能够感测图像和温度的图像感测装置的制作方法

本发明大体上涉及一种感测装置，确切地说，涉及一种图像感测装置。

背景技术：

互补型金属氧化物半导体(complementarymetal-oxide-semiconductor；cmos)图像传感器通常在硅(si)基板、砷化镓(gaas)基板、碳化硅(sic)基板或硅锗(sige)基板上制造。出于图像感测的目的，cmos图像传感器通常包含光感测部件、信号转换电路以及输出电路。光感测部件感测光源且将所获得的光学信号发射到信号转换电路。信号转换电路随后将光学信号转换成电信号，且将电信号发射到输出电路。

在现有技术中，普通图像传感器的像素通常不具温度感测功能。用于图像传感器的温度传感器通常安置在像素阵列周围或外部。此架构无法提供全像素阵列的确切温度监测结果。

技术实现要素：

因此，本发明是针对一种图像感测装置，其中像素电路能够感测图像和温度。

本发明的一实施例提供一种包含多个像素电路的图像感测装置，所述像素电路设置在阵列中且配置成感测图像和温度。像素电路中的每一个包含光感测装置、传输栅极晶体管、复位晶体管以及输出级电路。所述光感测装置包含第一端和第二端。光感测装置的第二端耦接到第一电压或第二电压。所述传输栅极晶体管包含第一端、第二端以及控制端。传输栅极晶体管的第一端耦接到光感测装置的第一端。传输栅极晶体管的控制端耦接到第一控制信号。所述复位晶体管包含第一端、第二端以及控制端。复位晶体管的第一端耦接到第一电源、第一偏流(currentbias)或第二偏流。复位晶体管的第二端耦接到传输栅极晶体管的第二端。复位晶体管的控制端耦接到第二控制信号。所述输出级电路包含输入端和输出端。输出级电路的输入端耦接到复位晶体管的第二端。输出级电路的输出端输出温度感测信号或图像感测信号。

在本发明的一实施例中，所述像素电路以第一模式或第二模式运行。当像素电路以第一模式运行时，输出级电路的输出端输出温度感测信号。当像素电路以第二模式运行时，输出级电路的输出端输出图像感测信号。

在本发明的一实施例中，当像素电路以第一模式运行时，复位晶体管的第一端耦接到第一偏流或第二偏流，并且光感测装置的第二端耦接到第一电压。

在本发明的一实施例中，当像素电路以第二模式运行时，复位晶体管的第一端耦接到第一电源，并且光感测装置的第二端耦接到第二电压。

在本发明的一实施例中，第二电压是接地电压或低于第一电压的电压。

在本发明的一实施例中，光感测装置包含光电二极管。光电二极管和传输栅极晶体管在相同阱中形成，所述阱与其它晶体管隔离。

在本发明的一实施例中，根据第一偏流和第二偏流产生温度感测信号。

在本发明的一实施例中，输出级电路包含源极随耦器和行选择晶体管(rowselecttransistor)。所述源极随耦器包含第一端、第二端以及控制端。源极随耦器的第一端耦接到第二电源。源极随耦器的控制端充当输出级电路的输入端且耦接到复位晶体管的第二端。所述行选择晶体管包含第一端、第二端以及控制端。行选择晶体管的第一端耦接到源极随耦器的第二端。行选择晶体管的第二端充当输出级电路的输出端且耦接到第三偏流。行选择晶体管的控制端耦接到行选择信号。

本发明的一实施例提供一种包含多个像素电路的图像感测装置，所述像素电路设置在阵列中且配置成感测图像和温度。像素电路中的每一个包含光感测装置、传输栅极晶体管、复位晶体管、功能选择晶体管以及输出级电路。所述光感测装置包含第一端和第二端。光感测装置的第二端耦接到第一电压或第二电压。传输栅极晶体管包含第一端、第二端以及控制端。传输栅极晶体管的第一端耦接到光感测装置的第一端。传输栅极晶体管的控制端耦接到第一控制信号。所述复位晶体管包含第一端、第二端和控制端。复位晶体管的第一端耦接到第一电源。复位晶体管的第二端耦接到传输栅极晶体管的第二端。复位晶体管的控制端耦接到第二控制信号。所述功能选择晶体管包含第一端、第二端和控制端。功能选择晶体管的第一端耦接到传输栅极晶体管的第二端。功能选择晶体管的第二端耦接到第一偏流或第二偏流。功能选择晶体管的控制端耦接到第三控制信号。所述输出级电路包含输入端和输出端。输出级电路的输入端耦接到复位晶体管的第二端。输出级电路的输出端输出温度感测信号或图像感测信号。

