专利名称：利用辐射热检测器检测红外辐射的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用辐射热检测器检测红外辐射的设备。本发明的应 用领域尤其涉及红外成像。
背景技术：
在红外检测器领域中，已知可以使用设计成阵列形式能够在环境温度 下工作(即，不需要冷却到非常低的温度)的设备，这些设备与被称作"量 子红外检测器"的检测设备形成对比，后者只能在非常低的温度下(通常 是在液氮温度下)工作。
这些非冷却检测器传统上使用合适材料的、作为在大约300K的温度 的函数的某个物理量的变化进行工作。在辐射热检测器的情形下，该物理 量为电阻率。
这种非冷却检测器一般涉及 -吸收红外辐射并将其转化为热的装置；
—使检测器热绝缘从而使其温度由于要检测的红外辐射的影响而升高的
装置；
-在辐射热检测器的情形中，^"吏用电阻元件的测温装置；
—以及所述测温装置提供的电信号的读取装置。
打算用于红外成像的检测器传统上被制成单元检测器的一维或二维 阵列，所述阵列被"单片"形成或安装在通常由硅构成的基底上，而该基 底合并了顺序地寻址单元检测器的装置以及对由这些单元检测器产生的 电信号进行电激发(激励)的装置和进行预处理的装置.这些顺序寻址装 置、电^L装置和预处理装置形成在基底上，并构成读取电路。
为了使用该检测器来获得景象,通过合适的光学系统将景象投影到单 元检测器阵列上，其中每个单元检测器构成图像点或像素，时钟驱动的电 激励通过读取电路被施加到每个单元检测器或者施加到这种检测器的每
一行，以便获得电信号，该电信号是由每个所述单元检测器所达到的温度 的图像。然后，该信号由读取电路或多或少地进行处理，然后，如果可用， 则由封装之外的电子设备进行处理，以便产生所观察景象的热图像。
当使用辐射热检测器时，所遇到的最主要的困难是，相对于这些检测 器的电阻的平均值而言，表示所观察景象的局部温度变化的这些电阻的相 对变化是非常小的。
辐射热检测器和基底之间由构造所决定的有限热阻的存在意味着基 底温度对辐射热检测器温度的影响比入射通量所导致的温度变化要敏感 得多，而从要检测信号的角度看，入射通量所导致的温度变化是唯一要考 虑的变化。因此，在正常的热稳定条件下基底温度的残^M^伏会在从辐射 热检测器所获得的信号中产生不想要的成分，该成分会对信号质量产生不 利影响，如果检测器没有这种热稳定系统的话就^A如此，而使用没有这 种热稳定系统的检测器以降低成本的情形越来越多。传统地，对基底进行 热控制以便防止或者至少是限制这种效应。
另外，使用"补偿"结构，以便使焦平面温度对检测器响应的影响最 小。使用这些结构来产生所谓的补偿电流，这些结构通常是称作"盲辐射 热检测器"的辐射热检测器，即，对入射的光通量不敏感而对基底温度敏 感的辐射热检测器，其中，根据电路的配置方式，从成像辐射热检测器(即， 检测辐射热检测器)所获得的电流中减去所述补偿电流。
通常，建立这些补偿结构，使得它们相对于基底具有非常低的热阻， 不像成像辐射热检测器一样。
这样，消除了大部分所谓的"共模电流"，即不代表源于要检测的景 象的信息的电流。
另夕卜，有利的是，由于所述补偿结构基本上与读取电路从而与焦平面 具有同样的温度，所以，这实际上允许显著地抑制焦平面温度的任何波动。 将这些补偿结构"同一地"、重复地安排在阵列的每个列中以减小电路的 复杂性和总尺寸是一种已知的手段。
当每次一行地图像进行电子扫描时，用同一补偿结构对每个辐射热 检测器列顺序地进行补偿。然而，补偿结构固有地呈现出电阻的空间变化 性，这是由于在其制造过程中所使用的技术处理(这些技术处理通常源自 半导体工业)所造成的。
另外，盲辐射热检测器(像成像辐射热检测器)以及读取电路的某些
