专利名称：检测电磁辐射的器件和系统、读取成像测辐射热计的方法
技术领域：
本发明涉及基于微型测辐射热器件来检测电磁辐射、更具体地为检测红外辐射的领域。
更具体地，本发明涉及一种用于检测电磁辐射的器件，所述器件包括对辐射敏感的电阻成〗象测辐射热计和电阻共模抑制测辐射热计，所述电阻成像测辐射热计用于电气连接到信号整形电路，所述电阻共模抑制测辐射热计与所述成像测辐射热计电气关联，使得流经电阻共模抑制测辐射热计的电流被从流经成《象测辐射热计的电流中减去。
背景技术：
在红外检测器领域，已知使用以矩阵形式配置并且适于在环境温度工作(即不需要冷却至很低的温度)的器件，这种器件与称作"量子检测器"的检测器件形成对比，所述检测器件需要工作在很低的温度， 一般在液氮
的温度o
这些未冷却的检测器传统上利用合适材料的物理量根据300 K附近温度的变化。在测辐射热检测器的情况下，所述物理量是电阻率。
此类未冷却的检测器通常涉及
—吸收红外辐射并将其转化成热量的装置，
—使所述检测器热绝缘的装置，使得检测器可在红外辐射作用下#>
热，
-测温装置，在测辐射热检测器的情况下，使用电阻元件，—以及读取由测温装置提供的电信号的装置。
用于红外成像的检测器常规地以基#测器的一维或二维矩阵形式来制造，所述矩阵以称作"单片"的方法来形成、或被转移到通常由硅制成的衬底，在衬底中构成了用于顺序寻址所ii^本险测器的装置，以及用于电激励和预处理由这些基4*测器生成的电信号的装置。所述衬底和所集成的装置常被称作"读出电路"。
为了通过所述检测器获取景物，通过合适的光学器件使景物投射到基 本检测器矩阵上，通过读出电路向每个基本检测器或每行此类检测器施加
时钟控制的电激励，以便获得构成由每个所述基;^企测器达到的温度的图 像的电信号。然后，所述信号由读出电路、然后可选地由封装之外的电子 器件更精细或更简单地进行处理，以便生成所观察景物的热图像。
使用测辐射热检测器的主要困难在于代表所观察景物的局部温 度变化的检测器电阻与它们的平均值相比的相对变化很小。
事实上，所观察景物在8-14nm (对应于地球大气的透明带宽，测 辐射热检测器常用于大气中)之间的红外线的热辐射的物理规律导致以 下情况当景物温度在300K附近每变化1K，则检测器焦平面上有大约 50jiW/cm2的微分功率dP。通过应用上述物理规律，本领域技术人员 可以容易地确定所述值。
所述估计对于具有f/1光圏(在景物和检测器之间高的透射)的光学 器件并且在下述情况下是有效的当检测器在指定的波段以外仅接收可忽 略量的能量，例如通常如果所述封装具有窗口 ，所述窗口在所述区间内是 透明的而在所指出的界限的两侧是不透明的。
作为推论，在热平衡时测辐射热计的与其表面S上吸收的红外功 率dP有关的温度变化dT由下it^达式给出
dT = Rth dP,
其中Rth是测辐射热计的敏感部分和支撑所述敏感部分的等温 衬底之间的热阻，所述敏感部分在红外辐射作用下被加热。
因此，对于具有典型尺寸为大约30fim x 30nm(这代表9 '10-6 112 的面积)的测辐射热计，根据现有技术的典型热阻约为20到 60MK/W，这导致当测辐射热计观察到的景物部分的温度每变化1K 时，测辐射热计的温度升高约0.01K到0.03K。
如果Rb表示在测辐射热的敏感材料的两个电流流入电极之间观 察到的电阻，则所得的电阻变化dRb由下i^达式表示
dRb = TCR dT
其中TCR是在工作温度附近时构成测辐射热计敏感部分的材料 的电阻的相对变化系数，常规地其对于本领域常用材料(氧化钒，非
5晶硅)而言接近每K为-2。/。。因此，由景物中1K的变化所产生的电 阻相对变化dR/R约为0.02到0.06%，或者约为2 '10-4到6 '10力K。
然而如今，所要求的热成像分辨率远高于1K， 一般为0.05K甚 至更小。此类结果可通过制备具有很高热阻Rth的结构并同时使用复 杂的技术来获得。然而，仍有测量极小的电阻相对变化的需要，如前 面所述典型约为l(T6量级的电阻相对变化，来解析几十亳开尔文 (milliKelvin)的时空温度变4匕。
为了阐明^使用这样小的变化的困难，图l示出具有电阻Rb的电 阻测辐射热计12的读取电路的示意图，其受到红外辐射、并在其端 子之一连接到预定的恒定偏置电压VDDA。读取电路包括由以下各项 构成的积分器10:
-运算放大器14,其同相输入端(+ )设定在预定的恒定电压Vbus;
-电容器16，其具有预定的电容Cint,并且连接在放大器14的>^相 输入端(-)和输出端之间；
-零复位开关18,其与电容器16并联连接，并且可通过复位信号来 控制。
读取电路还包括
-第一读取开关20，其可通过"选择"信号来控制，并且连接到运 算放大器的^jN输入端(一 );
-MOS注入晶体管22,其中栅极设定在预定的恒定电压GFID，源 极连接到测辐射热计12的另 一端，漏极连接到第 一选择开关20的另 一端； 以及
