УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ БОЛОМЕТРИЧЕСКИХ ДЕТЕКТОРОВ СО СХЕМОЙ КОМПЕНСАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТИ
DEVICE FOR REGISTRATION OF INFRARED RADIATION BASED ON MATRIX OF BOLOMETRIC DETECTORS WITH NONUNIFORMITY COMPENSATION SCHEME

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при изготовлении устройств, детектирующих излучение в инфракрасном диапазоне. Уровень техники
Из существующего уровня техники по патенту US 5286976 А, 15.02.1994 «Microstructure design for high IR sensitivity» известно применение устройств, называемых детекторами, характеризующихся изменением значения некоторой физической величины при изменении температуры детектора вследствие поглощения им инфракрасного излучения, в частности для болометрического детектора данной физической величиной является его электрическое сопротивление. Устройства для получения одно- и двухмерного изображения используют соответствующие матрицы подобных детекторов. Обычно матрицы болометрических детекторов выполняются на подложке, в общем случае из кремния, содержащей интегрально выполненные средства для измерения значений требуемой физической величины каждого детектора с последующим выводом полученных значений в виде электрических сигналов. Измерение значений требуемой физической величины детекторов матрицы может происходить последовательно, одновременно, а также возможно одновременное измерение значений детекторов, входящих в группу, объединенных по некоторому признаку, например, по принадлежности к одной строке, с последовательным измерением таких групп.
В случае двухмерных матриц болометрических детекторов получило распространение построчное измерение значений электрических сопротивлений, при этом в заданном интервале времени одновременно замеряются значения сопротивлений всех детекторов заданной строки, усиливаются и последовательно передаются на выход с заданным коэффициентом усиления. В следующий аналогичный интервал времени производится измерение и последовательный вывод значений сопротивлений всех детекторов, входящих в следующую строку. Данный процесс продолжается до тех пор, пока не будут поочередно замерены и переданы на выход значения сопротивлений всех строк болометрической матрицы. Данные значения формируют кадр изображения.
Сложностью, связанной с регистрацией инфракрасных изображений, является сравнительно малое изменение температуры болометра вследствие поглощения инфракрасного излучения на фоне изменения температуры подложки в целом, связанного с саморазогревом от протекающих токов, колебаниями температуры окружающей среды и другими факторами. Для решения этой проблемы в болометрических матрицах используют компенсационные структуры, которые содержат так называемые «термозакороченные» болометры. «Термозакороченные» болометры конструктивно выполняются таким образом, чтобы их температура была максимально близка к температуре подложки, а их температурный коэффициент сопротивления соответствовал температурному коэффициенту сопротивления «активных» болометров. При построчном считывании значений сопротивлений «активных» болометров необходимое количество компенсационных структур равняется количеству столбцов матрицы. Типовая схема считывания описывается, например, в следующих статьях:
- «Uncooled amorphous silicon TEC-less  VGA IRFPA with 25 μm pixel-pitch for high volume applications», C. Minassian, J.L. Tissot, M. Vilain, O. Legras; Infrared Technology and applications XXXIV, SPIE vol. 6940, 2008;
- «320×240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric and process control applications», B. Fieque et al; Optical Systems Design Conference, SPIE 5251, 2003.
На фиг. 1 приводится типовая электрическая схема считывания одного столбца матрицы. КМОП-транзисторы 16 и 17, объединенные стоками в узле 23, работают в режиме насыщения и задают номинальные токи, протекающие через «активный» 15 и «термозакороченный» 18 болометры соответственно. Величина тока, равная алгебраической разнице токов, протекающих через «активный» 15 и «термозакороченный» 18 болометры подается на вход интегратора тока 5, выполненного на основе операционного усилителя 20 и подключенного к нему в обратную связь конденсатора, также называемого емкостью интегрирования. Данная схема присутствует в каждом столбце матрицы.
Так как транзисторы 16 и 17 работают в режиме насыщения, их токи задаются выражениями:
дет1
см1
зи16
дет2
см2
зи17
где V - напряжение на «активном» болометре; V - напряжение смещения транзистора 16; V - напряжение затвор-исток транзистора 16; V - напряжение на «термозакороченном» болометре 18; V - напряжение смещения; V - напряжение затвор-исток транзистора 17.