在本发明的一实施例中，像素电路以第一模式或第二模式运行。当像素电路以第一模式运行时，输出级电路的输出端输出温度感测信号。当像素电路以第二模式运行时，输出级电路的输出端输出图像感测信号。

在本发明的一实施例中，当像素电路以第一模式运行时，功能选择晶体管的第二端耦接到第一偏流或第二偏流，并且光感测装置的第二端耦接到第一电压。

在本发明的一实施例中，当像素电路以第二模式运行时，第三控制信号断开功能选择晶体管，并且光感测装置的第二端耦接到第二电压。

在本发明的一实施例中，第二电压是接地电压或低于第一电压的电压。

在本发明的一实施例中，光感测装置包含光电二极管，并且光电二极管和传输栅极晶体管在相同阱中形成，所述阱与其它晶体管隔离。

在本发明的一实施例中，根据第一偏流和第二偏流产生温度感测信号。

在本发明的一实施例中，输出级电路包含源极随耦器和行选择晶体管。所述源极随耦器包含第一端、第二端以及控制端。源极随耦器的第一端耦接到第二电源。源极随耦器的控制端充当输出级电路的输入端且耦接到复位晶体管的第二端。所述行选择晶体管包含第一端、第二端以及控制端。行选择晶体管的第一端耦接到源极随耦器的第二端。行选择晶体管的第二端充当输出级电路的输出端且耦接到第三偏流。行选择晶体管的控制端耦接到行选择信号。

为了使本发明的前述以及其它特征和优点易于了解，下文详细描述附有图式的若干示范性实施例。

附图说明

包含附图是为了提供对本发明的进一步理解，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1说明根据本发明的实施例的图像感测装置的方块图。

图2说明图1中所描绘的像素电路的电路图。

图3a说明根据本发明的实施例的以图像感测模式运行的像素电路的电路图。

图3b和图3c说明根据本发明的实施例的以温度感测模式运行的像素电路的电路图。

图4和图5分别说明根据本发明的实施例的位于像素阵列上的两个相邻像素电路。

图6说明根据本发明的另一实施例的像素电路的电路图。

图7a和图7b说明根据本发明的另一实施例的以温度感测模式运行的像素电路的电路图。

图8和图9分别说明根据本发明的实施例的位于像素阵列上的两个相邻像素电路。

附图标号说明

100：图像感测装置

110_1：外围电路；

110_2：外围电路；

110_3：外围电路；

110_4：外围电路；

120：像素阵列；

122：像素电路；

122_1：像素电路；

122_2：像素电路；

210：光感测装置；

220：传输栅极晶体管；

230：复位晶体管；

240：输出级电路；

242：源极随耦器；

244：行选择晶体管；

250：功能选择晶体管；

322：像素电路；

322_1：像素电路；

322_2：像素电路；

gnd：接地电压；

i1：第一偏流/二极管电流；

i2：第二偏流/二极管电流；

i3：第三偏流；

in：输入端；

out：输出端；

s1：第一控制信号；

s2：第二控制信号；

s3：第三控制信号；

s4：行选择信号；

sw1：开关元件；

sw2：开关元件；

sw3：开关元件；

sw4：开关元件；

vdd1：第一电源；

vdd2：第二电源；

vh：第一电压；

vl：第二电压。

具体实施方式

现将详细参考本发明的当前优选实施例，其实例在附图中说明。只要可能，相同附图标记在图式和描述中用以指代相同或相似部分。

图1说明根据本发明的实施例的图像感测装置的方块图。图2说明图1中所描绘的像素电路的电路图。参看图1和图2，本发明实施例的图像感测装置100包含多个外围电路110_1到外围电路110_4以及像素阵列120。外围电路110_1到外围电路110_4驱动或控制像素阵列120以执行图像感测操作或温度感测操作。可参考相关技术中的公知常识获得用于外围电路110_1到外围电路110_4的结构及其实施例的足够教示、建议以及实施方案说明。

在本实施例中，像素阵列120包含用于感测图像和温度的多个像素电路122。像素电路122中的每一个包含光感测装置210、传输栅极晶体管220、复位晶体管230以及输出级电路240。输出级电路240包含源极随耦器242和行选择晶体管244。

在本实施例中，光感测装置210包含第一端和第二端。光感测装置210的第二端通过开关元件sw1耦接到第一电压vh或第二电压vl。第二电压vl可以是接地电压gnd或低于第一电压vh的电压。传输栅极晶体管220包含第一端、第二端以及控制端。传输栅极晶体管220的第一端耦接到光感测装置210的第一端。传输栅极晶体管220的控制端耦接到第一控制信号s1。在本实施例中，光感测装置210可包含光电二极管。光电二极管和传输栅极晶体管220在相同阱中，所述阱与其它晶体管(例如复位晶体管230、源极随耦器242以及行选择晶体管244)隔离。