-数据处理单元23，其连接到运算放大器14的输出端，并根据运算 放大器的输出端的电压Vout来确定由所述测辐射热计所接收的红外辐射 所引起的测辐射热计12的电阻变化，从而确定红外辐射。
在测辐射热计12的读取周期开始时，通过将复位信号设定在适 当的值来将在电容器16的放电周期之后处于闭合状态的零复位开关 18切换到断开状态。通过调节"选择"信号来将处于断开状态的第 一读取开关20切换到闭合状态。然后流经测辐射热计12的电流;故电 容器16积分。当从读取周期开始起过去了预定的积分时间△ Tint时， 第一读取开关20切换到断开状态。则在积分器的输出端的电压V。ut、即测辐射热计的电阻Rb的图像由下述表达式给出:
其中Vb咖是测辐射热计12的端子上的电压，为了筒便，假设 Rb在积分时间T^期间仅轻微变化。
因此，可使用同时积分(通过N个积分器)或顺序积分(在位于 行末端或列末端的积分器上，甚至在用于矩阵的单个积分器上)+艮据 所述原理来读取N个电阻(测辐射热计)的矩阵。
因此当红外景物的投射激发了所制备的矩阵时，V。ut将显示代表 了景物的空间变化(从每个测辐射热计产生)。可想到在检测器之间 上述电压V一很大程度上包括恒定的部分(称作"共模"信号)，因 此其在成〗象方面是不重要的。只有VQUt的与(在测辐射热计之间的) 局部差别和所接收光功率的时间变化(景物随时间变化)相关的极小 变化才构成了所观察景物的有用信号。
事实上，微电子电路在电压(几伏特)方面的固有限制、测辐射 热电阻Rb的易得到和可控制的值(几十到几百千欧姆)以及需要^吏
用足够短的积分时间将导致使用很大的电容Cint,这无论如何不适于
每个基本点或检测像素中的可用区域(关于测辐射热计的区域)，甚 至实际上不适于将所述电容转移到对应于感测矩阵的读取电路的表 面外部，在所述表面外部所述区域不受限制。因此必须设置读取漠式， 所述读取模式将待积分的电流限制在与可合理得到的电容相适应的 电平。
此外，由于在衬底和测辐射热计之间存在热耦合，衬底经受的热 变化被传导到测辐射热计。由于通常的测辐射热计对此类变化具有很 高的灵敏度，其结果是有用的输出信号被该背景分量所干扰，这对于 红外检测的质量是有害的。
为了克服这些缺陷，提出了第一电阻结构，其设计用于抑制称作 "参考"电流的共模电流，其中"参考，，电流在下面文献中描述
爿/rW ( Yutaka Tanake等人，Proc. SPIE， vol 5074)。
参考电阻结构的原理是将图1中的电阻测辐射热计12与第二相同电阻测辐射热计相关联，所述第二测辐射热计与第一测辐射热计相 同地被极化并且连接到衬底。所述第二测辐射热计还设置成一般是通 过不透明的金属膜而使得对来自景物的光线基本上不敏感。第一和第 二电阻测辐射热计还被关联成使得流经第二测辐射热计的电流被从 流经第一测辐射热计的电流中减去，读取电路所使用的正是这个电流 差。
为了区分这两个测辐射热计的功能，对第一测辐射热计4吏用"成 像，，测辐射热计来表达，而对第二测辐射热计使用"参考"测辐射热 计来表达，尽管在某些应用、例如测温法中不必形成图像，而是形成 例如温度测量量。
图2A中示意性示出了参考结构24，其继续采用图1中的与称作 "参考"电路24的电路相关的元件。参考电路24包括参考测辐射热 计26、 MOS极化晶体管28以及第二读取开关30,这些部件分别与 成像测辐射热计12、 MOS注入晶体管22以及第一读取开关20基本 相同。
元件26、 28以及30还以与元件12、 22以及20相同的方式被极 化并设置，仅有的差别是参考测辐射热计26具有不透明金属膜32, 以保护其免受源于景物的辐射。
电阻参考结构还包括电流镜34，其一个输入支路连接到第二读 取开关30的端子A，而另一个输入支路连接到第一读取开关20的端 子B。所述电流镜34基本上在端子B处复制流经参考测辐射热计26 的电流h。
使用电流镜来使每行具有一个参考结构，这些结构的组合沿着矩 阵检测器的参考"列"来布置。电流镜是本领域技术人员已知的结构。 它们通常用于复制远端结构中的参考电流，尤其是允许所述参考电流 分布在大量的电路元件中，而不依赖于它们的电阻负载。
因此，流经参考测辐射热计的电流i2基本上等于共模电流，而参 考测辐射热计经受与成像测辐射热计相同的来自衬底的热变化。因
此，流经成〗象测辐射热计的电流^和流经参考测辐射热计i2的电流之
差h-i2基本上摆脱了干扰，即共模电流和与衬底的热变化相关的分
量。因此所述电流差h - i2基本上对应于成4象测辐射热计12的电阻变 化所引起的电流，所述成像测辐射热计12的电阻变化是由于被源于景物的红外辐射所加热而导致。
然而，电阻参考结构技术上m^制作。事实上，为了获得其令人
满意的操作，保护测辐射热计的金属膜32必须对于源于景物的光线
完全不透明，同时与所述结构的其它元件热绝缘，以避免对参考测辐射热计的任何热干扰。显然此类膜难于设计和制作。