功能通常受噪声现象(具体说是所谓的"l/f"噪声)的影响。1/f噪声通 常使传感器输出水平产生低频漂移(特别是极低频漂移)，这对图像质量 有不利的影响。补偿信号的低频变化从一个列到下一个列是不同步的，该 低频变化使得补偿结构的列排列对图像的质量有负面影响。除了采取某些 特殊设计和实现措施以减小这种变化性之外， 一般地，必须开发补偿算法 并将之运用到成像器的输出上以便提高图像质量。
在例如下列应用中说明了使用盲辐射热检测器的电阻型辐射热检测
器的读取电路
* "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。
图1示意性示出读取辐射热检测器的活动阵列的原理。
像素l (在这里，术语"像素"的解释延伸为是指在一个单元检测点 的影响下的全部结构)包括活动辐射热检测器2、 NMOS电荷注入晶体管 3以及将像素1连接到读取列5的开关4,像素l在这里用虚线表示。补 偿结构6在所讨论的技术领域中使用的术语中也被称作基准限幅器(base clipper )，它包括与电源VSK和PMOS电荷注入晶体管8相连的盲辐射 热检测器7。在正常的操作期间，PMOS晶体管处于饱和模式。其电流Ic。mp 流过补偿臂，用下面的表达式来定义
<formula>formula see original document page 5</formula>
其中
* Ve。mp表示横跨补偿辐射热检测器7终端的电压；
* Rc。呻表示所述补偿辐射热检测器的电阻。流过包括NMOS电荷注入晶体管3的活动臂的电流由下述关系表示:
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中
L表示活动臂的电流；
Vae表示横跨活动辐射热检测器2终端的电压；
Rae表示所述活动辐射热检测器的电阻。
选取MOS电荷注入晶体管的偏压，使得在没有任何入射的景象光通 量时(即，例如，当系统光关闭时)，活动臂和盲补偿臂之间的电流差
dI=Icomp-Iac基本上为零。
读取活动臂是两步操作。第一步包括闭合"复位"开关9，使运算放 大器11的积分电容10短路。于是有
Vou产V"BUS
因此，由虚线5所示的读取列5的电势为VBUS。然后，断开"复位" 开关9并闭合"选择"开关4从而将像素1连接到读取列5上。在有限的 积分时间Tint内由电容Cint10对电流差dl进行积分。在参考情形中，即 在，见察温度均匀的景象的情形中，积分产生了被称作"连续电平"或NC 的输出电压电平，这通常显示了成像阵列的变化性。这是用来表征读取活 动辐射热检测器的标准方法。
Cint
对辐射热检测器施加偏压以确保动态输出信号响应和活动补偿。
通it^J"最后一项考虑函数dl(t)在Tint上的积分可以获得更严格的表 达式，这是因为电流Iae和I,p不是常数。然而，为了清SA见，上W 达式足以说明要考虑的参数了 。
该读取系统有某些局限，这些局限与在读取电路上复制列补偿模式
(columnar compensation pattern)的方式碎目关。事实上，每个歹'J都有^卜 偿辐射热检测器和PMOS电荷注入晶体管。这些不同元件从一列到下一 列的不完美复制会导致不均匀的补偿效率，而这种不完美的复制是所采用 的制造技术的 ￡的空间变化性所固有的。该统计上的变化性使得补偿电 流从一列到下一列是不均匀的，并引起出现可看到的列差异，而这个列差 异会影响有用信号。
电阻Rc。mp的变化ARe。mp产生下述形式的电流变化
祉o琴=—2 -編o = - " M，
补偿电流也可以表示为MOSFET电荷注入晶体管的电流方程的函 数，表达式如下
= ^ -
2 、
其中，
* Hp表示正栽流子的迁移率；
* C。x表示栅氧电容；
* Wp表示PMOS沟道宽度；
