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具有溫度自適應(yīng)偏置的輻射熱檢測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有溫度自適應(yīng)偏置的輻射熱檢測器。一種紅外檢測器，包括檢測輻射熱測量計(jì)的陣列（12），每個(gè)檢測輻射熱測量計(jì)包括懸置在基底上方的測輻射熱膜，以及與輻射熱測量計(jì)中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的：檢測支路，包括輻射熱測量計(jì)和根據(jù)電壓設(shè)定點(diǎn)來執(zhí)行偏置的電路；補(bǔ)償支路，包括熱化至基底的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)和根據(jù)電壓設(shè)定點(diǎn)來執(zhí)行偏置的電路；以及積分器，用于通過對(duì)流經(jīng)支路的電流之差進(jìn)行積分來生成電壓。裝置包括用于控制電壓設(shè)定點(diǎn)的電路（50），其具有用于生成取決于基底溫度的量的電路（44、46）以及用于根據(jù)量來生成電壓設(shè)定點(diǎn)的電路（48）。
【專利說明】具有溫度自適應(yīng)偏置的輻射熱檢測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及輻射熱紅外成像和高溫測量的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種輻射熱檢測器，其包括由懸置在基底上方的膜形成的輻射熱測量計(jì)的陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]在所謂的“熱”紅外檢測器的領(lǐng)域，已知的是使用能夠在環(huán)境溫度下進(jìn)行操作的、對(duì)紅外輻射敏感的一維或二維元件陣列。
[0003]熱紅外檢測器一般根據(jù)其溫度使用所謂的“測溫”或“測輻射熱”的材料的物理量的變化。最近，該物理量是所述材料的電阻率，其強(qiáng)烈依賴于溫度。檢測器的單位敏感元件或“輻射熱測量計(jì)”通常為膜的形式，每個(gè)膜包括一層測溫材料，并且經(jīng)由具有高熱電阻的支承臂而懸置在通常由硅制成的基底上方，懸置膜的陣列通常被稱為“視網(wǎng)膜”。
[0004]特別地,這種膜實(shí)現(xiàn)入射輻射吸收功能、將所吸收的輻射的功率轉(zhuǎn)化為熱功率的功能、以及將所生成的熱功率轉(zhuǎn)換為測溫材料的電阻率的變化的測溫功能，這樣的功能由一個(gè)或更多個(gè)不同的元件實(shí)現(xiàn)。
[0005]此外，膜的支承臂也是傳導(dǎo)性的并且連接至所述膜的測溫層，通常在上方懸置有膜的基底中形成有:用于依次對(duì)膜的測溫元件進(jìn)行尋址和加偏壓的裝置以及用于以視頻格式形成有用電信號(hào)的裝置。基底和所集成的裝置通常被統(tǒng)稱為“讀取電路”。
[0006]通常在非常低的壓力下將檢測器的讀取電路和敏感視網(wǎng)膜集成在密封封裝中，該密封封裝設(shè)置有對(duì)感興趣的輻射(其通常具有在8微米至14微米范圍內(nèi)的波長)透明的窗。此范圍對(duì)應(yīng)于大氣的透明窗并且與源于300K附近的場景的大部分輻射相對(duì)應(yīng)。為了通過這樣的檢測器獲得熱或高溫測量圖像，通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將場景聚焦到其上布置有視網(wǎng)膜的焦平面，并且經(jīng)由讀取電路向輻射熱測量計(jì)中的每個(gè)輻射熱測量計(jì)或這樣的輻射熱測量計(jì)的每行施加定時(shí)電刺激，以獲得形成由所述基本檢測器中的每個(gè)檢測器達(dá)到的溫度的圖像或測量值的Video (視頻)電信號(hào)。該信號(hào)可以直接由讀取電路以或多或少復(fù)雜的方式進(jìn)行成形，然后以模擬或數(shù)字的形式被傳輸?shù)皆诜庋b外部的電子系統(tǒng)。該電子系統(tǒng)通常對(duì)由檢測器傳遞的每個(gè)視頻幀施加各種校正，特別是校正空間偏移和增益色散(稱為“NUC”(非均勻校正))，以生成能夠被顯示的熱圖像或高溫測量圖像，或者更通常地供從所觀察場景形成的信號(hào)的使用。
[0007]這樣的檢測器在制造成本和使用方面具有許多優(yōu)點(diǎn)，但也具有在缺少具體預(yù)防措施時(shí)可能限制其性能的缺點(diǎn)。
[0008]更具體地，當(dāng)基底溫度變化之后、特別是外部條件變化時(shí)，產(chǎn)生在輻射熱測量計(jì)的輸出端處的平均信號(hào)漂移的問題，這基本上反映為通過集成系統(tǒng)元件熱傳導(dǎo)直到基底層級(jí)，其限定了敏感膜的平均溫度?，F(xiàn)在，公知的是，輻射熱測量計(jì)對(duì)例如基底溫度的l°c變化的靈敏度通常是對(duì)所觀察場景的l°c溫度變化的靈敏度的五十至一百倍。因此，在沒有具體預(yù)防措施的情況下，關(guān)于場景的有用信號(hào)被淹沒在不感興趣的此背景成分中。
[0009]為了避免此缺陷，在環(huán)境溫度下操作的輻射熱檢測器自其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起就已經(jīng)被裝配有基底溫度穩(wěn)定模塊，通常為帕爾貼(Peltier)模塊(TEC，“熱電冷卻器”)。通過焦耳效應(yīng)調(diào)節(jié)成與基底保持熱連續(xù)的電阻元件也提供了滿意的溫度穩(wěn)定性，即使不具有主動(dòng)冷卻能力也如此。然而，這樣的裝置使部件更復(fù)雜且更昂貴，并且暗示在環(huán)境溫度遠(yuǎn)離所選擇穩(wěn)定溫度時(shí)始終較高的電功率消耗。然而，這樣的輻射熱檢測器的制造成本和實(shí)現(xiàn)輻射熱檢測器的系統(tǒng)的電功率消耗正是這樣的檢測器的主要問題。
