器的此類設(shè)置是常規(guī)的，因此下面不再更加詳細(xì)地說(shuō)明。對(duì)于更多的細(xì)節(jié)，例如對(duì)于設(shè)置在行末端的參考測(cè)輻射熱計(jì)的應(yīng)用，
可參考文獻(xiàn)"/Vfyi r附fl/ice 6>/ 320x240 t/now/^/丑o/oiwCef-^;/7e
i^c"/ iVflwe Jmi"，， ( Yutaka Tanake等人,Proc. SPIE, vol 5074);而對(duì)于
設(shè)置在列末端的參考測(cè)輻射熱計(jì)的應(yīng)用，可參考文獻(xiàn)"t/wc卯/^/ff附0/p/r0i/s w7Zcow e"/rflwce附^if /or 25〃附/;^ce/ /;/fc/r flc/r/evemewf" (E.Mottin等人,Proc. SPIE Technology and Application XXVIII， vol. 4820)。
參照?qǐng)D3A和5A,現(xiàn)在說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的成像測(cè)輻射熱計(jì)、其讀取電路以及共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的稱作"參考"型的第一優(yōu)選布置。
如圖3A所示，根據(jù)本發(fā)明的參考結(jié)構(gòu)包括參考列38，其中沒(méi)有圖2A中所示現(xiàn)有技術(shù)的降低參考測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)輻射的敏感度的保護(hù)金屬膜，而是提供了用于控制參考測(cè)輻射熱計(jì)26的電阻的電路40。
因此可觀察到參考測(cè)輻射熱計(jì)26可與成像測(cè)輻射熱計(jì)12同樣地經(jīng)受源于景物的紅外輻射。
控制電路40包括恒定電流源42，所述恒定電流源42通過(guò)可由校準(zhǔn)信號(hào)控制的第一校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)44而連接到參考測(cè)輻射熱計(jì)26的端子C。當(dāng)?shù)谝恍?zhǔn)開(kāi)關(guān)44處于閉合狀態(tài)時(shí)，電流源42向參考測(cè)輻射熱計(jì)26注入預(yù)定強(qiáng)度的電流Iw。
控制電路40還包括可通過(guò)玩承信號(hào)控制的第二校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)46, S3S信號(hào)是校準(zhǔn)信號(hào)的互補(bǔ)信號(hào)。所述第二校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)被設(shè)置在測(cè)輻射熱計(jì)的端子C和MOS晶體管28的源極之間。
電路40還包括比較器45，所述比較器45比較參考測(cè)輻射熱計(jì)26的端子C的電壓Vc和預(yù)定的參考電壓Vref。
最后，由比較器45的輸出信號(hào)控制的第三開(kāi)關(guān)48設(shè)置在電流源42
和參考測(cè)輻射熱計(jì)26之間。更具體地，當(dāng)電壓Vref高于端子C的電壓Vc
時(shí)比較器45將第三開(kāi)關(guān)48保持在閉合狀態(tài)，而當(dāng)電壓Vref基本上等于電壓Vc時(shí)比較器45將第三開(kāi)關(guān)48切換到斷開(kāi)狀態(tài)。
圖5A示出包括成像矩陣的測(cè)輻射熱檢測(cè)器，所述成像矩陣由帶有來(lái)自參考結(jié)構(gòu)的共模電流抑制的讀取電路來(lái)讀取，所述參考結(jié)構(gòu)包括上述元件。
現(xiàn)在參照?qǐng)D4來(lái)描述用于讀取由控制電路40所使用的敏感測(cè)輻射熱計(jì)12的方法。
所述方法的第一步驟是初始化步驟50。步驟50特別包括以在以下更加詳細(xì)描述的方式來(lái)選擇電流Iref的值和電壓Vref的值。
然后通過(guò)"復(fù)位"開(kāi)關(guān)18的閉合來(lái)觸發(fā)以恒定電流Iref預(yù)加熱參考測(cè)輻射熱計(jì)26和初始化積分器10的步驟52。"預(yù)加熱"這個(gè)詞在此用來(lái)指 在成像測(cè)輻射熱計(jì)12的常規(guī)讀取周期之前實(shí)施與現(xiàn)有技術(shù)的操作相比的 附加周期。所述附加周期包括將參考測(cè)輻射熱計(jì)26的溫度升高到依賴于 值Iref和Vref的特定值，這在下面說(shuō)明。
應(yīng)注意對(duì)于測(cè)輻射熱計(jì)提及其溫度或電阻是等效的，因?yàn)檫@兩個(gè)量是 相互聯(lián)系的。