* Lp表示PMOS沟道长度；
* Vsgp表示PMOS晶体管的栅极电压；
* V腿表示PMOS晶体管的阈值电压。
这个方程中的许多参数可能变化，因此会产生补偿电流的列不均匀 性。显然，从一列到下一列的平版印刷(lithographic)^^故Wp和Lp涉及电 流差异。沟道长度的波动也是这种不均匀性的可能的原因之一。有一些本 领域技术人员很熟悉的技术用来限制这些变化。
相反，阈值电压VthP的变化产生了一个问题。假设阈值电压的变化为 8Vth，则列电流的变化就可以表示为
<formula>formula see original document page 7</formula>除了该静态变化外，图1所示的电游^还对与1/f噪声相关的低频波动
敏感。在两个频率fmin和fn^之间所产生的1/f噪声功率按照下面的关系 通过对这两个界限之间的噪声镨密度进行积分来表示
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，
kB为玻尔兹曼常数；
!^表示材料的l/f噪声系数。
在两个积分界限fmin和f，x之间，由补偿结构增加的噪声功率(如上 式所表示的)对于每十倍频率增加一个恒定增量。补偿辐射热检测器被一 直施加偏压，因此可以认为积分期间的频率下限fmin是非常低的，以至于 一旦激活了检测器，该分量就在很长时间内 一直是具有能量的。列干扰(本 领域的技术人员将其解析地表示为上面的噪声功率)表现为偏移，如果考 虑比帧频率低的频率的话，该偏移在一阶下从一个图像到下一个图像是不 变的，但如果装有这种检测器的照相机工作了几分钟的话，该偏移在较长 的时间上是可变的。
除了该P艮制外，市场的趋势是采用像素数更多的辐射热传感器，这意 味着，从最远处的活动辐射热检测器的角度来看，每个列的补偿辐射热检 测器充当着"局部的"温度参考，而在小的成像器中，所述补偿辐射热检 测器可以充当绝对的温度参考。因此，如果不管是什么起源的热源(例如， 局部耗散或多或少热量的电路元件)能够影响全部或者部分的补偿辐射热 检测器的话，那么后者就根据它们与干扰源的距离而受到影响，从而产生 补偿电流分布，这个电流分布不合乎由与此无关的感光辐射热检测器所感 受到的基底温度的变化，或者， 一般来说，补偿辐射热检测器受到所述热 源的影响是不同的。
本发明涉及一种检测设备，该检测设^^吏用单个补偿结构并且可以克 服图像质量的局限，尤其是与列反差的差异相关的局限。
发明内容
这种用于检测红外辐射的设备包括对入射辐射敏感的并被称作"活动 的"的辐射热检测器的阵列，和对所述辐射不敏感的并被称作"盲的"的 辐射热检测器，所述阵列和盲辐射热检测器被形成在基底上，在基底上也
形成有读取电路，用来顺序地对所述阵列的每行检测器进行寻址，处于单 个行中的每个活动辐射热检测器被同时施加偏压。
根据本发明，所述读取电路还包括
基于所述盲辐射热检测器来产生参考电流的装置；
*将所述参考电流同时复制给所述阵列的每列的装置；
*多个电流积分器，每个积分器与所述阵列的一列相关，并用来对流过 当前正被读取的行中的活动辐射热检测器的电流和所述那样复制的参考 电流之间的电流差进行积分。
换句话说，整个辐射热检测器阵列由单个结构来补偿，从而可以防止 使用现有技术中的检测器时所观察到的列反差。
根据本发明，产生参考电流的装置包括
*电源线，与所述盲辐射热检测器的端子之一相连；
*电荷注入晶体管，与所述盲辐射热检测器的另一端子相连，以^更通过 施加到其栅极上的电压产生所述参考电流；
电流电压转换器，将所述参考电流转换为参考电压。
根据本发明，所述盲辐射热检测器可以由一个或多个彼此相连的单元 盲辐射热检测器构成。这个或这些盲辐射热检测器的产生方式类似于活动 辐射热检测器，但其相对于基底的热阻可以忽略不计。