[0010]實(shí)際上，趨勢為不具有熱穩(wěn)定系統(tǒng)，因而必須解決基底溫度變化對(duì)信號(hào)穩(wěn)定性的不利影響的問題。通常實(shí)施的解決方案為:在用于形成與成像輻射熱測量計(jì)(如此稱呼，原因在于其對(duì)入射電磁輻射敏感)的溫度有關(guān)的信號(hào)的電子電路中，布置補(bǔ)償焦平面溫度(FPT)、自身輻射熱的元件，即，使其電行為跟隨基底溫度但對(duì)輻射基本上不敏感的元件。這一結(jié)果例如通過如下而獲得的:借助于通過構(gòu)造而提供朝向基底的低熱電阻的測輻射熱結(jié)構(gòu)，和/或通過將這些結(jié)構(gòu)掩蔽在不傳導(dǎo)熱輻射的防護(hù)物后面。
[0011]使用這種補(bǔ)償元件還具有消除源于成像(也稱為“活躍”)輻射熱測量計(jì)的大部分所謂共模電流的優(yōu)點(diǎn)。
[0012]此外，需要通常小于50mK (豪開爾文)的熱分辨率(能夠與場景的背景層水平分離的最小溫度差距)。輻射和光學(xué)的定律規(guī)定在場景與基本輻射熱測量計(jì)的膜之間該溫度差的衰減因子在50至100的范圍內(nèi)。敏感元件通常具有約-2%每度的電阻溫度系數(shù)(TCR)；這些不同的比例因子導(dǎo)致需要區(qū)分小于2X10_5 (20PPM)的電阻相對(duì)變化。
[0013]因允許在恒定偏壓下的電阻讀取模式，從而必須區(qū)分每個(gè)測輻射熱電阻器兩端的電流的細(xì)微變化。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，必需消除獨(dú)立于場景的大多數(shù)所謂共模信號(hào)，以有效地描述與所觀察的場景有關(guān)的空間和時(shí)間變化，并且這在讀取電路的可用電氣動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。
[0014]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的不具有溫度調(diào)節(jié)或“無TEC”檢測器的輻射熱檢測器10的電氣圖，其包括共模補(bǔ)償結(jié)構(gòu)；并且圖2是用于形成共模補(bǔ)償檢測器的輻射熱測量計(jì)的讀取信號(hào)的電路的電氣圖。這種檢測器例如在如下文獻(xiàn)中進(jìn)行描述:“Uncooled amorphoussilicon technology enhancement for25um pixel pitch achievement” ；E.Mottin etal，Infrared Technology and Application XXVIII，SPIE，vol.4820E。
[0015]檢測器10包括具有相同單位輻射熱檢測元件14或“像素”的二維陣列12，每個(gè)單位輻射熱檢測元件14均包括懸置在襯底上方的膜的形式的(如之前所描述的)、且具有電阻Rac的敏感電阻輻射熱測量計(jì)16。每個(gè)輻射熱測量計(jì)16在其端子中之一處連接至恒定電壓VDET，特別地為檢測器10的地，并在其另一端子處連接至以飽和狀態(tài)進(jìn)行操作的偏置MOS晶體管18，例如NMOS晶體管，其借助于柵極控制電壓GAC來設(shè)定輻射熱測量計(jì)16兩端的電壓Va。。如果A表示對(duì)應(yīng)于M0S18的源極的節(jié)點(diǎn)并且如果VA為該節(jié)點(diǎn)處的取決于柵極電壓GAC的電壓，則電壓Vae等于Vac=VA-VDET。像素14還包括選擇開關(guān)20，該選擇開關(guān)20連接在MOS晶體管18與針對(duì)陣列12的各列所設(shè)置的節(jié)點(diǎn)S之間并且由控制信號(hào)“選擇”驅(qū)動(dòng)，從而能夠選擇輻射熱測量計(jì)16進(jìn)行讀取。晶體管18和開關(guān)20通常在基底中形成在輻射熱測量計(jì)16的膜的足跡中。元件16和18形成所謂的檢測支路。特別地，由于像素是相同的，并且對(duì)于所有像素而言一方面電壓VDET并且另一方面電壓GAC是相同的，所以輻射熱測量計(jì)16在相同的電壓Va。下被電壓偏置。此外，柵極電壓GAC是恒定的，因此電壓Va。也是恒定的。
[0016]檢測器10還包括在陣列12中的每列的底部的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22，通常也被稱為“掠過(skimming)”結(jié)構(gòu)。如之前所描述的，檢測輻射熱測量計(jì)16的電阻值在很大程度上受基底溫度支配。因而，流經(jīng)檢測輻射熱測量計(jì)16的電流包括依賴于基底溫度且獨(dú)立于所觀察的場景的大量分量。補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22具有輸送電流以用于部分或完全補(bǔ)償此分量的功能。在本發(fā)明的含義中，檢測輻射熱測量計(jì)16的受基底溫度支配的電流分量被表示為“共模檢測電流”。由補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22為了補(bǔ)償共模檢測電流而生成的電流被稱為“共模補(bǔ)償電流”。
[0017]結(jié)構(gòu)22包括補(bǔ)償熱輻射測量計(jì)24，其具有電阻Rem，且使其對(duì)源于待觀察的場景的入射輻射不敏感。輻射熱測量計(jì)24是借助于與輻射熱測量計(jì)16相同的測溫材料構(gòu)成的，但具有朝向襯底的低熱阻。例如，補(bǔ)償熱輻射測量計(jì)24的電阻元件被直接形成為與基底接觸，或輻射熱測量計(jì)24包括與借助于具有非常低的熱阻的結(jié)構(gòu)懸置在基底上方的檢測輻射熱測量計(jì)16的膜類似的膜，或者補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24包括與檢測輻射熱測量計(jì)16的膜和支承臂基本上相同的膜和支承臂，并且作為良好熱導(dǎo)體的材料填充輻射熱測量計(jì)24的膜與基底之間的空間。因而，輻射熱測量計(jì)24的電阻基本上由基底溫度支配，然后輻射熱測量計(jì)24被說成是“熱化”至基底。