為此，調(diào)整選擇信號(hào)的值來(lái)將第一和第二讀取開(kāi)關(guān)20和30切換到斷 開(kāi)狀態(tài)。同時(shí)，調(diào)整校準(zhǔn)信號(hào)的值來(lái)將第一校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)44切換到閉合狀態(tài) 并將第二校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)46切換到斷開(kāi)狀態(tài)。
參考測(cè)輻射熱計(jì)26因此由于電流Iref注入其中而初L極化，并因此經(jīng)歷 由于焦耳效應(yīng)而引起的加熱。
在常規(guī)用來(lái)制造測(cè)輻射熱計(jì)的材料(例如非晶硅或氧化釩)的情況下， 測(cè)輻射熱計(jì)的電阻Rb根據(jù)阿列紐斯(Arrhenius )定律、按下述方程變化
Rb=Rabs x exp(Ea/KT)( 1 )
其中
- Ea是測(cè)輻射熱材料的電導(dǎo)活化能；
- RABS是參考測(cè)輻射熱計(jì)在其溫度趨于無(wú)窮時(shí)的電阻值； -K是玻爾茲曼(Boltzmaim)常數(shù)；以及
—T是測(cè)輻射熱計(jì)的膜被升高到的絕對(duì)溫度。
從方程(1)推導(dǎo)出的電阻Rb的溫度的相對(duì)變化的系數(shù)"TCR" M 示為
TCR=Ea/(KT2)
因此所述量是負(fù)的，并且電阻Rb隨著溫度升高而減小。
仍在步驟S2，還調(diào)整"復(fù)位"控制的電平來(lái)切換零復(fù)位開(kāi)關(guān)18到閉 合狀態(tài)，由此觸發(fā)電容器16的放電，其保持在所述狀態(tài)中直到下述步驟 58。
在隨后的步驟54期間，進(jìn)行測(cè)試來(lái)確定電阻測(cè)輻射熱計(jì)26的電阻 Rb是否基本上等于預(yù)定的電阻Rref。如果所述測(cè)試結(jié)果為負(fù)，則參考測(cè)輻 射熱計(jì)26的預(yù)加熱繼續(xù)。如果不為負(fù)，通過(guò)將參考測(cè)輻射熱計(jì)26與電流 源42斷開(kāi)來(lái)停止參考測(cè)輻射熱計(jì)26的預(yù)加熱，由此結(jié)束測(cè)試步驟54。更具體地，步驟54由比較器45來(lái)執(zhí)行。
根據(jù)歐姆定律，參考測(cè)輻射熱計(jì)26的端子上的電壓Vb可根據(jù)下述方 程來(lái)建模
<formula>formula see original document page 15</formula> (2)
然后比較器45將第三開(kāi)關(guān)48切換到斷開(kāi)狀態(tài)，由此將電路源42與 參考測(cè)輻射熱計(jì)26斷開(kāi)，當(dāng)電壓Vw基本上等于Vc = VDDA - Vb時(shí)，即， 當(dāng)Rb滿足下述方程時(shí)
<formula>formula see original document page 15</formula> (3)
參考測(cè)輻射熱計(jì)26的預(yù)加熱結(jié)束。
應(yīng)注意在預(yù)加熱結(jié)束時(shí)參考測(cè)輻射熱計(jì)所呈現(xiàn)的電阻Rref獨(dú)立于參 考測(cè)輻射熱計(jì)所接收的紅外輻射的量。因此參考測(cè)輻射熱計(jì)26感光度降 低。
事實(shí)上可示出在比較器45將參考測(cè)輻射熱計(jì)26與電流源42斷開(kāi) 時(shí)，參考測(cè)輻射熱計(jì)26所經(jīng)歷的溫度上升6可由下述方程進(jìn)行一階近似
<formula>formula see original document page 15</formula> (4)
可觀察到所述溫度上升不依賴于紅外輻射，而僅依賴于測(cè)輻射熱計(jì)的
內(nèi)部^lt,并因此依賴于控制電路40的參數(shù)，即電流Iref和電壓Vref。
在隨后的步驟58期間， 一旦參考測(cè)輻射熱計(jì)26被預(yù)加熱并且電容器
16枕故電，就開(kāi)始讀取成〗象測(cè)輻射熱計(jì)。
在所述步驟58中，調(diào)整"校準(zhǔn)"信號(hào)的值以將第一校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)44切換 到斷開(kāi)狀態(tài)并將第二校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)46切換到閉合狀態(tài)。
同時(shí)，調(diào)整"選擇"控制信號(hào)的電平以將第一和第二讀取開(kāi)關(guān)20、 30切換到閉合狀態(tài)。
同時(shí)，調(diào)整"復(fù)位"控制信號(hào)的電平來(lái)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)18，以在積分器IO 的輸入端(-)開(kāi)始電流的積分。