см1
см2
Напряжения V и V подбираются таким образом, чтобы при отсутствии внешнего излучения выполнялось равенство:
инт
где I - ток на входе интегратора.
см1
см2
см1
см2
16
17
см1
см2
см1
см2
16
17
Напряжения V и V требуют высокой точности (на современном уровне техники данные напряжения формируются цифро-аналоговыми преобразователями с разрядностью не менее 14) и устанавливаются одинаковыми для всех «активных» и «термозакороченных» болометров соответственно. При изменении температуры кристалла требуется коррекция напряжений V и V для сохранения номинальных значений токов I, I. Таким образом, для известного температурного диапазона работы инфракрасного фотоприемного устройства требуется таблица наборов значений напряжений V и V для каждого интервала температур, на которые разбивается заданный температурный диапазон работы. Чем меньше температурный интервал, в котором используются фиксированные напряжения V и V, тем меньше разброс токов I, I при изменении температуры. В современной технике принято выбирать подобные температурные интервалы от 5°С до 15°С.
Альтернативным методом является использование термостабилизации на основе элементов Пельтье. В этом случае температура кристалла поддерживается на постоянном уровне и не зависит от температуры окружающей среды. Известным недостатком данного метода является большое энергопотребление устройства в целом.
Известной сложностью, связанной с регистрацией инфракрасных изображений, является разброс фактических значений сопротивлений болометров по полю матрицы, вызванный флуктуациями технологического процесса. Данный разброс значений сопротивлений значительно превышает изменение сопротивления, вызванное изменением температуры вследствие поглощения инфракрасного излучения. Таким образом, погрешность измерения, связанная с технологическим разбросом сопротивления болометров, значительно превышает замеряемую величину - изменение сопротивления, вызванное нагревом болометра вследствие поглощения инфракрасного излучения.
Кроме того, токи, задаваемые транзисторами 16 и 17, можно записать как функции уравнения тока в инжекционных МОП-транзисторах согласно следующим выражениям:
1
ох
16
пор16
пор16
где μ - подвижность неосновных носителей заряда; С - удельная емкость подзатворного диэлектрика; W - ширина канала транзистора 16; L - длина канала транзистора 16; V - пороговое напряжение транзистора 16.
2
ох
17
17
пор17
где μ - подвижность неосновных носителей заряда; С - удельная емкость подзатворного диэлектрика; W - ширина канала транзистора 17; L - длина канала транзистора 17; V - пороговое напряжение транзистора 17.
Величины многих параметров в уравнениях (4) и (5) имеют разброс значений в пределах одного кристалла, связанный с технологическими особенностями микроэлектронного производства.
инт
Описанные выше проблемы на практике приводят к тому, что при считывании болометров, имеющих отличное от номинального значение электрического сопротивления, наблюдается некоторый ток I в отсутствии внешнего сигнала, причем этот ток может быть как втекающим в интегратор, так и вытекающим.
Данная проблема может решаться при внешней обработке выходного сигнала известными методами одно- и двухточечной коррекции, описанными в статье "Long Wavelength Infrared 128×128 Alx Gal-x As/GaAs Quantum Well Infrared Camera and Imaging System", C.G. Bethea, IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 40, No. 11, November 1993, pp. 1957-1963. Недостатком этого решения, используемого в чистом виде, является то, что электрический диапазон выходного сигнала обычно ограничен напряжением питания устройства, в связи с чем возникает необходимость ограничения усиления схемы таким образом, чтобы полученные значения электрического сигнала не выходили из диапазона возможных значений выходного сигнала. В связи с этим целесообразно делать компенсацию смещения нулевого уровня непосредственно в устройстве считывания сигналов матрицы, причем до интегрирования разностного тока, получаемого с матрицы, т.к. диапазон возможных значений на выходе интегратора также ограничен напряжением питания.
Наиболее близким техническим решением - прототипом, является устройство, описанное в патенте US 6028309 А, 22 февраля 2000 года, «Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array» (Методы и схемы коррекции ошибок, вызванных изменением температуры, в микроболометрическом фотоприемном устройстве). В прототипе предложено применение цифроаналоговых преобразователей (ЦАП) в каждом канале считывания. При считывании сигнала ЦАП индивидуально для каждого «активного» болометра корректируют напряжение питания «активного» болометра 15 (фиг. 2а), или напряжение смещения токозадающего транзистора 16 (фиг. 2б) для компенсации отклонения значений сопротивлений как «активного» болометра, так и соответствующего ему «термозакороченного» болометра путем коррекции тока, протекающего через «активный» болометр.