[0018]輻射熱測量計(jì)24在其端子中之一處連接至恒定電壓VSK，并且補(bǔ)償結(jié)構(gòu)22包括以飽和狀態(tài)進(jìn)行操作的、具有與檢測像素14的晶體管18的極性相反的極性的至少一個(gè)偏置MOS晶體管26，例如為PMOS晶體管，其借助于柵極控制電壓GCM來設(shè)定輻射熱測量計(jì)24兩端的電壓Vem并且連接在補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24的另一端子與節(jié)點(diǎn)S之間。將B稱為與MOS晶體管26的漏極相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并且將VB稱為此節(jié)點(diǎn)處的電壓，那么電壓Vem等于Vem=VSK-VB。元件24和26形成每一列所共有的所謂補(bǔ)償支路。
[0019]共模補(bǔ)償電流的值由輻射熱測量計(jì)24的電阻Rem的值以及其偏置參數(shù)的值定義。
[0020]根據(jù)第一變型， 電阻Rm被選擇為與檢測輻射熱測量計(jì)16的電阻基本上相同，并且補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24的偏置電壓被選擇為接近檢測輻射熱測量計(jì)的偏置電壓，以獲得接近共模檢測電流的共模補(bǔ)償電流。然而，應(yīng)當(dāng)注意，沒必要在設(shè)計(jì)上將輻射熱測量計(jì)24的電阻1^調(diào)節(jié)為接近檢測輻射熱測量計(jì)16的電阻的值，原因在于輻射熱測量計(jì)24的電阻Rm傳導(dǎo)的電流應(yīng)當(dāng)僅調(diào)節(jié)為與讀取期間流經(jīng)檢測支路的電流接近的值。
[0021]根據(jù)第二變型，借助于比檢測輻射熱測量計(jì)16的電阻小的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24的電阻以及以大致相同的比例小的偏置電壓V?，也獲得該結(jié)果。
[0022]第二變型通常是優(yōu)選的，原因在于其使得能夠更高效地分發(fā)在測輻射熱橋上可獲得的偏置幅度VSK-VDETJf CMOS技術(shù)的特征用于制造讀取電路。實(shí)際上，通常有利的是對(duì)有源輻射熱測量計(jì)進(jìn)一步加偏壓來使補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)的偏置損失，也就是說，強(qiáng)加Vac>VCffl以獲得檢測器的最佳靈敏度。
[0023]檢測器10還包括在陣列12中的每列的底部處的CTIA (“電容跨阻放大器”)型的積分器28，例如其包括運(yùn)算放大器30和連接在放大器30的反相輸入端和輸出端之間的電容器32。放大器30的反相端子和非反相端子進(jìn)一步分別連接至節(jié)點(diǎn)S和恒定電壓VBUS。因而，電壓VBUS形成用于輸出信號(hào)的參考，并且處于從VDET到VSK的范圍內(nèi)。還設(shè)置有與電容器32并聯(lián)的、由信號(hào)“重置”驅(qū)動(dòng)的開關(guān)34,以用于使電容器32放電。CTIA28的輸出最終例如連接至各個(gè)采樣和保持電路36，以借助于多路復(fù)用器38朝向一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的輸出放大器40、以復(fù)用模式方式來傳送CTIA的電壓Vout。其還可以借助于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)集成在數(shù)字化裝置的輸出端處。[0024]最后，檢測器10包括控制不同的之前描述的開關(guān)的定序單元42。在操作中，逐行讀取陣列12。為了讀取陣列12的行，接通像素14的行的開關(guān)20，而斷開其他行的開關(guān)20。
[0025]在列的底部處的CTIA積分器的電容器放電的階段之后，由此針對(duì)被讀取的行的每個(gè)像素獲得如圖2所示的電路，所述電容器的放電是通過在斷開開關(guān)34之后、借助于信號(hào)Reset閉合開關(guān)34而實(shí)現(xiàn)的。在通過MOS晶體管18對(duì)檢測熱輻射測量計(jì)16的電壓進(jìn)行偏置的作用下，電流Ia。流過像素的檢測熱輻射測量計(jì)16 ;并且在通過MOS晶體管26對(duì)補(bǔ)償熱輻射測量計(jì)24的電壓進(jìn)行偏置的作用下，電流流過補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的補(bǔ)償熱輻射測量計(jì)24。這些電流在節(jié)點(diǎn)S處彼此相減，并且由CTIA28在預(yù)定的積分時(shí)期期間Tint對(duì)由此產(chǎn)生的電流差進(jìn)行積分。因而，CTIA28的輸出電壓Vout是由待檢測的入射輻射所引起的檢測輻射熱測量計(jì)16的電阻變化的測量值，原因在于電流Ia。的取決于基底溫度的無用部分通過尤其生成來再現(xiàn)該無用信號(hào)的電流Im至少部分地進(jìn)行補(bǔ)償。
[0026]通常，借助于晶體管18和26來調(diào)節(jié)檢測輻射熱測量計(jì)16和補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24的偏置電壓，以將輸出信號(hào)Vout在給定參考溫度定位在下積分器28的電氣動(dòng)態(tài)范圍Dei內(nèi)，所述參考溫度通常為關(guān)于檢測器的操作溫度范圍的平均參考溫度，特別是接近300° K的參考溫度。當(dāng)檢測器10的環(huán)境溫度改變時(shí)，基底溫度由于缺乏熱調(diào)節(jié)也改變，因而檢測輻射熱測量計(jì)16的溫度也改變。然而，補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24熱化至基底，其也經(jīng)受由基底的溫度改變所導(dǎo)致的溫度改變。因而，當(dāng)檢測器的環(huán)境溫度改變并且基底的溫度因而改變時(shí)，流經(jīng)檢測輻射熱測量計(jì)和補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)的電流自然地在第一級(jí)彼此補(bǔ)償。因而獲得對(duì)基底溫度(也被稱為“焦平面溫度(FPT)”)的顯著抑制。