這樣，流經(jīng)參考測(cè)輻射熱計(jì)26的電流i2在B點(diǎn)被復(fù)制。因此其在積 分器10的輸入端被從流經(jīng)成像測(cè)輻射熱計(jì)12的電流h中減掉。當(dāng)從第一和第二讀取開(kāi)關(guān)20、 30的閉^^過(guò)去了積分時(shí)間ATint時(shí)， 在60結(jié)束讀取成像測(cè)輻射熱計(jì)的步驟。
在步驟50期間電流Iref和電壓Vref的值被選擇成使得
-在參考測(cè)輻射熱計(jì)的預(yù)加熱開(kāi)始期間，Vref的值低于端子C的電壓
Vc。因此，比較器45的切換條件不會(huì)一開(kāi)始就滿足。反之，參考測(cè)輻射 熱計(jì)26的預(yù)加熱將,皮禁止，并且因此參考測(cè)輻射熱計(jì)將對(duì)輻射敏感；
-在步驟54的結(jié)尾，當(dāng)補(bǔ)償列38的參考測(cè)輻射熱計(jì)觀察到具有接近 預(yù)定義景物動(dòng)態(tài)范圍上限的溫度的景物元素時(shí)，參考測(cè)輻射熱計(jì)26的電 阻低于補(bǔ)償列38的參考測(cè)輻射熱計(jì)26的最小電阻?；蛘哂欣兀?yàn)閰?考測(cè)輻射熱計(jì)26 —般等效于成像測(cè)輻射熱計(jì)12，所以所述值可從上一幀 的讀取中估計(jì)出來(lái)，或更一般地說(shuō)，可從預(yù)定數(shù)量的先前幀的讀取中估計(jì) 出來(lái)。事實(shí)上，在步驟54之前，參考測(cè)輻射熱計(jì)26對(duì)景物敏感。因此，
如果Iw和Vref選得不當(dāng)，比較器45可以瞬時(shí)切換并立刻停止參考測(cè)輻射
熱計(jì)26的加熱。換句話說(shuō)，根據(jù)方程(4)來(lái)選擇高于景物可感應(yīng)出的最 大溫度的溫度6是可取的，也就是說(shuō)，施加低于景物在其最熱點(diǎn)所感應(yīng)的 的電阻是可取的。在 不滿足所述條件的情況下，如果圖像的最熱區(qū)域正好 掃過(guò)參考像素的列，則對(duì)輻射光線的感光度降低可能在一個(gè)或多個(gè)行上無(wú) 效；以及
-考慮幀頻率，參考測(cè)輻射熱計(jì)的電阻達(dá)到Rw所需的加熱時(shí)間短于 可接受的估計(jì)固定時(shí)間。事實(shí)上，與參考測(cè)輻射熱計(jì)的加熱時(shí)間相比，電 容器16的放電幾乎是立刻發(fā)生的。因此，復(fù)位和選擇信號(hào)的定時(shí)可被保 持。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3B和5B來(lái)說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的成像測(cè)輻射熱計(jì)、其讀取 電路以及共才莫抑制測(cè)輻射熱計(jì)的稱作"補(bǔ)償"型的第二優(yōu)選布置。
如圖3B所示，根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的共模抑制結(jié)構(gòu)包括補(bǔ)償行 (compensation line) 52，其中設(shè)置了電路40，所述電路40用于控制補(bǔ) 償測(cè)輻射熱計(jì)50的電阻，所述電路40與上述電路相同，并執(zhí)行上述電路 相同的功能。每個(gè)測(cè)輻射熱計(jì)50可包括一個(gè)或多個(gè)測(cè)輻射熱元件，所述 測(cè)輻射熱元件,皮熱化到襯底，以^f更具有與成卩象測(cè)輻射熱計(jì)12的熱阻相比 為低的但是不可忽略的熱阻，也就是說(shuō)， 一般通過(guò)簡(jiǎn)化方法獲得，尤其無(wú) 需形成對(duì)輻射不透明的罩。
一方面，在第一校準(zhǔn)開(kāi)關(guān)44處于閉合狀態(tài)、并且布置在測(cè)輻射熱計(jì)50的端子D和MOS晶體管54的源極之間的第二開(kāi)關(guān)46同時(shí)處于斷開(kāi) 狀態(tài)時(shí)，電路40向補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50注入預(yù)定強(qiáng)度的電流Iref-C。mp;另一 方面，電路40通過(guò)比較器45將補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50的端子D的電壓VD 與預(yù)定的參考電壓Vwp相比較；最后，在電壓Vref_e。mp高于端子D的 電壓VD時(shí)，比較器45將第三開(kāi)關(guān)48保持在閉合狀態(tài)，并且在電壓Vref_comp 基本上等于電壓VD時(shí)將第三開(kāi)關(guān)48切換到斷開(kāi)狀態(tài)。