дет1
см1
зи16
зи16
В предложенных в прототипе способах коррекция осуществляется путем подбора напряжения V - V - V индивидуально для каждого болометра матрицы таким образом, чтобы для каждого из них выполнялось равенство (3) с точностью до младшего разряда компенсации. Коэффициенты подбираются один раз при заводской калибровке матрицы. Подборка напряжения осуществляется корректирующими ЦАП. Из уравнений (1) и (4) выражаем V:
где
При компенсации предложенным методом должно выполняться равенство:
Согласно выражению (1) получаем:
15
15
где R - номинальное сопротивление болометра, ΔR - отклонение сопротивления от номинального.
0
Для выполнения условия (3) при некоторой температуре Т, называемой температурой калибровки, требуется напряжение, определяемое следующим образом:
Или с учетом (1) получаем:
Зависимость электрического сопротивления болометрического материала от температуры определяется выражением:
0
0
где  - сопротивление болометра при температуре (Т+ΔТ), Т - температура калибровки, ΔТ - отклонение температуры от температуры калибровки,  - сопротивление при температуре калибровки, α - температурный коэффициент сопротивления.
При изменении температуры, согласно (11) и (8), ток через активный болометр будет определяться выражением:
0
где  - напряжение затвор-исток транзистора 16 при температуре (Т+ΔТ), которое может быть выражено с учетом (6) следующим образом:
Ток интегратора может быть записан как:
С учетом (3), (10), (11), и (14) получаем:
инт
Из выражений (13) и (15) легко увидеть, что при температуре, отличной от температуры калибровки (ΔТ≠0) и значении сопротивления болометра отличного от номинального (ΔR≠0) существует не равный нулю ток I, что нарушает выполнение равенства (3). Это вызывает появление неравномерного фонового изображения в выходном сигнале, неравномерность которого усиливается с увеличением разницы между фактической температурой болометра и температурой болометра при калибровке, что существенно усложняет актуальную на сегодняшний день задачу отказа от использования термостабилизации матрицы.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей изобретения является построение устройства для регистрации инфракрасного излучения со схемой считывания, позволяющей скомпенсировать технологический разброс значений сопротивлений болометров матрицы в широком диапазоне температур без использовании термостабилизирующих элементов.
Технический результат достигается введением источника опорного тока, характеризуемого точно такой же зависимостью выходного тока от температуры и напряжений смещений болометров, как и у тока, протекающего через «активный» болометр. Предлагаемый источник опорного тока содержит два дополнительных «термозакороченных» болометра, размещенных вне поля матрицы, с заданным соотношением значений номинальных сопротивлений, ток через которые задается транзисторами, в точности повторяющими транзисторы, задающие ток через «активные» и «термозакороченные» болометры матрицы. Причем транзисторы, задающие токи через болометры в источнике опорного тока, смещаются точно такими же напряжениями, как и транзисторы, задающие ток через «активные» и «термозакороченные» болометры матрицы.