根据本发明，将所述参考电流同时复制给所述阵列的每个列的所述装 置由位于所述每列中的电流镜构成，所述电流镜各自包含电压电流转换 器。
根据本发明的一个有利的方面，每列中所使用的电流镜为差分电流镜。
通过下面参考附图并且仅由示例方式所给出的说明，更容易理解本发 明的实现方式及其优点。
图l是用于读取活动辐射热检测器阵列的原理的示意图，如上所述；
图2是类似于图1的示意图，但示出本发明的一般原理；
图3是类似于图2的本发明另 一个实施例的示意图，示出参考结构中 的电流源和差分电流镜以及每列的结构的差分电流镜。
具体实施例方式
在其余说明中，在可应用时，使用相同的附图标记来识别相同的或者 具有同样功能类型的元件。
一般来说，如已经说明的，在生成了读取电路的M底上形成辐射热 检测器的阵列。该基底在其活动结构的区域，即在感光区的正下方，覆盖 了金属反射层。该反射层采用已知方式来设计，用来在基底和检测器的吸 收部分之间形成1/4波腔。
利用"铺砌的"悬浮膜来形成光敏活动区(optically active area )，该 悬浮膜位于读取电5MUi，包括辐射热检测材料。这些膜由基本垂直而导 电的结构来支撑。这些结构由金属材料制成，也用来通过导电但不导热的 伸长结构将读取电路所产生的激发电势导向每个单元辐射热检测器的膜 的导电部分(也称作"电极")。
该热阻也被称作"热隔离"，用来允许辐射热检测器的温度由于要检 测的红外辐射效应的缘故而升高。
读取电路顺序地应用流过悬浮结构的电流。该电流流过一种材料，该 材料的电阻率随着温度而变化，并被称为"辐射热检测材料"。在这种应 用中最广泛使用的材料是氧化钒( 一般分子式为VOx)和非晶硅(a-Si )。
为该阵列提供补偿结构，该补偿结构用来分流流过构成阵列的每个辐 射热检测器的大部分共模电流，其原理根据图2进行说明。
该补偿结构对于整个阵列是唯一的。
才艮据本发明的一方面，该单个的补偿结构18包括由一个或几个单元 辐射热检测器连在一起所构成的电阻为Re。mp的盲的，更准确地i兌^l对红 外辐射不敏感的补偿辐射热检测器12。电源线13 (VSK)被连接到所述 电阻Rc。mp的一端。所述电阻的另一端与电荷注入晶体管14相连，以<更通 过施加在所述晶体管栅极上的栅极电压(GSK)使参考电流(Iref)流过 补偿辐射热检测器12的电阻Re。，。因此，通过由栅极电压(GSK)控制 的电荷注入晶体管14可以稳定地为盲辐射热检测器12提供偏压。
电流-电压转换器15将参考电流(Iref)转换为参考电压(Vref)。
通过位于所述列5的电流镜16将该参考电流(Iref)复制^个列， 每个列包括电压(Vref)到电流(Iref)转换器。
本领域的技术人员对电流镜是很熟悉的，因此这里不需要详细对其进 fr沈明。只是简单地提醒读者，这种电流镜是一种专用电路，其由可以将
参考电流W反映(复制)为输出电流的晶体管构成，该输出电流理想情 况下等于参考电流，但实际上总是与参考电流成比例，不管与输出电^lM目 连的负载(在本情形中为下述积分器)为多少。
实际上，电流积分器19由放大器11和电容10形成，其与阵列中的
每个列5相关。该积分器用来对流过当前正被读取的行中的活动辐射热检 测器2的电流和来自电流镜的参考电流(Iref)之间的电流差进行积分。
因此，利用电流镜16，可以将参考电流Uef)根据电流12复制给阵
列的全部列。所述列的每一个具有附加的电流镜17，以便将电流12的方
向反转成补偿电流13，从而使参考电流(Iref)符合通常使用的积分结构。
因此，每个列中不再有任何补偿辐射热检测器，整个阵列只有单个的 补偿辐射热检测器。