圖5B示出包括成像矩陣的測(cè)輻射熱檢測(cè)器，所述成像矩陣由帶有來(lái) 自補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中的共模電流抑制的讀取電路讀取，所述補(bǔ)償結(jié)構(gòu)包括上述元 件。
可以與先前采用的方式相同地通過(guò)一 系列相同的步驟50到54來(lái)描述 用于讀取由控制電路40所使用的敏感測(cè)輻射熱計(jì)12的方法，分別針對(duì)"參
考，，考慮到"補(bǔ)償"、針對(duì)Vref考慮到Vref_c。mp、針對(duì)Iref考慮到Iref-C。mp、
針對(duì)"測(cè)輻射熱計(jì)26"考慮到"測(cè)輻射熱計(jì)50"、針對(duì)"端子C"考慮到 "端子D"、針對(duì)Vc考慮到Vu、針對(duì)VDDA考慮到VSK、針對(duì)Rb考慮
到Rc。mp,其中Rc。mp是補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50的電阻。
步驟54完成時(shí)，補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50的電阻被升高到等于
Vref_comp/Iref-comp的^^^^^t Rcomp-ref。
步驟58和60與前述步斜目同，區(qū)別僅在于開(kāi)關(guān)20涉及待讀取的測(cè) 輻射熱計(jì)的選擇。
在步驟54之前，參考測(cè)輻射熱計(jì)26 Mt但可測(cè)量地對(duì)景物敏感。因
此，如果Iref-e。mp和Vref-e。mp選擇不當(dāng)，比較器45可以瞬時(shí)切換并立刻停
止參考測(cè)輻射熱計(jì)50的加熱。換句話說(shuō)，根據(jù)方程(4)選擇高于景物可 在補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)上感應(yīng)出的最大溫度的溫度6是可取的，也就是說(shuō)，施 加比景物在其最熱點(diǎn)可感應(yīng)的電阻低的電阻是可取的。在不滿足所述M 的情況下，如果圖像的最熱區(qū)域掃過(guò)補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的行，則感光度降低 可能在一個(gè)或多個(gè)列上無(wú)效。
因此，在步驟50期間電 〉"U Iref-comp
和電壓Vref_c。mp的值被選擇成使得
-在補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的預(yù)加熱開(kāi)始期間，Vref-e。mp的值低于端子D的 電壓VD。因此，比較器45的切換條件不會(huì)一開(kāi)始就滿足。反之，補(bǔ)償測(cè) 輻射熱計(jì)50的預(yù)加熱將被禁止，并且補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)輻射的感光度不 會(huì)降低。
-在步驟54的結(jié)尾，當(dāng)補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50觀察到呈現(xiàn)出接近預(yù)定義景物動(dòng)態(tài)范圍上限的溫度的景物元素時(shí)，補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50的電阻
Rc。mp《ef低于補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的最小電阻。
-或者，選擇Iref-c。mp和Vref《咖p的值，4吏得補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)50的電
阻Rc。mp-ref低于在前一幀之后的補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的最小電阻值。優(yōu)選地，所述值可從前一幀的讀取中推斷出來(lái)，在前一幀結(jié)尾將對(duì)補(bǔ)償行的電阻進(jìn)行讀取?；蚋话愕卣f(shuō)，可使用與預(yù)定數(shù)量的先前幀有關(guān)的讀取補(bǔ)償行的結(jié)果；以及
-考慮線讀取頻率，補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的電阻達(dá)到Rref-C。mp所需的加熱時(shí)間短于可接受的估計(jì)固定時(shí)間。事實(shí)上，與補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的加熱時(shí)間
相比，電容器16的放電幾乎是立刻發(fā)生的。因此，復(fù)位和選擇信號(hào)的定
時(shí)可被保持。
由于本發(fā)明，在讀取成像測(cè)輻射熱計(jì)12時(shí)無(wú)需借助物理保護(hù)設(shè)備來(lái)防止源于景物的輻射，就可獲得以下效果