Осуществление изобретения
см1
см2
см1
см2
n
Для решения данной задачи предложено устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе матрицы болометрических детекторов (фиг. 3), состоящей из болометров 15, чувствительных к падающему инфракрасному излучению, называемых «активными», и нечувствительных к инфракрасному излучению болометров 18, называемых «термозакороченными», сформированных на полупроводниковой подложке, содержащей схему считывания, состоящую из множеств транзисторов 16 и 17, подключенных истоками к «активным» и «термозакороченным» болометрам соответственно, имеющих разный тип проводимости и получающих смещения напряжениями V и V соответственно, с объединенными стоками подключенными к входам интеграторов 5. При этом отличительным признаком изобретения является средство формирования опорного компенсационного тока 4 на основе двух дополнительных «термозакороченных» болометров 6 и 9, расположенных вне поля матрицы, получающих смещения от транзисторов 7 и 8, в точности идентичных транзисторам 16 и 17 соответственно, получающих смещение точно таким же напряжениями V и V соответственно с объединенными стоками. Величина тока, равная разнице токов, протекающих через болометры 6 и 9, подается на средство копирования компенсационного тока для каждого столбца матрицы 3, представляющего собой токовые зеркала, выходы которых подключены к входам соответствующих источников положительного 12 и отрицательного 14 тока компенсации, представляющие собой токовые зеркала с заданными коэффициентами умножения тока, которые подключаются ко входам интеграторов 5 с помощью ключей 21 и 22, управляемых цифровым кодом коэффициента компенсации k разрядности n, один из разрядов которой выбирает знак тока компенсации. Общее количество источников компенсации n выбирается в зависимости от требуемой точности установки сигнала видео выхода и максимально возможного для данной технологии разброса значений сопротивлений болометров. Площадь транзисторов в источниках тока компенсации выбирается таким образом, чтобы каждый последующий транзистор имел соотношение W/L в 2 раза больше предыдущего. В этом случае n источников компенсации обеспечат 2 возможных значений токов компенсации.
При заводской калибровке для каждого болометра индивидуально методом подбора находится значение коэффициента тока компенсации при котором выполняется равенство:
где k - коэффициент компенсации,  - ток компенсации младшего разряда.
Выражение (16) должно быть справедливо при изменении температуры подложки. Из (1), (2), (11) следует, что токи, протекающие через «активный» и «термозакороченный» болометры, при изменении температуры определяются выражениями:
Температура «активного» болометра зависит не только от температуры подложки, но и от поглощенной болометром энергии инфракрасного излучения. Ток активного болометра 15 при воздействии инфракрасного излучения может быть записан в виде:
ик
где ΔТ - изменение температуры, вызванное поглощением инфракрасного излучения.
Рассмотрим источник опорного тока 4 (фиг. 3), состоящий из двух дополнительных «термозакороченных» болометров 6 и 9, токозадающих транзисторов 7 и 8 и транзистора 10, представляющего собой средство копирования тока. Болометры 6 и 9 имеют точно такой же температурный коэффициент сопротивления, как и «активный» и «термозакороченный» болометр, а для значений их сопротивлений выполняется неравенство:
Транзисторы 7 и 8 аналогичны по конструкции и размерам транзисторам 16 и 17 соответственно. Следовательно, транзисторы 7 и 8 также работают в режиме насыщения, а их токи задаются выражениями:
зи7
зи8
где V - напряжение затвор-исток транзистора 7, V - напряжение затвор-исток транзистора 8.
При изменении температуры выражения (21) и (22) с учетом (11) можно переписать в виде:
Опорный ток компенсации при изменении температуры будет определяться выражением:
Ток интегратора, с учетом (17), (18), (25), будет определяться следующим выражением:
Очевидно, что равенство (26) будет выполняться в случае выполнения равенства (16) при любых ΔT.
При наличии инфракрасного излучения ток считывания с учетом равенств (19) и (26) будет определяться равенством:
При считывании сигнала с помощью наборов ключей 21 и 22 подключаются источники компенсации, формирующие требуемое значение тока компенсации и его знака. Затем включается ключ «Сброс» интегратора 5. При этом, на выходе формируется напряжение, определяемое выражением:
оп
Где V - опорное напряжение интегратора.
инт
Через время, достаточное для формирования на выходе напряжения, определяемого выражением (28), ключ «Сброс» размыкается и замыкаются ключи 1 и 2. С этого момента конденсатор 19 начинает заряжаться током I до момента отключения ключа 2. Время, на которое включается ключ 2, обозначим как  Напряжение, сформированное на выходе интегратора, будет определяться следующим образом:
инт
инт
где Т - время интегрирования, С - емкость конденсатора 19.
В общем случае, с учетом выражения (27), выходное напряжения интегратора будет определяться выражением:
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана типовая схема считывания сопротивления болометра без компенсации неоднородности матрицы.
На фиг. 2 показаны схемы считывания с компенсацией неоднородности матрицы, предложенные в прототипе:
дет1
а) компенсация за счет коррекции напряжения V;
см1
б) компенсация за счет коррекции напряжения V.
На фиг. 3 показана предложенная схема считывания с компенсацией неоднородности матрицы.