为了克服上述缺陷，还提出了用于抑制共模电流的称作"补偿"
电阻结构的第二电阻结构，其在下述文献中描述"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)。
图2B示意性示出了该补偿结构52,其包括测辐射热计50,所述测辐射热计50 —般使用与有源的测辐射热计12相同的材料构成，但是由于在构造上与衬底相比热阻很小，并且可选地还具有光罩，因此本质上对入射辐射不敏感。所述补偿结构52还包括用于测辐射热计50的极化的晶体管54。称作"热化"的测辐射热计50在端子之一连接到固定电压源VSK,而在另一个端子连接到晶体管54的源极，晶体管54的栅极被升高到固定电位GSK,而漏极连接到放大器14的反相输入端(一 )。
电阻50的值和极化被设定为产生强度与电流Ii相当的共模电流13，所述共模电流13在积分器10的求和点上祐^从电流L中减去，因此积分器10对电流L -13进行积分。
如果测辐射热计50的热阻与成像热辐射热计12的热阻相比很小， 一般至少差103倍，则所述结构在共模抑制方面是有效的，因为如果不是这样，当景物的较暖区域在这些结构上形成图像时就会形成不代表景物的、对图像质量有害的不期望的对比度。例如通过将测辐射热元件50构造成直接与衬底相接触，可实现所述高热传导的结果。
然而，此类构造导致了以下问题在技术组装期间难以控制结构的平整度，并且实际上，必须将测辐射热计50形成在与测辐射热计12的敏感膜相同的水平。结果除非采取复杂的技术测量，否则通常在元件50和衬底之间存在非零热阻，而复杂的4支术测量对于这样制备的检测器的制造产出和成本是有害的。
在所述的应用参考结构的情况下，所述参考结构至少在使用补偿结构期间是有用的，因此必须在这些共才莫抑制结构上提供降低感光度的不透明罩，然而制备此类膜所意味的严重复杂化必然由于制造中的 额外步骤而带来附加成本并且必然降低生产率。
发明内容
本发明的目的是通过提出具有共模抑制测辐射热计的结构来解决上 述问题，所述共模抑制测辐射热计被有效地与源自景物的辐射隔离，而无 需使用物理保护罩。
为此，本发明涉及一种用于检测电磁辐射的器件，所述器件包括电阻 成像测辐射热计和电阻共模抑制测辐射热计，所述电阻成像测辐射热计对 辐射敏感并且用于电气连接到信号整形电路，所述电阻共模抑制测辐射热 计与所述成像测辐射热计电气关联，使得流经所述共模抑制测辐射热计的 电流被从流经所述成像测辐射热计地电流中减去。
根据本发明，所述器件包括用于通过向所述共模抑制测辐射热计注入 电流来控制所述共模抑制测辐射热计的电阻的装置。
因此，通过使用用于控制所述共模抑制测辐射热计的电阻的装置，可 以将所述电阻设定为独立于源于景物的辐射的值，并由此通过这些电气装 置将所述共模抑制测辐射热计与所述辐射隔离。
根据本发明的具体实施例，所述器件包括一个或更多个下述特征。
用于控制所述共模测辐射热计电阻的装置包括用于将预定参考电流 注入共模抑制测辐射热计的装置。
所述控制装置包括用于在所述共才莫抑制测辐射热计的端子上的电压 基本等于预定的参考电压时断开所述电流注入装置的装置。
在所述电流注入装置激活期间，所述参考电压被设定为比所述共模抑 制测辐射热计的端子上的电压高的值。
所述共模抑制测辐射热计是参考测辐射热计，并且其包括电流镜，所 述电流镜适于在一个支路上电气连接到所述成像测辐射热计的端子，而在 另一支路上电气连接到所述参考测辐射热计的端子。
所述共模抑制测辐射热计是补偿测辐射热计。
所述控制装置适于将所述共模抑制测辐射热计的电阻固定为依赖于 所述衬底的温度的参考电阻，所述成像测辐射热计形成于所述衬底之上。
10所述成像测辐射热计和所述共模测辐射热计以惠斯登(Wheatstone) 桥的方式布置。
本发明还涉及一种用于检测电磁辐射的系统，所述系统包括至少一行 器件的矩阵，每个器件包括电阻成像测辐射热计和电阻共模抑制测辐射热 计，所述电阻成像测辐射热计对电磁辐射敏感，所述电阻共模抑制测辐射 热计与所述成像测辐射热计电气关联，使得流经所述共模抑制测辐射热计 的电流被从流经所述成像测辐射热计中减去。每个器件还包括信号整形电 路，适于电气连接到所述成像测辐射热计来读取其中的电阻变化。所述系 统的检测器件是上述类型。
根据本发明的具体实施例，所述系统包括一个或多个下述特征。
用于控制所述共模抑制测辐射热计电阻的装置适于将其电阻调整到 独立于所述景物的值。
所述信号整形电路适于在读取所述成像测辐射热计之前被初始化，并 且用于控制所述共模抑制测辐射热计电阻的装置适于在所述积分电路初 始化期间调整所述电阻。
本发明还涉及一种用于读取测辐射热计矩阵中的电阻成像测辐射热 计的电阻变化的方法，所述测辐射热计矩阵构成用于检测所述电磁辐射的 系统。
所述方法包括
-使矩阵的共模电流在共模抑制测辐射热计中流动，