-共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)于源于景物的紅外輻射的感光度降低。事實(shí)上，讀取時(shí)間約為五十到一百微秒，而敏感或參考測(cè)輻射熱計(jì)的熱時(shí)間常數(shù)約為幾個(gè)毫秒。因此可見(jiàn)在最壞情況下，在讀取周期期間由于源于景物的輻射而引起的參考測(cè)輻射熱計(jì)的溫度變化，導(dǎo)致積分器輸入端的 一般低于1%的電流變化。在使用部分熱化的補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的情況下，熱時(shí)間常數(shù)可以與積分時(shí)間大約相同，并且盡管才艮據(jù)結(jié)構(gòu)這些測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)于熱通量的敏感度已經(jīng)較低，但是感光度變?nèi)踹€是相應(yīng)地相對(duì)來(lái)說(shuō)變差，使得只要在積分輸入端的電流變化變得可忽略，則本發(fā)明的結(jié)果就4^人滿意；
-更低的制造成本，因?yàn)橛糜趯?duì)共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻進(jìn)行控制的電路直接包括讀取電路，從而節(jié)省了用于對(duì)輻射感光度降低的罩的制作；
-實(shí)質(zhì)上減少了共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的自然離散(n atu raldispersion),這是由于對(duì)整列參考測(cè)輻射熱計(jì)或整行補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)而言這些元件的電阻以共同的值被施加。
已描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例。
作為替選方案，電流源是可控制的。例如，可預(yù)先確定在預(yù)加熱時(shí)段可變的電流輪廓，以便進(jìn)一步優(yōu)化所述時(shí)段。
作為另一替選方案，選擇W和V^或者
lref-comp
和Vref《。呻的值，以
便在讀取之前使共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)到統(tǒng)一溫度的調(diào)節(jié)結(jié)束時(shí)，在用于控制共模測(cè)輻射熱計(jì)電阻的電路未被激活時(shí)，施加比電阻Rb或Rc。mp在熱平 衡時(shí)的平均值低預(yù)定的絕對(duì)或相對(duì)量的電阻。
下面的論述闡明了對(duì)于使用參考或補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的情況而言，"預(yù)定，，這 個(gè)詞的含義。
事實(shí)上，平衡溫度升高，或與"M目當(dāng)?shù)那闆r，即參考或補(bǔ)償測(cè)輻射熱 計(jì)在檢測(cè)器要檢測(cè)的最大輻射的作用下處于熱平衡時(shí)(即觀察到接近預(yù)期 景物動(dòng)態(tài)范圍的上限溫度的景物時(shí))的電阻，很容易從檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)特征 中、特別是從其熱阻、敏感膜的有效區(qū)域以M檢測(cè)器的敏感譜帶內(nèi)的綜 合吸收系數(shù)中得到。所述電阻也可直接地從位于加熱到所述溫度的黑體前 面的代表檢測(cè)器的校準(zhǔn)過(guò)程中推導(dǎo)出來(lái)。
因此通過(guò)本發(fā)明和選擇適當(dāng)?shù)腎ref和Vw值(或更簡(jiǎn)單地，如果這兩 個(gè)值之一被先驗(yàn)地正確確定的話，選擇另一個(gè))足以施加在前述條件中獲 得的電阻值Rref或Rc。mp-ref,所述適當(dāng)?shù)闹礗ref和Vref由方程Vref / Iref = Rref Vref_co， / Iref畫comp =Rc。mp隱ref相互聯(lián)系。
可選地，可有用的是，為根據(jù)先前表述的通過(guò)對(duì)預(yù)期的景物動(dòng)態(tài)范圍 的感光度降低來(lái)限定的電阻減小補(bǔ)充額外的減小，所述額外的減小用來(lái)限 制共模抑制電阻的自然離散。
為了提供有用的數(shù)量級(jí)并闡明該陳述，以獲得共模抑制結(jié)構(gòu)對(duì)于加熱 到焦平面溫度以上100。 C的景物的感光度降低，與檢測(cè)器在環(huán)境溫度和 沒(méi)有根據(jù)本發(fā)明的電熱化情況下觀察景物時(shí)的平衡溫度相比，必須在積分 之前將參考測(cè)輻射熱計(jì)加熱約2。