复位晶体管230包含第一端、第二端以及控制端。复位晶体管230的第一端通过开关元件sw2耦接到第一电源vdd1、第一偏流i1或第二偏流i2。第一电源vdd1可以是系统电压。复位晶体管230的第二端耦接到传输栅极晶体管220的第二端。复位晶体管230的控制端耦接到第二控制信号s2。源极随耦器242包含第一端、第二端以及控制端。源极随耦器242的第一端耦接到第二电源vdd2。第二电源vdd2的值可与第一电源vdd1的值相同或不同。源极随耦器242的控制端充当输出级电路240的输入端in，且耦接到复位晶体管230的第二端。行选择晶体管244包含第一端、第二端以及控制端。行选择晶体管244的第一端耦接到源极随耦器242的第二端。行选择晶体管244的第二端充当输出级电路240的输出端out，且耦接到第三偏流i3。温度感测信号或图像感测信号可经由输出级电路240的输出端out输出。行选择晶体管244的控制端耦接到行选择信号s4。

在本实施例中，像素电路122可以温度感测模式(第一模式)或图像感测模式(第二模式)运行。图3a说明根据本发明的实施例的以图像感测模式运行的像素电路的电路图。参看图2和图3a，如图3a中所描绘，当像素电路122以图像感测模式运行时，复位晶体管230的第一端耦接到第一电源vdd1，并且光感测装置的第二端耦接到第二电压vl。在图像感测模式中，像素电路122感测图像，并且输出级电路240的输出端out输出图像感测信号。可参考相关技术中的公知常识获得用于像素电路122的图像感测操作的足够教示、建议和实施方案说明。

图3b和图3c说明根据本发明的实施例的以温度感测模式运行的像素电路的电路图。参看图2、图3b以及图3c，如图3b和图3c中所描绘，在温度感测模式中，开关元件sw1切换到第一电压vh，并且复位晶体管230的第一端耦接到第一偏流i1或第二偏流i2。

举例来说，在图3b中，控制信号s1和控制信号s2分别接通传输栅极晶体管220和复位晶体管230。通过像素电路122感测210中的电压降。在图3c中，传输栅极晶体管220和复位晶体管230还分别通过控制信号s1和控制信号s2被接通。通过像素电路122感测210中的电压降。肖克利(shockley)二极管等式与光电二极管的二极管电流i1和二极管电流i2有关，并且根据两个电流的比率产生温度信息。

肖克利二极管等式表达如下：

其中i是二极管电流，is是反向偏置饱和电流(或刻度电流)，vd是横跨二极管的电压，vt是热电压kt/q(玻尔兹曼常数乘以温度除以电荷)，并且n是理想因数(也称为品格因数或有时被称为发射系数)。举例来说，二极管电流i1可表达为i1＝is×exp(vd1/vt)，并且二极管电流i2可表达为i2＝is×exp(vd2/vt)。因此，两个电流的比率(i1/i2)可经计算且等于exp((vd1-vd2)/vt)，其中已知二极管电流i1和二极管电流i2，并且测量电压降vd1和电压降vd2，以使得可获得热电压vt和温度t。

应注意，具有高电压以接通传输晶体管220的控制信号s1并非始终为必需的。在一些实施例中，直接地从光电二极管到传输晶体管210的第二端的电流流动是可能的，并且电压降是从光电二极管到传输晶体管210的第二端产生。图4和图5分别说明根据本发明的实施例的位于像素阵列上的两个相邻像素电路。参看图2、图4以及图5，像素电路122_2在像素阵列120上紧邻像素电路122_1。像素电路122_1的所述电路结构类似于图2中描绘的像素电路122的电路结构，并且其间的主要差异(例如)在于像素电路122_1的复位晶体管230通过开关元件sw3耦接到第一电源vdd1或第一偏流i1。像素电路122_2的所述电路结构类似于图2中描绘的像素电路122的电路结构，并且其间的主要差异(例如)在于像素电路122_2的复位晶体管230通过开关元件sw3耦接到第一电源vdd1或第二偏流i2。

在本实施例中，像素电路122_1和像素电路122_2可以温度感测模式或图像感测模式运行。像素电路122_1和像素电路122_2分别配置成感测他们自身周围的温度。本发明的实施例中的像素电路122_1和像素电路122_2的温度感测操作或图像感测操作在图1中到图3c所说明的示范性实施例中充分教示、表明并体现，并且因此本文中未提供其它描述。