-产生流入所述成像测辐射热计和所述共模抑制测辐射热计的电流 之间的电流差，
-根据所述电流差来对与成〗象测辐射热计有关的信号进行整形。
根据本发明，在使共模电$錄所述共#^制测辐射热计中流动的步骤 之前，将所述共模抑制测辐射热计的电阻调整在这样的值，所述值低于所 有这些测辐射热计在暴露于具有接近预定景物动态范围上限的温度的景 物时的电阻值。
通过阅读下述仅作为示例提供的说明书并结合附图可更好地理解本发明，在所述附图中，相同的标号表示相同或相似的元件，并且在附图中
图l是根据现有技术的敏感测辐射热计和其读取装置的示意图2A是以利用了根据现有技术的电阻参考结构和相关的电路元件的
共模补偿来补充图l的示意图2B是以利用了根据现有技术的电阻补偿结构和相关的电路元件的
共模补偿来补充图i的示意图3A是以利用了根据本发明的电阻参考结构的共模补偿来补充图2A的示意图3B是以利用了根据本发明的电阻补偿结构的共模补偿来补充图2B的示意图4是用于利用图3A和图3B中示意性示出的电路来读取成〗象测辐射热计的方法的流程图5A是利用根据本发明的参考结构的测辐射热检测器的示意图5B是利用根据本发明的补偿结构的测辐射热检测器的示意图。
具体实施例方式
根据本发明的电阻参考结构被布置在测辐射热检测器中，所述测辐射热检测器包括
-成像测辐射热计的一维或二维成像矩阵，其布置在对红外线透明的光学器件的焦平面中；
:读取电路，其形成在矩阵表面下面的衬底中，并且包括用于对矩阵进行逐行寻址和逐列积分的装置；
-一个或多个共模补偿测辐射热计，其位于成像矩阵的每行中，或者可替选地，位于成像矩阵的每列中，但是位于对成像应用而言形成图像的敏感区域之外。
测辐射热检测器的此类设置是常规的，因此下面不再更加详细地说明。对于更多的细节，例如对于设置在行末端的参考测辐射热计的应用，
可参考文献"/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);而对于
设置在列末端的参考测辐射热计的应用，可参考文献"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)。
参照图3A和5A,现在说明根据本发明的成像测辐射热计、其读取电路以及共模抑制测辐射热计的称作"参考"型的第一优选布置。
如图3A所示，根据本发明的参考结构包括参考列38，其中没有图2A中所示现有技术的降低参考测辐射热计对辐射的敏感度的保护金属膜，而是提供了用于控制参考测辐射热计26的电阻的电路40。
因此可观察到参考测辐射热计26可与成像测辐射热计12同样地经受源于景物的红外辐射。
控制电路40包括恒定电流源42，所述恒定电流源42通过可由校准信号控制的第一校准开关44而连接到参考测辐射热计26的端子C。当第一校准开关44处于闭合状态时，电流源42向参考测辐射热计26注入预定强度的电流Iw。
控制电路40还包括可通过玩承信号控制的第二校准开关46, S3S信号是校准信号的互补信号。所述第二校准开关被设置在测辐射热计的端子C和MOS晶体管28的源极之间。
电路40还包括比较器45，所述比较器45比较参考测辐射热计26的端子C的电压Vc和预定的参考电压Vref。
最后，由比较器45的输出信号控制的第三开关48设置在电流源42
和参考测辐射热计26之间。更具体地，当电压Vref高于端子C的电压Vc
时比较器45将第三开关48保持在闭合状态，而当电压Vref基本上等于电压Vc时比较器45将第三开关48切换到断开状态。
图5A示出包括成像矩阵的测辐射热检测器，所述成像矩阵由带有来自参考结构的共模电流抑制的读取电路来读取，所述参考结构包括上述元件。
现在参照图4来描述用于读取由控制电路40所使用的敏感测辐射热计12的方法。
所述方法的第一步骤是初始化步骤50。步骤50特别包括以在以下更加详细描述的方式来选择电流Iref的值和电压Vref的值。
然后通过"复位"开关18的闭合来触发以恒定电流Iref预加热参考测辐射热计26和初始化积分器10的步骤52。"预加热"这个词在此用来指 在成像测辐射热计12的常规读取周期之前实施与现有技术的操作相比的 附加周期。所述附加周期包括将参考测辐射热计26的温度升高到依赖于 值Iref和Vref的特定值，这在下面说明。
应注意对于测辐射热计提及其温度或电阻是等效的，因为这两个量是 相互联系的。
为此，调整选择信号的值来将第一和第二读取开关20和30切换到断 开状态。同时，调整校准信号的值来将第一校准开关44切换到闭合状态 并将第二校准开关46切换到断开状态。
参考测辐射热计26因此由于电流Iref注入其中而初L极化，并因此经历 由于焦耳效应而引起的加热。
在常规用来制造测辐射热计的材料(例如非晶硅或氧化钒)的情况下， 测辐射热计的电阻Rb根据阿列纽斯(Arrhenius )定律、按下述方程变化
Rb=Rabs x exp(Ea/KT)( 1 )
其中
- Ea是测辐射热材料的电导活化能；