应该强调的是，只有活动辐射热检测器2与检测器的iM目连时电流镜 17才是必须的，这种务泮不是检测器进行工作所必须的。因此，可以使 活动辐射热检测器2与电压VSK或任何大于VBUS的其它电位相连，以便 通过直接将电流镜16的晶体管与列5相连来去掉电流镜17。
根据发明的特定设备克服了与分布的补偿辐射热检测器相关的变化。 明显地，消除了列变化的一个源头，而该变化正是根据现有技术的检测阵 列的缺点之一。
另夕卜，去掉该传统上与每个列相关的补偿辐射热检测器就所用基底的 表面积而言可以节省大量的空间。提醒读者的是，这些补偿结构应该具有 尽可能小的低频噪声水平，以便不会4吏成像器的总性能退化。为了实现该 目标，需要使用体积较大的感光材料以便产生低噪声补偿结构，因此，要 求相当大的表面积，这是因为传统上使用薄层来制造这些结构。
图2所示的本发明的实施例由于所用多个MOS结构的几何上的和工 艺上的变化性会有一些局限。使用本领域人员所熟悉的紧密设计技术不能 将用来将电流分配到每个列的电流镜配对，这是因为在通常遇到的应用中 所述电流镜的两个臂之间的距离很容易为几个毫米。另夕卜，在使用电流镜 结构分配电流时，不可能使用已知的倒反馈(inverse feedback)技术，因为所有的电流镜有共同的参考臂。
为了克服这些局限，在图3所示的一个有利的实施例中，本发明建议 使用低^lt的电流镜，为了实现这一点，采用差分电流镜。
在这种情形中，根据已知的设计技术通过仔细设计晶体管的尺寸，可 以使两个紧靠的晶体管配对。
在这种情形下，保留参考补偿结构18。该结构构成参考电流源i产W。
它与差分电流到电压转换器22相连，差分电流到电压转换器22按已知的
方式包括至少一个电流镜和若干电流发生器。
更准确地说，该转换器包括
*共模电流Ie。m的源24;
进行I隱+Iref/2操作的电流加法器25;
*进行Ic。m-Iref/2 ^Mt的电流减法器26。
该转换器可以确保电流到电压转换，以便分别定义下面
与电流UIref/2等价的参考电压Vcmd+;
与电流Ie。m-Iref/2等价的参考电压Vcmd-;
这两个参考电压被分布在检测设备的全部列中。
因此，该转换器由单个结构构成，为整个检测器所共用，并用附图标
记20来表示。
每个列包括电压到电流转换器23，每个电压到电流转换器23包括 两个电压到电流转换器27、 28，它们分别将参考电压V^d+转换成电
流L = Ic。m+Iref/2，以及将参考电压V咖d-转换成电流12 = Ic咖-Irrf/2;
进行I^l2操作的电流减法器29。
差分电流镜的结构细节及其固有的优点对于本领域技术人员来说是 熟知的，因此，不需要在本发明的上下文中对其做进一步的详述。
通过位于所述列5的每一个中的电流镜16可以将从所述电压到电流 转换器23所获得的电流复制给所述每个列。因此，利用电流镜16，可以 将参考电流(Iref)根据电流h复制给所述阵列的全部列。所述阵列的每 一个具有附加的电流镜17，以便将电流h的方向反转成补偿电流，从而 使参考电流(Iref)符合上述的积分结构19。
明显地，在该特定实施例的情形中，构成单个补偿结构20的晶体管 彼此非常靠近，因此容易配对。相似地，晶体管27和28位于每个列中， 因此也容易配对。相反，后者不能与结构20的晶体管配对。采用双差分
电压Vem/Hy Vcmd-而不是单电压Vref可以在实质上限制分布在每个列中的
单元电子结构(MOS)的空间变化性的影响，尤其是就阈值电压的变化 性而言。因此，与图2中的实施例相比，可以获得更大的准确度，而在图 2所示的实施例中，不可能使晶体管15与16配对，因为晶体管16按列 分布。
不管所选的实施例如何，每个列中的补偿辐射热检测器被去掉了，这 也消除了在诸如图1所示的常恥险测结构中所产生的1/f噪声。