图6说明根据本发明的另一实施例的像素电路的电路图。参看图6，在本实施例中，本实施例的像素阵列120包含用于感测图像和温度的多个像素电路322。像素电路322中的每一个包含光感测装置210、传输栅极晶体管220、复位晶体管230、功能选择晶体管250以及输出级电路240。输出级电路240包含源极随耦器242和行选择晶体管244。

在本实施例中，复位晶体管230的第一端耦接到第一电源vdd1。功能选择晶体管250包含第一端、第二端以及控制端。功能选择晶体管250的第一端耦接到传输栅极晶体管220的第二端。功能选择晶体管250的第二端通过开关元件sw4耦接到第一偏流i1或第二偏流i2。功能选择晶体管的控制端耦接到第三控制信号s3。

在本实施例中，像素电路322可以温度感测模式(第一模式)或图像感测模式(第二模式)运行。当像素电路322以图像感测模式运行时，控制信号s3断开功能选择晶体管250。在图像感测模式中，复位晶体管230的第一端耦接到第一电源vdd1，并且光感测装置的第二端耦接到第二电压vl。在图像感测模式中，像素电路322感测图像，并且输出级电路240的输出端out输出图像感测信号。可参考相关技术中的公知常识获得用于像素电路322的图像感测操作的足够教示、建议和实施方案说明。

图7a和图7b说明根据本发明的另一实施例的以温度感测模式运行的像素电路的电路图。参看图6到图7b，在温度感测模式中，开关元件sw1切换到第一电压vh，并且功能选择晶体管250的第二端如图7a和图7b中所描绘通过控制信号s3被接通且耦接到第一偏流i1或第二偏流i2。

举例来说，在图7a中，控制信号s1和控制信号s3分别接通传输栅极晶体管220和功能选择晶体管250，并且控制信号s2断开复位晶体管230。光感测装置210中的电压降通过像素电路322感测。在图7b中，传输栅极晶体管220和功能选择晶体管250还分别通过控制信号s1和控制信号s3接通，并且复位晶体管230通过控制信号s2断开。光感测装置210中的电压降通过像素电路322感测。肖克利二极管等式与二极管电流有关，并且根据两个偏置电流产生温度信息。应注意，具有高电压以接通传输晶体管220的控制信号s1并非始终为必需的。在一些实施例中，直接地从光电二极管到传输晶体管220的第二端的电流流动是可能的，并且电压降是从光电二极管到传输晶体管的第二端产生的。

图8和图9分别说明根据本发明的实施例的位于像素阵列上的两个相邻像素电路。参看图6、图8以及图9，像素电路322_2在像素阵列120上靠近像素电路322_1。像素电路322_1的所述电路结构类似于图6中描绘的像素电路322的电路结构，并且其间的主要差异(例如)在于像素电路322_1的功能选择晶体管250直接耦接到第一偏流i1而非通过开关元件sw4。像素电路322_2的所述电路结构类似于图6中描绘的像素电路322的电路结构，并且其间的主要差异(例如)在于像素电路322_2的功能选择晶体管250直接耦接到第二偏流i2而非通过开关元件sw4。

在本实施例中，由于像素电路322_2在像素阵列120上靠近像素电路322_1，因此通过像素电路322_1和像素电路322_2所感测的温度可视为相同的。像素电路322_1耦接到第一偏流i1，并且第一偏流i1基于肖克利二极管等式可表达为i1＝is×exp(vd1/vt)。像素电路322_2耦接到第二偏流i2，并且第二偏流i2基于肖克利二极管等式可表达为i2＝is×exp(vd2/vt)。因此，两个偏流的比率(i1/i2)可经计算且等于exp((vd1-vd2)/vt)，其中已知两个偏流i1和偏流i2并且测量电压降vd1和电压降vd2，以使得可获得热电压vt和温度t。

在本实施例中，像素电路322_1和像素电路322_2可以温度感测模式或图像感测模式运行。像素电路322_1和像素电路322_2分别配置成感测其自身周围的温度。本发明的实施例中的像素电路322_1和像素电路322_2的温度感测操作或图像感测操作在图1中到图7b所说明的示范性实施例中充分教示、表明并体现，并且因此本文中未提供另外的描述。

综上所述，在本发明的示范性实施例中，图像感测装置能够感测图像和温度。像素电路可以温度感测模式运行来感测温度或以图像感测模式运行来感测图像。由于像素电路均一地分布在像素阵列上，因此可精确感测全像素阵列的温度。

所属领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明的结构进行各种修改和变化。鉴于前文，希望本发明涵盖对本发明的修改和变化，条件是所述修改和变化落在所附权利要求书及其等效物的范围内。