[0027]如果理想地對(duì)于無論任何基底溫度均獲得完美抑制，那么實(shí)際上，在相對(duì)于參考溫度的改變(特別是正的改變)超過幾十度時(shí)出現(xiàn)限制。
[0028]更具體地，檢測輻射熱測量計(jì)16的偏置電壓Va。和補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24的偏置電壓Vm被設(shè)定為使得:當(dāng)補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24暴露于具有與參考溫度相同的溫度的均勻場景或“參考場景”時(shí)，檢測器的輸出電壓的平均值在積分器28的電氣動(dòng)態(tài)范圍中被定位在該動(dòng)態(tài)范圍的被認(rèn)為最佳的特定位置處。在均勻場景前面的輸出電壓通常被稱為“連續(xù)電平”并且這些電壓的空間平均值通常被稱為“平均連續(xù)電平”。
[0029]當(dāng)檢測器處于服務(wù)中時(shí)，即在基底溫度接近參考溫度下觀察任何種類的場景，則暴露于待觀察的場景的檢測器的輸出電壓Vout不同于平均連續(xù)電平，特別地，原因在于在源于所觀察場景的入射輻射的作用下輻射熱測量計(jì)被加熱以及在于輻射熱測量計(jì)16的固有分散特性。因而平均連續(xù)電平“在工廠中”(投入服務(wù)之前)被設(shè)定在所讀取動(dòng)態(tài)范圍中，從而針對(duì)使用檢測器時(shí)通常遇到的觀察條件的最寬可能范圍，相對(duì)于平均連續(xù)電平的輸出電壓差落在所讀取動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。因而，平均電平通常不會(huì)集中于所讀取動(dòng)態(tài)范圍，而是針對(duì)所建議的電路極性被定位在動(dòng)態(tài)范圍的后三分之一處，以改善對(duì)比環(huán)境背景的溫度更熱的點(diǎn)的觀察。
[0030]此外，如之前所提及的，提供補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)以在盡可能寬的焦平面溫度范圍內(nèi)來補(bǔ)償流經(jīng)檢測輻射熱測量計(jì)的共模電流。在溫度補(bǔ)償為完美的理想情況下，當(dāng)檢測器觀察在焦平面溫度附近的場景時(shí)，平均連續(xù)電平因而不會(huì)隨溫度而改變并且理想地保持落在所讀取動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。
[0031]現(xiàn)在，可以觀察到，該平均電平仍然隨著基底溫度而改變，并且這以顯著的比例進(jìn)行改變。此外，檢測輻射熱測量計(jì)16具有其固有的分散特性，特別是以在均勻場景前面時(shí)不同的檢測器輸出電壓為特征的所謂“偏移”分散，該檢測器輸出電壓根據(jù)基底溫度來改變。
[0032]針對(duì)檢測輻射熱測量計(jì)16的很大一部分超出基底的特定溫度時(shí)，這樣的改變導(dǎo)致積分器28的飽和。超出此溫度，則檢測器場景動(dòng)態(tài)范圍變?yōu)榱?。?shí)際上，作為檢測器的基本量的場景動(dòng)態(tài)范圍Ds。由場景中任一點(diǎn)的溫度改變的幅度限定，這形成在輸出端處可用(即在檢測器的電氣動(dòng)態(tài)范圍內(nèi))的信號(hào)。
[0033]因此，之前指出的現(xiàn)象限制檢測器的操作溫度范圍。為了正確理解這些限制，必須開發(fā)各種所涉及現(xiàn)象。
[0034]本發(fā)明人觀察到，平均連續(xù)電平隨基底溫度的改變(更具體地為上升)特別地與在所讀取偏置的作用下由焦耳效應(yīng)所引起的檢測輻射熱測量計(jì)16的“自發(fā)熱”現(xiàn)象相關(guān)。實(shí)際上，幀頻率ft (即每秒形成的完整圖像的數(shù)目)通常為30Hz、50Hz或60Hz，這導(dǎo)致檢測福射熱測量計(jì)16從16ms到32ms的尋址的復(fù)發(fā)。對(duì)于每次復(fù)發(fā),在第一級(jí)(at the firstorder)等于Vac;2/Ra。的焦耳功率PJ在輻射熱測量計(jì)16中消散，這會(huì)導(dǎo)致在每個(gè)時(shí)段Tint期間相當(dāng)于Tint.P/Cth的加熱，其中Cth為輻射熱測量計(jì)16的熱容量。場的常用量導(dǎo)致輻射熱測量計(jì)16在每個(gè)讀取脈沖結(jié)束時(shí)約幾十度的加熱。
[0035]現(xiàn)在，輻射熱測量計(jì)16的熱時(shí)間常數(shù)通常在8ms至20ms的范圍內(nèi)。因此，檢測輻射熱測量計(jì)16沒有時(shí)間進(jìn)行冷卻，并且在經(jīng)受新偏置之前沒有時(shí)間找到接近基底的溫度的平衡溫度。因此，輻射熱測量計(jì)16的膜的平均動(dòng)態(tài)平衡溫度通常比補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24所保持在的基底溫度基本上高幾度的量AT。由于此差與P1成比例并且因而與I/Ra。成比例的事實(shí)，以及對(duì)于具有負(fù)溫度系數(shù)的常規(guī)測溫材料，輻射熱測量計(jì)的電阻Ra。以約每度2%的方式隨溫度降低的事實(shí)，在檢測輻射熱測量計(jì)16與基底(補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24)之間的平均溫升Λ T隨著基底溫度增 加。
[0036]因此，檢測輻射熱測量計(jì)16和補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24遵循電阻曲線R(FPT)，該電阻曲線R(FPT)在基底溫度與參考溫度偏離時(shí)逐步分開。
[0037]最后，在CTIA隨時(shí)間Tint積分之后，則定義平均連續(xù)電平的量(IaJt)_I?(t))在基底溫度改變超出參考溫度時(shí)規(guī)律地增加。這為平均連續(xù)電平根據(jù)基底溫度而移動(dòng)的主要來源，如圖6的“現(xiàn)有技術(shù)NC”曲線所示。