无可否认，在本发明使用的单个补偿辐射热检测器的工作期间，仍然 有1/f噪声，但通过以基底表面积为代价使用体积足够大的辐射热检测材 料可以将该噪声4艮容易地减小到可以忽略的量，而所U底表面积相对于 成像器的总的表面积而言非常小。
另外，与在图1中所示根据现有技术的结构的每个列中构造辐射热检 测补偿结构所需要的面积相比，所述使用面积是绝对可以忽略不计的。
此外，其影响可以施加到所述阵列的全部像素，而不;i从一列到另一 列以不相关的方式起作用，任何残余影响的伤害会小很多。
最后，利用本领域技术人员所熟悉的技术，可以使电流镜所引入的 1/f噪声减到最小。
本发明在使用辐射热进行检测的图像传感器领域中尤其有用，而不管 光学检测带和所用的辐射热传感器的类型(特别是基于非晶硅(a-Si)、 氧化钒(VOx)和金属(Ti)，但不限于此)。
除此以外，由于本发明能够适应各种工作温度，所以本发明也可用于 热控传感器以及用于焦平面温度可变的传感器。
此外，本发明在各列上具有固有的好的低频噪声性能，这就可以将本 发明所述的检测器集成在没有快门的照相机中。
很显然，本发明也完全兼容具有这种快门的传统相机。这就使这种相 机的制造成本有实质性的减少，并且也简化了用户的使用。
权利要求
1.一种用于检测红外辐射的设备，包括对入射辐射敏感的并被称作“活动的”的辐射热检测器(2)的阵列，和对所述辐射不敏感的并被称作“盲的”的辐射热检测器(12)，所述阵列和盲辐射热检测器被形成在基底上，在基底上也形成有读取电路，用来顺序地对所述阵列的每行检测器进行寻址，处于单个行中的每个活动辐射热检测器被同时施加偏压，其特征在于，所述读取电路也包括基于所述盲辐射热检测器(12)来产生参考电流(Iref)的装置；将所述参考电流(Iref)同时复制给所述阵列的每列的装置；多个电流积分器(19)，每个积分器与所述阵列的一列相关，并用来对流过当前正被读取的行中的活动辐射热检测器的电流和所述那样复制的参考电流之间的电流差进行积分。
2. 根据权利要求l所述的用于检测红外辐射的设备，其特征在于， 所述产生参考电流(Iref)的装置包括电源线(13),与所述盲辐射热检测器(12)的端子之一相连；电荷注入晶体管(14)，与所述盲辐射热检测器(12)的另一端子相 连，以便通过施加到其栅极上的电压产生所述参考电流(Iref);电流电压转换器(15)，将所述参考电流(Iref)转换为参考电压。
3. 根据权利要求1和2中任一个所述的用于检测红外辐射的设备， 其特征在于，所述盲辐射热检测器(12)由一个或多个彼此相连的单元盲 fe射热检测器构成。
4. 根据权利要求1到3中任一个所述的用于检测红外辐射的设备， 其特征在于，将所述参考电流(U同时复制给所述阵列的每列的所述 装置由位于每个所述列中的电流镜(16)构成，所述电流镜各自包括电压 电流转换器。
5. 根据权利要求4所述的用于检测红外辐射的设备，其特征在于， 每个所述列中使用的电流镜为差分电流镜。
全文摘要
利用辐射热检测器检测红外辐射的设备，包括对入射辐射敏感并称作“活动”辐射热检测器的阵列和对辐射不敏感并称作“盲的”辐射热检测器，阵列和盲辐射热检测器形成在基底上，基底上也形成读取电路，用来顺序地对阵列的每行检测器进行寻址，单个行中每个检测用辐射热检测器被同时偏压。读取电路还包括基于盲辐射热检测器来产生参考电流的装置；将参考电流同时复制给阵列每列的装置；多个电流积分器，每个与阵列的一列相关，用来对流过当前正读取的行的活动辐射热检测器的电流和复制的参考电流间的电流差进行积分。
文档编号H04N5/361GK101339074SQ200810111059
公开日2009年1月7日 申请日期2008年6月10日 优先权日2007年7月2日
发明者伯努瓦·杜邦, 奥利维耶·勒格拉 申请人:Ulis股份公司