- RABS是参考测辐射热计在其温度趋于无穷时的电阻值； -K是玻尔兹曼(Boltzmaim)常数；以及
—T是测辐射热计的膜被升高到的绝对温度。
从方程(1)推导出的电阻Rb的温度的相对变化的系数"TCR" M 示为
TCR=Ea/(KT2)
因此所述量是负的，并且电阻Rb随着温度升高而减小。
仍在步骤S2，还调整"复位"控制的电平来切换零复位开关18到闭 合状态，由此触发电容器16的放电，其保持在所述状态中直到下述步骤 58。
在随后的步骤54期间，进行测试来确定电阻测辐射热计26的电阻 Rb是否基本上等于预定的电阻Rref。如果所述测试结果为负，则参考测辐 射热计26的预加热继续。如果不为负，通过将参考测辐射热计26与电流 源42断开来停止参考测辐射热计26的预加热，由此结束测试步骤54。更具体地，步骤54由比较器45来执行。
根据欧姆定律，参考测辐射热计26的端子上的电压Vb可根据下述方 程来建模
<formula>formula see original document page 15</formula> (2)
然后比较器45将第三开关48切换到断开状态，由此将电路源42与 参考测辐射热计26断开，当电压Vw基本上等于Vc = VDDA - Vb时，即， 当Rb满足下述方程时
<formula>formula see original document page 15</formula> (3)
参考测辐射热计26的预加热结束。
应注意在预加热结束时参考测辐射热计所呈现的电阻Rref独立于参 考测辐射热计所接收的红外辐射的量。因此参考测辐射热计26感光度降 低。
事实上可示出在比较器45将参考测辐射热计26与电流源42断开 时，参考测辐射热计26所经历的温度上升6可由下述方程进行一阶近似
<formula>formula see original document page 15</formula> (4)
可观察到所述温度上升不依赖于红外辐射，而仅依赖于测辐射热计的
内部^lt,并因此依赖于控制电路40的参数，即电流Iref和电压Vref。
在随后的步骤58期间， 一旦参考测辐射热计26被预加热并且电容器
16枕故电，就开始读取成〗象测辐射热计。
在所述步骤58中，调整"校准"信号的值以将第一校准开关44切换 到断开状态并将第二校准开关46切换到闭合状态。
同时，调整"选择"控制信号的电平以将第一和第二读取开关20、 30切换到闭合状态。
同时，调整"复位"控制信号的电平来断开开关18，以在积分器IO 的输入端(-)开始电流的积分。
这样，流经参考测辐射热计26的电流i2在B点被复制。因此其在积 分器10的输入端被从流经成像测辐射热计12的电流h中减掉。当从第一和第二读取开关20、 30的闭^^过去了积分时间ATint时， 在60结束读取成像测辐射热计的步骤。
在步骤50期间电流Iref和电压Vref的值被选择成使得
-在参考测辐射热计的预加热开始期间，Vref的值低于端子C的电压
Vc。因此，比较器45的切换条件不会一开始就满足。反之，参考测辐射 热计26的预加热将,皮禁止，并且因此参考测辐射热计将对辐射敏感；
-在步骤54的结尾，当补偿列38的参考测辐射热计观察到具有接近 预定义景物动态范围上限的温度的景物元素时，参考测辐射热计26的电 阻低于补偿列38的参考测辐射热计26的最小电阻。或者有利地，因为参 考测辐射热计26 —般等效于成像测辐射热计12，所以所述值可从上一帧 的读取中估计出来，或更一般地说，可从预定数量的先前帧的读取中估计 出来。事实上，在步骤54之前，参考测辐射热计26对景物敏感。因此，
如果Iw和Vref选得不当，比较器45可以瞬时切换并立刻停止参考测辐射
热计26的加热。换句话说，根据方程(4)来选择高于景物可感应出的最 大温度的温度6是可取的，也就是说，施加低于景物在其最热点所感应的 的电阻是可取的。在 不满足所述条件的情况下，如果图像的最热区域正好 扫过参考像素的列，则对辐射光线的感光度降低可能在一个或多个行上无 效；以及
-考虑帧频率，参考测辐射热计的电阻达到Rw所需的加热时间短于 可接受的估计固定时间。事实上，与参考测辐射热计的加热时间相比，电 容器16的放电几乎是立刻发生的。因此，复位和选择信号的定时可被保 持。
现在参照图3B和5B来说明根据本发明的成像测辐射热计、其读取 电路以及共才莫抑制测辐射热计的称作"补偿"型的第二优选布置。
如图3B所示，根据本发明第二实施例的共模抑制结构包括补偿行 (compensation line) 52，其中设置了电路40，所述电路40用于控制补 偿测辐射热计50的电阻，所述电路40与上述电路相同，并执行上述电路 相同的功能。每个测辐射热计50可包括一个或多个测辐射热元件，所述 测辐射热元件,皮热化到衬底，以^f更具有与成卩象测辐射热计12的热阻相比 为低的但是不可忽略的热阻，也就是说， 一般通过简化方法获得，尤其无 需形成对辐射不透明的罩。