C。考慮到本領(lǐng)域的普通測(cè)輻射熱材料，
這等同于將參考測(cè)輻射熱計(jì)的電阻降低約4% 。
此外，如果參考電阻的自然離散約為1%，這代表了最壞的情況，則
必須在積分階段之前通過(guò)本發(fā)明來(lái)將參考電阻減小總共約為5%，以便消
除在信號(hào)整形時(shí)參考電阻的這種自然分布的空間離散效應(yīng)，而不管最高達(dá)
100° C的景物溫度。在所述溫度以上，感光度降低僅在檢測(cè)器的部分行 中最有效，并且共模抑制的自然離散逐漸重現(xiàn)。
至于待施加到補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)的值Iref-e鵬p和Vref-e。mp的選擇，比先前 示例中明顯更小的電阻差別可在相同的景物動(dòng)態(tài)范圍上有效地降低共模 抑制的感光度。
事實(shí)上，對(duì)于比有源測(cè)輻射熱計(jì)對(duì)輻射更不敏感例如100倍的補(bǔ)償測(cè)
輻射熱計(jì)而言，在積分階段之前約20mK的預(yù)先電加熱就足夠了。與前述示例相反，正是獨(dú)立于熱通量的電阻Rc。呵的自然離散限定了 在積分之前待施加的電阻減小，以確保所有列的感光度被降低。事實(shí)上， 如前所述，如果采納約1%的Re謹(jǐn)p空間離散(spatial dispersion),則預(yù) 加熱必須引起至少1%的電阻減小，即相當(dāng)于約1° C。通過(guò)使用在標(biāo)準(zhǔn)
電路領(lǐng)域中可容易獲得的電壓Vref-e。呻和電流Iref《。mp，這樣的溫度上升對(duì) 于電流技術(shù)的所謂熱化結(jié)構(gòu)可在幾微秒期間獲得，與檢測(cè)器的操作的通常 時(shí)間安排相一致。
正是這個(gè)相對(duì)或絕對(duì)的差別被稱作"預(yù)定差別"，所述差別3皮以下述
方式整體考慮或許比前面利用從圖像信號(hào)中推導(dǎo)的估計(jì)來(lái)建議的方式更
少受限定，或?qū)ｉT針對(duì)補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)，但有利地因?yàn)楠?dú)立于電流源而筒 單應(yīng)用的方式。
先前為支持所提出的替選方案而提出的論述令人滿意地并準(zhǔn)確地應(yīng) 用到被保持在固定焦平面溫度的檢測(cè)器上，所述固定焦平面溫度例如通過(guò)
珀耳帖(Peltier)效應(yīng)模塊(TEC )或者通過(guò)調(diào)節(jié)讀取電路的加熱來(lái)調(diào)節(jié)。
如果期望焦平面的溫度改變，如因?yàn)榻?jīng)濟(jì)原因逐漸而廣泛發(fā)生的那 樣，則很重要的是要在共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的熱化條件中提供伴隨的和相 關(guān)的變化，以^f更在檢測(cè)器的工作范圍中的任何溫度，對(duì)于景物的熱通量的 感光度降低而言獲得4Mv滿意的結(jié)果。
為此，可提供類似類型的電路，例如其一般包括至少一個(gè)用于根據(jù)焦 平面(或支撐讀取電路的襯底)的溫度來(lái)充分地控制電壓Vref (相對(duì)應(yīng)地，
Vref-C。mp)或電流Iref (相對(duì)應(yīng)地，Iref-醒p)的元件。典型的元件例如是通
過(guò)測(cè)輻射熱計(jì)來(lái)反饋的運(yùn)算放大器，所述測(cè)輻射熱計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)(補(bǔ)償型， 并位于景物相關(guān)區(qū)域之外)被熱化，所述測(cè)輻射熱計(jì)限定了放大器的增益 與測(cè)輻射熱計(jì)的電阻成比例，這是讀取電路的襯底溫度的典型規(guī)律。
用于焦平面溫度的功能控制目的的另一布置是例如通過(guò)形成在襯底
表面的探測(cè)器，為處理單元28提供焦平面溫度的測(cè)量，所述處理單元在
數(shù)字上進(jìn)行要對(duì)控制共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電壓和/或電流源施加的校 正。
這樣，通篇隱含針對(duì)特定的焦平面溫度而表達(dá)的意見(jiàn)可適用于環(huán)境溫 度附近的寬范圍中的任何其它溫度。
類似地，作為替選方案，如文獻(xiàn)US2003/0146383中所述，成4象測(cè)輻 射熱計(jì)和共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)以惠斯登(Wheatstone)橋的方式布置。本發(fā)明應(yīng)用于帶有測(cè)輻射熱檢測(cè)的圖像傳感器領(lǐng)域，而無(wú)論檢測(cè)頻段或用于制造成像和參考測(cè)輻射熱計(jì)的測(cè)輻射熱材料的類型如何，所述測(cè)輻