[0038]平均連續(xù)電平NC隨基底溫度改變的另一來源與通常由MOS晶體管形成的電子偏置元件的各自性質(zhì)和幾何形狀有關(guān)。實(shí)際上，由于必需平衡在兩個(gè)輻射熱檢測和補(bǔ)償支路中可用電壓，所以由NMOS晶體管控制檢測輻射熱測量計(jì)16兩端的電壓，并且由PMOS晶體管控制補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24兩端的電壓，或由PMOS晶體管控制檢測輻射熱測量計(jì)16兩端的電壓，并且由NMOS晶體管控制補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)24兩端的電壓。這樣的晶體管除了類型相反之外，各自具有根據(jù)幾何體積和電子噪聲限制的矛盾約束而確定為優(yōu)先的特定幾何形狀，特別是溝道寬度和長度。因此，在兩個(gè)輻射熱支路中分別產(chǎn)生電流的方面，即在平均NC根據(jù)基底溫度而漂移的方面，這樣的晶體管的各自溫度行為是普通不理想的。
[0039]由于已被非詳盡討論的這種現(xiàn)象，平均NC跨過積分器28的電氣輸出動(dòng)態(tài)范圍的一個(gè)或另一個(gè)限制，從而只要環(huán)境溫度比用于初始預(yù)置偏壓的參考溫度超出幾十度，將使信號(hào)大致飽和。從而，在甚至不考慮空間分散現(xiàn)象的情況下，在每個(gè)支路中的各個(gè)差分貢獻(xiàn)限制了可觀察的場景動(dòng)態(tài)范圍Ds。。
[0040]另一限制與輻射熱檢測和補(bǔ)償電阻的值的自然分散有關(guān)。實(shí)際上，在均勻溫度下場景前面的原始信號(hào)Vout根據(jù)由檢測和補(bǔ)償電阻的自然組合分散產(chǎn)生的分布進(jìn)行分布。
[0041]例如，檢測輻射熱測量計(jì)16的電阻Ra。的分布(雖然優(yōu)異地為+/-1.5% (對(duì)應(yīng)于+/-3 ο /m),通過共模補(bǔ)償電流自身以+/-1.5% (對(duì)應(yīng)于+/-3 ο /m)進(jìn)行分散而使平均值m被補(bǔ)償至90%)導(dǎo)致差分電流的相對(duì)統(tǒng)計(jì)變化大于+/-20%(對(duì)應(yīng)于+/-3 σ /m)。在設(shè)定偏置電流、由電容Cint32定義的積分器28的增益以及此類型電路的通常積分持續(xù)時(shí)間Tint的條件下，這樣的輸入差分電流的分散可以容易地達(dá)到連續(xù)電平NC的擴(kuò)展的空間分散Λ NC的
0.3V至0.5V，以與通常在積分器28的輸出端處獲得的2V至3V的總電氣動(dòng)態(tài)范圍(Del)相當(dāng)。
[0042]因而，這樣的分布已經(jīng)嚴(yán)重限制了有用場景動(dòng)態(tài)范圍，其被定義為:輸出(Del)的飽和極限之間的殘余電壓空間減去之前估計(jì)的NC分布的寬度Λ NC,并除以檢測器的平均響應(yīng)(或響應(yīng)度)髓*綱C/?，其中Tsc為場景溫度:
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測紅外輻射的輻射熱檢測器，包括檢測輻射熱測量計(jì)(16)的陣列(12)，每個(gè)檢測輻射熱測量計(jì)(16)包括懸置在基底上方的測輻射熱膜，所述輻射熱檢測器包括: ?與所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的: 々檢測支路，所述檢測支路包括所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)和根據(jù)電壓設(shè)定點(diǎn)來設(shè)定所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)兩端的電壓的偏置電路(18);々補(bǔ)償支路，所述補(bǔ)償支路包括基本上具有基底溫度的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)和用于根據(jù)電壓設(shè)定點(diǎn)來設(shè)定所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)兩端的電壓的偏置電路(26);以及今積分器(30、32)，所述積分器(30、32)用于通過對(duì)流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)和所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)的電流之間的差進(jìn)行積分來生成電壓，所述積分器具有預(yù)定的電氣輸出動(dòng)態(tài)范圍； ?電路(50)，所述電路(50)用于控制所述檢測支路和所述補(bǔ)償支路的偏置電路的電壓設(shè)定點(diǎn)， 其中，所述電壓設(shè)定點(diǎn)控制電路(50)包括: ?用于生成取決于基底溫度的量的電路(44、46 ),包括: 々基本上具有所述基底溫度的至少一個(gè)輻射熱測量計(jì)(44)；以及+用于偏置所述至少一個(gè)輻射熱測量計(jì)的電路(46)，所述偏置所述至少一個(gè)輻射熱測量計(jì)將生成所述量； ?電路(48)，所述電路(48)用于根據(jù)所述量來生成所述檢測支路和所述補(bǔ)償支路的電壓設(shè)定點(diǎn)，使得當(dāng)所述輻射熱測量計(jì)陣列(12)暴露于均勻參考場景時(shí)，流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(jì)的電流iT和流經(jīng)所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)的電流之間的差的平均值或“連續(xù)電平”在基底溫度_30°C至90°C之間的范圍內(nèi)時(shí)處于積分器動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(48)生成電壓設(shè)定點(diǎn)，使得: ?流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)的電流/:實(shí)時(shí)地遵循根據(jù)以下關(guān)系式的定律:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(48)生成電壓設(shè)定點(diǎn)，使得流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)的電流/=與流經(jīng)所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)的電流7?之間的比率Imc ac/Inic cm等于:
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的輻射熱檢測器，其中，函數(shù)f2(FPT)為第二級(jí)，特別是低于 0.1。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的輻射熱檢測器，其中，函數(shù)f2(FPT)根據(jù)所述基底的溫度FPT增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射熱檢測器，其中，函數(shù)f1 (FPT)根據(jù)所述基底的溫度FPT增加。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成取決于所述基底溫度的量的電路(48)包括: ?包括第一支路和第二支路的電流鏡(541、561)，每個(gè)支路包括輸入端和輸出端； ?連接至所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸入端的恒流源(563)； ?連接在所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸出端與第一;〖亙定電位(510 )之間的第一電阻器(512c、562)，所述第一電阻器(512c、562)包括:基本上具有所述基底溫度并且具有與所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)的電阻基本上相同的電阻的第一輻射熱測量計(jì)(512c);以及與所述第一輻射熱測量計(jì)(512c)串聯(lián)連接的非測輻射熱電阻器(562)； ?連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路的輸出端與所述第一恒定電位(510)之間的第二電阻器(512b)，所述第二電阻器(512b)包括與所述第一輻射熱測量計(jì)(512c)基本上相同的第二輻射熱測量計(jì)，在所述電流鏡(541、561)的第二支路中流動(dòng)的電流形成所述量；以及 ?連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路(54)的輸入端與第二恒定電位(550)之間的第三電阻器(522b、542)。
8.一種用于檢測紅外輻射的輻射熱檢測器，包括檢測輻射熱測量計(jì)(16)的陣列(12)，每個(gè)檢測輻射熱測量計(jì)(16)包括懸置在基底上方的測輻射熱膜，所述輻射熱檢測器包括: ?與所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)中的每一個(gè)相關(guān)聯(lián)的: 々檢測支路，所述檢測支路包括所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)和根據(jù)電壓設(shè)定點(diǎn)來設(shè)定所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)兩端的電壓的偏置電路(18); 々補(bǔ)償支路，所述補(bǔ)償支路包括基本上具有基底溫度的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)和用于根據(jù)電壓設(shè)定點(diǎn)來設(shè)定所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)兩端的電壓的偏置電路(26);以及 +積分器(30、32)，所述積分器(30、32)用于通過對(duì)流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)和所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)的電流之間的差進(jìn)行積分來生成電壓，所述積分器具有預(yù)定的電氣輸出動(dòng)態(tài)范圍； ?電路(50)，所述電路(50)用于控制所述檢測支路和所述補(bǔ)償支路的偏置電路的電壓參考，其中，用于控制電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(50)包括: ?用于生成取決于基底溫度的量的電路(44、46 ),包括: 々基本上具有所述基底溫度的至少一個(gè)輻射熱測量計(jì)(44)；以及+用于偏置所述至少一個(gè)輻射熱測量計(jì)的電路(46)，所述偏置所述至少一個(gè)輻射熱測量計(jì)將生成所述量； ?電路(48)，所述電路(48)用于根據(jù)所述量來生成所述檢測支路和所述補(bǔ)償支路的電壓設(shè)定點(diǎn)，所述電路包括: 今包括第一支路和第二支路的電流鏡(541、561)，每個(gè)支路包括輸入端和輸出端； 今連接至所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸入端的恒流源(563)； 々連接在所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸出端與第一;〖亙定電位(510 )之間的第一電阻器(512c、562)，所述第一電阻器(512c、562)包括:基本上具有所述基底溫度并且具有與所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)的電阻基本上相同的電阻的第一輻射熱測量計(jì)(512c);以及與所述第一輻射熱測量計(jì)(512c)串聯(lián)連接的非測輻射熱電阻器(562)； 