一方面，在第一校准开关44处于闭合状态、并且布置在测辐射热计50的端子D和MOS晶体管54的源极之间的第二开关46同时处于断开 状态时，电路40向补偿测辐射热计50注入预定强度的电流Iref-C。mp;另一 方面，电路40通过比较器45将补偿测辐射热计50的端子D的电压VD 与预定的参考电压Vwp相比较；最后，在电压Vref_e。mp高于端子D的 电压VD时，比较器45将第三开关48保持在闭合状态，并且在电压Vref_comp 基本上等于电压VD时将第三开关48切换到断开状态。
图5B示出包括成像矩阵的测辐射热检测器，所述成像矩阵由带有来 自补偿结构中的共模电流抑制的读取电路读取，所述补偿结构包括上述元 件。
可以与先前采用的方式相同地通过一 系列相同的步骤50到54来描述 用于读取由控制电路40所使用的敏感测辐射热计12的方法，分别针对"参
考，，考虑到"补偿"、针对Vref考虑到Vref_c。mp、针对Iref考虑到Iref-C。mp、
针对"测辐射热计26"考虑到"测辐射热计50"、针对"端子C"考虑到 "端子D"、针对Vc考虑到Vu、针对VDDA考虑到VSK、针对Rb考虑
到Rc。mp,其中Rc。mp是补偿测辐射热计50的电阻。
步骤54完成时，补偿测辐射热计50的电阻被升高到等于
Vref_comp/Iref-comp的^^^^^t Rcomp-ref。
步骤58和60与前述步斜目同，区别仅在于开关20涉及待读取的测 辐射热计的选择。
在步骤54之前，参考测辐射热计26 Mt但可测量地对景物敏感。因
此，如果Iref-e。mp和Vref-e。mp选择不当，比较器45可以瞬时切换并立刻停
止参考测辐射热计50的加热。换句话说，根据方程(4)选择高于景物可 在补偿测辐射热计上感应出的最大温度的温度6是可取的，也就是说，施 加比景物在其最热点可感应的电阻低的电阻是可取的。在不满足所述M 的情况下，如果图像的最热区域扫过补偿测辐射热计的行，则感光度降低 可能在一个或多个列上无效。
因此，在步骤50期间电 〉"U Iref-comp
和电压Vref_c。mp的值被选择成使得
-在补偿测辐射热计的预加热开始期间，Vref-e。mp的值低于端子D的 电压VD。因此，比较器45的切换条件不会一开始就满足。反之，补偿测 辐射热计50的预加热将被禁止，并且补偿测辐射热计对辐射的感光度不 会降低。
-在步骤54的结尾，当补偿测辐射热计50观察到呈现出接近预定义景物动态范围上限的温度的景物元素时，补偿测辐射热计50的电阻
Rc。mp《ef低于补偿测辐射热计的最小电阻。
-或者，选择Iref-c。mp和Vref《咖p的值，4吏得补偿测辐射热计50的电
阻Rc。mp-ref低于在前一帧之后的补偿测辐射热计的最小电阻值。优选地，所述值可从前一帧的读取中推断出来，在前一帧结尾将对补偿行的电阻进行读取。或更一般地说，可使用与预定数量的先前帧有关的读取补偿行的结果；以及
-考虑线读取频率，补偿测辐射热计的电阻达到Rref-C。mp所需的加热时间短于可接受的估计固定时间。事实上，与补偿测辐射热计的加热时间
相比，电容器16的放电几乎是立刻发生的。因此，复位和选择信号的定
时可被保持。
由于本发明，在读取成像测辐射热计12时无需借助物理保护设备来防止源于景物的辐射，就可获得以下效果
-共模抑制测辐射热计对于源于景物的红外辐射的感光度降低。事实上，读取时间约为五十到一百微秒，而敏感或参考测辐射热计的热时间常数约为几个毫秒。因此可见在最坏情况下，在读取周期期间由于源于景物的辐射而引起的参考测辐射热计的温度变化，导致积分器输入端的 一般低于1%的电流变化。在使用部分热化的补偿测辐射热计的情况下，热时间常数可以与积分时间大约相同，并且尽管才艮据结构这些测辐射热计对于热通量的敏感度已经较低，但是感光度变弱还是相应地相对来说变差，使得只要在积分输入端的电流变化变得可忽略，则本发明的结果就4^人满意；
-更低的制造成本，因为用于对共模抑制测辐射热计的电阻进行控制的电路直接包括读取电路，从而节省了用于对辐射感光度降低的罩的制作；
-实质上减少了共模抑制测辐射热计的电阻的自然离散(n atu raldispersion),这是由于对整列参考测辐射热计或整行补偿测辐射热计而言这些元件的电阻以共同的值被施加。
已描述了本发明的具体实施例。
作为替选方案，电流源是可控制的。例如，可预先确定在预加热时段可变的电流轮廓，以便进一步优化所述时段。
作为另一替选方案，选择W和V^或者
lref-comp
和Vref《。呻的值，以
便在读取之前使共模抑制测辐射热计到统一温度的调节结束时，在用于控制共模测辐射热计电阻的电路未被激活时，施加比电阻Rb或Rc。mp在热平 衡时的平均值低预定的绝对或相对量的电阻。
下面的论述阐明了对于使用参考或补偿结构的情况而言，"预定，，这 个词的含义。