射熱材料的類型例如是非晶硅(a-Si)、氧化釩(Vox)、金屬(Ti)。
由于本發(fā)明適于帶有測(cè)輻射熱檢測(cè)的圖像傳感器的各種工作溫度，因此其還同樣適用于熱調(diào)節(jié)傳感器和工作在可變焦平面溫度的傳感器(通常稱作"TEC-LESS")，而不論是否結(jié)合光學(xué)器件提供了快門。
權(quán)利要求
1. 一種用于檢測(cè)電磁輻射的器件，包括電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)和電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26，50)，所述電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)對(duì)要被檢測(cè)的電磁輻射敏感并且用于電氣連接到信號(hào)整形電路(10)，所述電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26，50)與所述成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)電氣關(guān)聯(lián)，使得流經(jīng)所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26，50)的電流被從流經(jīng)所述成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)的電流中減去，其特征在于，所述器件包括用于通過(guò)向所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)注入電流來(lái)控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置(40)。
2. 如權(quán)利要求l所述的用于檢測(cè)紅外輻射的器件，其特征在于，用 于控制所述共模測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置(40)包括用于將預(yù)定參考電流(Iref; lrcf-comp)注入所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的裝置(42)。
3. 如權(quán)利要求2所述的用于檢測(cè)紅外輻射的器件，其特征在于，所 述控制裝置(40)包括用于當(dāng)所述共才莫抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26, 50)的端子(C; D)上的電壓基本上等于預(yù)定的參考電壓(Vref; Vref_c。mp)時(shí)將所述 電流注入裝置(42)斷開(kāi)的裝置(48)。
4. 如權(quán)利要求3所述的用于檢測(cè)紅外輻射的器件，其特征在于，在 所述電流注入裝置(42)的激活期間，所述參考電壓(Vref; Vref-e。mp)被 設(shè)定為比所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的端子(C; D)上的電壓高的值。
5. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于檢測(cè)紅外輻射的器件，其特 征在于，所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)是參考測(cè)輻射熱計(jì)，并且所述器件包括 電流鏡(34)，所述電流鏡(34)適于在第一支路上電氣連接到所述成像 測(cè)輻射熱計(jì)的端子(C)，而在第二支路上電氣連接到所述參考測(cè)輻射熱 計(jì)(26)的端子。
6. 如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，所述共, 制測(cè)輻射熱計(jì)是補(bǔ)償測(cè)輻射熱計(jì)(50)。
7. 如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的器件，其特征在于，所述控制裝 置(40)適于將所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26; 50)的電阻固定為依賴于 襯底的溫度的參考電阻，所述成像測(cè)輻射熱計(jì)(12 )形成于所述襯底之上。
8. 如權(quán)利要求l-7中任一項(xiàng)所述的用于檢測(cè)紅外輻射的器件，其特 征在于，所述成像測(cè)輻射熱計(jì)和所述共模測(cè)輻射熱計(jì)以惠斯登橋的方式布置。