今連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路的輸出端與所述第一;〖亙定電位(510)之間的第二電阻器(512b)，所述第二電阻器(512b)包括與所述第一輻射熱測量計(jì)(512c)基本上相同的第二輻射熱測量計(jì)，流經(jīng)所述電流鏡(541、561)的第二支路的電流形成所述量；以及 々連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路的輸入端與第二恒定電位(550 )之間的第三電阻器(522b、542)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的輻射熱檢測器，其中，所述第一電阻器(512c、562)中的非測輻射熱電阻(562)能夠在預(yù)定參考溫度下在所述第一電阻器(512c、562)的輻射熱測量計(jì)(512c)的電阻值的O至30%之間的值的范圍內(nèi)進(jìn)行編程。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的檢測器，其中，所述第一電阻器(512c、562)中的非測輻射熱電阻(562)被設(shè)定為特定值，使得所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)的響應(yīng)度在所述基底溫度的預(yù)定溫度范圍內(nèi)基本上恒定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的檢測器，其中，形成所述第一輻射熱測量計(jì)的測輻射熱材料的活化能接近0.18eV，并且所述第一電阻器(512c、562)中的非測輻射熱電阻(562)的值接近所述第一電阻器(512c、562)中的輻射熱測量計(jì)(512c)的電阻值的25%。
12.根據(jù)權(quán)利要求8和9中任一項(xiàng)所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三電阻器(522b、542)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位定義用于所述補(bǔ)償支路偏置電路(26)的電壓設(shè)定點(diǎn)，并且所述第二電阻器(512b)的沒有采用所述第一恒定電位(510)的端子的電位定義用于所述檢測支路偏置電路(18 )的電壓設(shè)定點(diǎn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三電阻器(522b、542)包括第三輻射熱測量計(jì)(522b)，所述第三輻射熱測量計(jì)(522b)基本上具有所述基底溫度并且具有與所述補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)的電阻基本上相同的電阻。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三輻射熱測量計(jì)(522b)的電阻能夠被編程為將所述連續(xù)電平定位在所述積分器(30、32)的電氣動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項(xiàng)所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三電阻器(522b、542)包括與所述第三輻射熱測量計(jì)(522b)串聯(lián)的非測輻射熱電阻器(542)，所述非測輻射熱電阻器(542)能夠在預(yù)定參考溫度下在所述第三輻射熱測量計(jì)(522b)的電阻值的O至10%的范圍內(nèi)進(jìn)行編程。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的輻射熱檢測器， 籲其中，每個(gè)檢測支路的偏置電路(18)由第一MOS晶體管或“TMOS”形成，所述第一MOS晶體管或“TM0S”在所述第一電位(510)與第一電流節(jié)點(diǎn)之間與所述檢測支路的檢測輻射熱測量計(jì)(16)串聯(lián)連接； 籲其中，每個(gè)補(bǔ)償支路的偏置電路(26)由第二 TMOS形成，所述第二 TMOS在所述第二電位(550)和所述檢測支路的與所述補(bǔ)償支路相關(guān)聯(lián)的第一電流節(jié)點(diǎn)之間與所述補(bǔ)償支路的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)串聯(lián)連接，以及具有與所述檢測支路的第一 TMOS (18)的極性相反的極性； ?其中，用于控制所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(50)還包括用于將所述電壓設(shè)定點(diǎn)施加至所述偏置電路(18、26)的電路(531、532、52)，所述電路(531、532、52)包括: 々與所述第三輻射熱測量計(jì)(522b)基本上相同的第四輻射熱測量計(jì)(522a)； 今第三TMOS (54b)，所述第三TMOS (54b)與所述補(bǔ)償支路的所述第二 TMOS (26)基本上相同并且在所述第二電位(550)與第二電流節(jié)點(diǎn)之間與第四輻射熱測量計(jì)(522a)串聯(lián)連接； +與所述第一輻射熱測量計(jì)(512c)和所述第二輻射熱測量計(jì)(512b)基本上相同的第五輻射熱測量計(jì)(512a)； +第二 TMOS (54a)，所述第二 TMOS (54a)與所述檢測支路的第一 TMOS (18)基本上相同并且在所述第二電流節(jié)點(diǎn)與所述第一電位(510)之間與第五輻射熱測量計(jì)(512a)串聯(lián)連接； 今第一運(yùn)算放大器(532)，所述第一運(yùn)算放大器(532)的非反相端子連接至所述第三電阻器(522b、542)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位，所述第一運(yùn)算放大器(532)的反相端子連接至所述第四輻射熱測量計(jì)(522a)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位，以及所述第一運(yùn)算放大器(532)的輸出端連接至所述第三TMOS (54b)的柵極； 々第二運(yùn)算放大器(531 )，所述第二運(yùn)算放大器(531)的非反相端子連接至所述第二電阻器(512b)的沒有采用所述第一電位(510)的端子的電位，所述第二運(yùn)算放大器(531)的反相端子連接至所述第五輻射熱測量計(jì)(512a)的沒有采用所述第一電位(510)的端子的電位，以及所述第二運(yùn)算放大器(531)的輸出端連接至所述第四TMOS (54a)的柵極； ?