事实上，平衡温度升高，或与"M目当的情况，即参考或补偿测辐射热 计在检测器要检测的最大辐射的作用下处于热平衡时(即观察到接近预期 景物动态范围的上限温度的景物时)的电阻，很容易从检测器的结构特征 中、特别是从其热阻、敏感膜的有效区域以M检测器的敏感谱带内的综 合吸收系数中得到。所述电阻也可直接地从位于加热到所述温度的黑体前 面的代表检测器的校准过程中推导出来。
因此通过本发明和选择适当的Iref和Vw值(或更简单地，如果这两 个值之一被先验地正确确定的话，选择另一个)足以施加在前述条件中获 得的电阻值Rref或Rc。mp-ref,所述适当的值Iref和Vref由方程Vref / Iref = Rref Vref_co， / Iref画comp =Rc。mp隱ref相互联系。
可选地，可有用的是，为根据先前表述的通过对预期的景物动态范围 的感光度降低来限定的电阻减小补充额外的减小，所述额外的减小用来限 制共模抑制电阻的自然离散。
为了提供有用的数量级并阐明该陈述，以获得共模抑制结构对于加热 到焦平面温度以上100。 C的景物的感光度降低，与检测器在环境温度和 没有根据本发明的电热化情况下观察景物时的平衡温度相比，必须在积分 之前将参考测辐射热计加热约2。
C。考虑到本领域的普通测辐射热材料，
这等同于将参考测辐射热计的电阻降低约4% 。
此外，如果参考电阻的自然离散约为1%，这代表了最坏的情况，则
必须在积分阶段之前通过本发明来将参考电阻减小总共约为5%，以便消
除在信号整形时参考电阻的这种自然分布的空间离散效应，而不管最高达
100° C的景物温度。在所述温度以上，感光度降低仅在检测器的部分行 中最有效，并且共模抑制的自然离散逐渐重现。
至于待施加到补偿测辐射热计的值Iref-e鹏p和Vref-e。mp的选择，比先前 示例中明显更小的电阻差别可在相同的景物动态范围上有效地降低共模 抑制的感光度。
事实上，对于比有源测辐射热计对辐射更不敏感例如100倍的补偿测
辐射热计而言，在积分阶段之前约20mK的预先电加热就足够了。与前述示例相反，正是独立于热通量的电阻Rc。呵的自然离散限定了 在积分之前待施加的电阻减小，以确保所有列的感光度被降低。事实上， 如前所述，如果采纳约1%的Re謹p空间离散(spatial dispersion),则预 加热必须引起至少1%的电阻减小，即相当于约1° C。通过使用在标准
电路领域中可容易获得的电压Vref-e。呻和电流Iref《。mp，这样的温度上升对 于电流技术的所谓热化结构可在几微秒期间获得，与检测器的操作的通常 时间安排相一致。
正是这个相对或绝对的差别被称作"预定差别"，所述差别3皮以下述
方式整体考虑或许比前面利用从图像信号中推导的估计来建议的方式更
少受限定，或专门针对补偿测辐射热计，但有利地因为独立于电流源而筒 单应用的方式。
先前为支持所提出的替选方案而提出的论述令人满意地并准确地应 用到被保持在固定焦平面温度的检测器上，所述固定焦平面温度例如通过
珀耳帖(Peltier)效应模块(TEC )或者通过调节读取电路的加热来调节。
如果期望焦平面的温度改变，如因为经济原因逐渐而广泛发生的那 样，则很重要的是要在共模抑制测辐射热计的热化条件中提供伴随的和相 关的变化，以^f更在检测器的工作范围中的任何温度，对于景物的热通量的 感光度降低而言获得4Mv满意的结果。
为此，可提供类似类型的电路，例如其一般包括至少一个用于根据焦 平面(或支撑读取电路的衬底)的温度来充分地控制电压Vref (相对应地，
Vref-C。mp)或电流Iref (相对应地，Iref-醒p)的元件。典型的元件例如是通
过测辐射热计来反馈的运算放大器，所述测辐射热计根据结构(补偿型， 并位于景物相关区域之外)被热化，所述测辐射热计限定了放大器的增益 与测辐射热计的电阻成比例，这是读取电路的衬底温度的典型规律。
用于焦平面温度的功能控制目的的另一布置是例如通过形成在衬底
表面的探测器，为处理单元28提供焦平面温度的测量，所述处理单元在
数字上进行要对控制共模抑制测辐射热计的电压和/或电流源施加的校 正。
这样，通篇隐含针对特定的焦平面温度而表达的意见可适用于环境温 度附近的宽范围中的任何其它温度。
类似地，作为替选方案，如文献US2003/0146383中所述，成4象测辐 射热计和共模抑制测辐射热计以惠斯登(Wheatstone)桥的方式布置。本发明应用于带有测辐射热检测的图像传感器领域，而无论检测频段或用于制造成像和参考测辐射热计的测辐射热材料的类型如何，所述测辐
射热材料的类型例如是非晶硅(a-Si)、氧化钒(Vox)、金属(Ti)。
由于本发明适于带有测辐射热检测的图像传感器的各种工作温度，因此其还同样适用于热调节传感器和工作在可变焦平面温度的传感器(通常称作"TEC-LESS")，而不论是否结合光学器件提供了快门。
权利要求