9， 一種用于檢測(cè)電磁輻射的系統(tǒng)，包括至少一行器件的矩陣，每個(gè) 器件包括-電阻成〗象測(cè)輻射熱計(jì)(12 )和電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26; 50 ), 所述電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)(12 )對(duì)電磁輻射敏感，所述電阻共， 制測(cè)輻射熱計(jì)(26; 50)與所述成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)電氣關(guān)聯(lián)， 使得流經(jīng)所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26; 50)的電流被從流經(jīng)所述 成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)的電流中減去，-以及信號(hào)整形電路(10 ),其適于電氣連接到所述成像測(cè)輻射熱計(jì) (12),其特征在于，每個(gè)器件遵循前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)。
10. 如權(quán)利要求9所述的用于檢測(cè)紅外輻射的系統(tǒng)，其特征在于，用 于控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置(40 )適于將所述電阻調(diào)節(jié) 到獨(dú)立于景物的值。
11. 如權(quán)利要求9和10之一所述的用于檢測(cè)紅外輻射的系統(tǒng)，其特 征在于，所述信號(hào)整形電路(10)適于在讀取所述成像測(cè)輻射熱計(jì)(12) 之前被初始化，并且用于控制所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置(40 ) 適于在所述積分電路初始化期間調(diào)節(jié)所述電阻.
12. —種用于讀取測(cè)輻射熱計(jì)矩陣中的電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)(12 )的 電阻變化的方法，所述測(cè)輻射熱計(jì)矩陣構(gòu)成用于檢測(cè)所述電磁輻射的系 統(tǒng)，所述方法包括-使矩陣的共模電流在共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)中流動(dòng)，-產(chǎn)生流入所述成像測(cè)輻射熱計(jì)和所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電流 之間的電流差，-根據(jù)所述電流差來(lái)對(duì)與成像測(cè)輻射熱計(jì)有關(guān)的信號(hào)進(jìn)行整形，其特征在于，在使共模電流在所述共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)中流動(dòng)的步驟 之前，所述方法還包括將所述共才莫抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻設(shè)定在這樣的 值，所述值低于所有這些測(cè)輻射熱計(jì)在暴露于具有接近預(yù)定景物動(dòng)態(tài)范圍 上限的溫度的景物時(shí)的電阻值。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于檢測(cè)電磁輻射的器件，所述器件包括電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)和電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26)，所述電阻成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)對(duì)要被檢測(cè)的電磁輻射敏感并且用于電氣連接到信號(hào)整形電路(10)，所述電阻共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)與成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)電氣關(guān)聯(lián)，使得流經(jīng)共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)(26)的電流被從流經(jīng)成像測(cè)輻射熱計(jì)(12)的電流中減去，其中所述器件包括用于通過(guò)向共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)注入電流來(lái)控制共模抑制測(cè)輻射熱計(jì)的電阻的裝置(40)。
文檔編號(hào)G01J5/22GK101458125SQ200810185110
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者伯努瓦·杜邦, 米歇爾·維蘭 申請(qǐng)人:Ulis股份公司