其中，每個(gè)補(bǔ)償支路的第二 TMOS (26)的柵極連接至在所述第四輻射熱測量計(jì)(522a)與所述第三MOS晶體管(54b)之間形成的電位； ?以及其中，每個(gè)檢測支路的第一 TMOS (18)的柵極連接至在所述第五輻射熱測量計(jì)(512a)與所述第四TMOS (54a)之間的電位。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的輻射熱檢測器，還包括: 籲用于處理與所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)相關(guān)聯(lián)的積分器(28)的輸出端處的電壓的第一電路(36、40)； ?積分器(28b)，所述積分器(28b)與用于控制所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(50)相關(guān)聯(lián)并且與所述檢測輻射熱測量計(jì)(16)相關(guān)聯(lián)的積分器(28)相同，以通過對(duì)流經(jīng)所述第四輻射熱測量計(jì)(522a)的電流與流經(jīng)所述第五輻射熱測量計(jì)(512a)的電流之間的差進(jìn)行積分來生成電壓； ?第二電路(36b、40b)，所述第二電路(36b、40b)用于處理與用于控制所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(50)相關(guān)聯(lián)的積分器(28b)的輸出電壓，并且與所述第一處理電路(36、40)相同；以及 ?模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(440)，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(440)用于對(duì)在所述第一處理電路和所述第二處理電路的輸出電壓之間的差進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項(xiàng)所述的輻射熱檢測器， 籲其中，每個(gè)檢測支路的偏置電路(18)由第一MOS晶體管或“TMOS”形成，所述第一MOS晶體管或“TM0S”在所述第一電位(510)與第一電流節(jié)點(diǎn)之間與所述檢測支路的檢測輻射熱測量計(jì)(16)串聯(lián)連接； 籲其中，每個(gè)補(bǔ)償支路的偏置電路(26)由第二 TMOS形成，所述第二 TMOS在所述第二電位(550)和所述檢測支路的與所述補(bǔ)償支路相關(guān)聯(lián)的第一電流節(jié)點(diǎn)之間與所述補(bǔ)償支路的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)串聯(lián)連接，以及具有與所述檢測支路的第一 TMOS (18)的極性相反的極性； ?其中，用于控制所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路(50)還包括用于將所述電壓設(shè)定點(diǎn)施加至所述偏置電路(18、26)的電路(160、260、531、532)，所述電路(160、260、531、532)包括: 今針對(duì)每個(gè)補(bǔ)償支路的第一運(yùn)算放大器(260)，所述第一運(yùn)算放大器(260)的非反相端子具有所述第三電阻器(522b、542)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位，所述第一運(yùn)算放大器(260)的反相端子連接在所述補(bǔ)償支路的補(bǔ)償輻射熱測量計(jì)(24)與第二TMOS (26)之間，以及所述第一運(yùn)算放大器(260)的輸出端連接至所述補(bǔ)償支路的第二晶體管(26)的柵極；以及 +針對(duì)每個(gè)檢測支路的第二運(yùn)算放大器(160)，所述第二運(yùn)算放大器(160)的非反相端子具有所述第三電阻器(512b)的沒有采用所述第一電位(510)的端子的電位，所述第二運(yùn)算放大器(160)的反相端子連接在所述檢測支路的檢測輻射熱測量計(jì)(16)與第一 TMOS(18)之間，以及所述第二運(yùn)算放大器(160)的輸出端連接至所述檢測支路的第一 TMOS (18)的柵極。
19.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成所述電壓設(shè)定點(diǎn)的電路包括: ?模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接至用于生成所述量的電路，以生成所述量的數(shù)字值； 籲數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理單元根據(jù)所述量的數(shù)字值來生成所述電壓設(shè)定點(diǎn)的數(shù)字值；以及 ?數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器連接至所述處理單元并且根據(jù)所述設(shè)定點(diǎn)的數(shù)字值來生成所述偏置電路的電壓設(shè)定點(diǎn)。
【文檔編號(hào)】G01J5/20GK104006889SQ201410054185
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月22日
【發(fā)明者】米歇爾·維蘭, 帕特里克·羅伯特 申請(qǐng)人:Ulis股份公司