1. 一种用于检测电磁辐射的器件，包括电阻成像测辐射热计(12)和电阻共模抑制测辐射热计(26，50)，所述电阻成像测辐射热计(12)对要被检测的电磁辐射敏感并且用于电气连接到信号整形电路(10)，所述电阻共模抑制测辐射热计(26，50)与所述成像测辐射热计(12)电气关联，使得流经所述共模抑制测辐射热计(26，50)的电流被从流经所述成像测辐射热计(12)的电流中减去，其特征在于，所述器件包括用于通过向所述共模抑制测辐射热计注入电流来控制所述共模抑制测辐射热计的电阻的装置(40)。
2. 如权利要求l所述的用于检测红外辐射的器件，其特征在于，用 于控制所述共模测辐射热计的电阻的装置(40)包括用于将预定参考电流(Iref; lrcf-comp)注入所述共模抑制测辐射热计的装置(42)。
3. 如权利要求2所述的用于检测红外辐射的器件，其特征在于，所 述控制装置(40)包括用于当所述共才莫抑制测辐射热计(26, 50)的端子(C; D)上的电压基本上等于预定的参考电压(Vref; Vref_c。mp)时将所述 电流注入装置(42)断开的装置(48)。
4. 如权利要求3所述的用于检测红外辐射的器件，其特征在于，在 所述电流注入装置(42)的激活期间，所述参考电压(Vref; Vref-e。mp)被 设定为比所述共模抑制测辐射热计的端子(C; D)上的电压高的值。
5. 如上述权利要求中任一项所述的用于检测红外辐射的器件，其特 征在于，所述共模抑制测辐射热计是参考测辐射热计，并且所述器件包括 电流镜(34)，所述电流镜(34)适于在第一支路上电气连接到所述成像 测辐射热计的端子(C)，而在第二支路上电气连接到所述参考测辐射热 计(26)的端子。
6. 如权利要求1-4中任一项所述的器件，其特征在于，所述共, 制测辐射热计是补偿测辐射热计(50)。
7. 如上述权利要求中任一项所述的器件，其特征在于，所述控制装 置(40)适于将所述共模抑制测辐射热计(26; 50)的电阻固定为依赖于 衬底的温度的参考电阻，所述成像测辐射热计(12 )形成于所述衬底之上。
8. 如权利要求l-7中任一项所述的用于检测红外辐射的器件，其特 征在于，所述成像测辐射热计和所述共模测辐射热计以惠斯登桥的方式布置。
9， 一种用于检测电磁辐射的系统，包括至少一行器件的矩阵，每个 器件包括-电阻成〗象测辐射热计(12 )和电阻共模抑制测辐射热计(26; 50 ), 所述电阻成像测辐射热计(12 )对电磁辐射敏感，所述电阻共， 制测辐射热计(26; 50)与所述成像测辐射热计(12)电气关联， 使得流经所述共模抑制测辐射热计(26; 50)的电流被从流经所述 成像测辐射热计(12)的电流中减去，-以及信号整形电路(10 ),其适于电气连接到所述成像测辐射热计 (12),其特征在于，每个器件遵循前述权利要求中的任一项。
10. 如权利要求9所述的用于检测红外辐射的系统，其特征在于，用 于控制所述共模抑制测辐射热计的电阻的装置(40 )适于将所述电阻调节 到独立于景物的值。
11. 如权利要求9和10之一所述的用于检测红外辐射的系统，其特 征在于，所述信号整形电路(10)适于在读取所述成像测辐射热计(12) 之前被初始化，并且用于控制所述共模抑制测辐射热计的电阻的装置(40 ) 适于在所述积分电路初始化期间调节所述电阻.
12. —种用于读取测辐射热计矩阵中的电阻成像测辐射热计(12 )的 电阻变化的方法，所述测辐射热计矩阵构成用于检测所述电磁辐射的系 统，所述方法包括-使矩阵的共模电流在共模抑制测辐射热计中流动，-产生流入所述成像测辐射热计和所述共模抑制测辐射热计的电流 之间的电流差，-根据所述电流差来对与成像测辐射热计有关的信号进行整形，其特征在于，在使共模电流在所述共模抑制测辐射热计中流动的步骤 之前，所述方法还包括将所述共才莫抑制测辐射热计的电阻设定在这样的 值，所述值低于所有这些测辐射热计在暴露于具有接近预定景物动态范围 上限的温度的景物时的电阻值。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测电磁辐射的器件，所述器件包括电阻成像测辐射热计(12)和电阻共模抑制测辐射热计(26)，所述电阻成像测辐射热计(12)对要被检测的电磁辐射敏感并且用于电气连接到信号整形电路(10)，所述电阻共模抑制测辐射热计与成像测辐射热计(12)电气关联，使得流经共模抑制测辐射热计(26)的电流被从流经成像测辐射热计(12)的电流中减去，其中所述器件包括用于通过向共模抑制测辐射热计注入电流来控制共模抑制测辐射热计的电阻的装置(40)。
文档编号G01J5/22GK101458125SQ200810185110
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月9日 优先权日2007年12月12日
发明者伯努瓦·杜邦, 米歇尔·维兰 申请人:Ulis股份公司