ЯЧЕЙКА ТЕРМОПАРНОГО ПРИЕМНИКА ИК ИЗОБРАЖЕНИЯ
CELL OF THERMOCOUPLE IR IMAGE RECEIVER

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно, к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров.
Целью изобретения является повышение чувствительности термопарных приемников ИК изображения.
Известны ячейки термопарных кремниевых неохлаждаемых приемников ИК изображения [1, 2], в которых в качестве элемента, чувствительного к излучению в инфракрасной области спектра, используется термопарный сенсор в виде диэлектрической теплочувствительной мембраны, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих микроконсолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара «горячий спай» которой расположен на мембране, а ее «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Мембрана, нагреваясь под действием ИК излучения, повышает температуру «горячего спая», создавая термо-ЭДС между «холодными» контактами. Считывание термо-ЭДС, возникающей в термопаре за счет разности температур «горячего спая» и «холодных» контактов, осуществляется КМОП-схемами, интегрированными непосредственно в кристалл [3].
Отличительной особенностью термопарных сенсоров является то, что они, обладая высоким отношением сигнал/шум, характеризуются низким уровнем отклика на тепловое излучение. Соответственно, для достижения высокой чувствительности приемника ИК изображения на основе этих сенсоров необходимо обеспечить такое усиление сигнала в ячейке, при котором входной шум усилительного тракта приемника ИК изображения не снижал бы отношения сигнал/шум сенсора.
Конструкция термопарной сенсорной ячейки, наиболее часто используемой для реализации приемника ИК изображения рассмотрена в работе [4], а также детально описана в патентной заявке [5], которая выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Приведенные в этих источниках сенсорные ячейки содержат термопарный сенсор и транзистор выборки, осуществляющий коммутацию ячеек с предусилителем.
ƒ
ƒ
ƒ
При организации на основе таких сенсоров матричных приемников ИК изображения необходимое начальное усиление сигнала осуществляется предусилителями, которые расположены на периферии кристалла по одному на каждую строку (столбец) матрицы. В кристалле ИК приемника изображения с числом элементов М×N, где М - число столбцов, а N - число строк, считывание сигнала, формируемого каждым пикселем матрицы за время кадра τ, осуществляется методом мультиплексирования с последовательно выборкой столбцов (либо строк) матрицы. Такой способ мультиплексирования обеспечивает одновременную коммутацию элементов столбца (либо строки) с предусилителями сигналов в течении времени τ/М (либо τ/N). С увеличением числа элементов в приемнике время считывание сигнала предусилителями уменьшается, что приводит к увеличению полосы частот усилительного тракта и, соответственно, к возрастанию его шума и уменьшению чувствительности приемника.
В предлагаемом изобретении указанное ограничение снимается за счет включения в состав сенсора малошумящего каскада усиления сигнала, реализованного в виде усилителя с накачкой заряда, осуществляющего в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и его интегрирование.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности термопарного ИК приемника изображения за счет усиления сигнала сенсора при многократном его суммировании непосредственно в самой ячейке, обеспечивающим также и увеличение отношения сигнал/шум.
Указанный результат достигается за счет того, что в известную ячейку, содержащую термопарный сенсор и транзистор выборки введен усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.
Фиг. 1 иллюстрирует известную ячейку термопарного приемника ИК изображения (прототип) и схему организации матрицы ячеек ИК приемника изображения.
B
TS
c
i
ƒ
TS
sum
На фиг. 2 показана предлагаемая ячейка с термопарным сенсором и транзистором выборки, в состав которой включен усилитель с накачкой заряда, состоящий из трех полевых электродов G, G, G с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда D, транзистора предустановки Т2 и входного транзистора Т3 истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра τ приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала V термопарного сенсора в заряд и интегрирование последнего на емкости C затвора входного транзистора Т3.
На фиг. 3 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование ячейки, представленной на фиг. 2.
Ячейка на фиг. 2 функционирует следующим образом (фиг. 3).
B
TS
TS
B
TS
B
1
i
c
set
set
sum
T2
DD
1. Термопарный сенсор TS, включенный между электродами G и G, создает между ними малую разность потенциалов V, генерируемую сенсором TS под действием ИК излучения. Электроды G и G смещены напряжением V, формирующим в приповерхностных областях полупроводниковой подложки под этими электродами области инверсии проводимости. В начале кадра в момент времени τ диод D инжекции-сброса заряда смещен в обратном направлении, выходной электрод G заперт (Ф=0), а импульс напряжения Ф на затворе транзистора предустановки Т2 заряжает емкость C, равную сумме емкостей затвора транзистора Т3 и истока S транзистора Т2, до потенциала V. Ячейка приходит в исходное состояние.
2
i
1
B
TS
2
i
TS
n
TS
TS
TS
TS
2. В момент времени t=τ диод D инжекции-сброса заряда смещается в прямом направлении (Ф=0), инжектируя за время заряд под электроды G и G и переходя затем в момент времени t=τ+τ в обратно смещенное состояние. При этом под электродом G остается часть инжектированного заряда ΔQ=CV, где C - емкость электрода G.
3
c
n
sum
3. В момент времени t=τ открывается электрод G и происходит считывание заряда ΔQна емкость C, уменьшая потенциал затвора транзистора Т3 на величину
TS
ƒ
sum
4. Циклы преобразования информационного сигнала V в заряд и его считывание, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз. За счет этого в течение времени кадра τ осуществляется n-кратное суммирование заряда на емкости C и уменьшение
reset
потенциала затвора транзистора Т3 на величину  после чего на транзистор выборки подается импульс напряжения Ф, производящий считывание интегрированного информационного сигнала на вход внешнего предусилителя. Таким образом, коэффициент усиления ячейки, приведенный ко входу истокового повторителя, составляет величину, равную:
TS
TS
TS
Для термопарного сенсора V=αΔT, где α - коэффициент Зеебека, достигающий для сенсора с термопарами из поликристаллического кремния величины 300 мкВ/К, а ΔT - разность температур между «горячим» спаем и «холодными» контактами термопары. Формируемая на мембране сенсора разность температур ΔT определяется его теплофизическими параметрами и величиной поглощенного теплового излучения:
TS
где G - теплопроводность термопары, ΔР - мощность поглощенного сенсором теплового излучения,  - постоянная времени, характеризующая время реакции мембраны сенсора на изменение мощности теплового излучения, С - теплоемкость мембраны [Дж/K]. Стационарное значение ΔT определяется следующим выражением:
t
t
где h - толщина термопары, g - удельная теплопроводность материала (поликремний) термопары, Δp - поглощенная единицей площади мембраны избыточная мощность излучения абсолютно черного тел, w - ширина термопары, L - длина одного плеча термопары, А - площадь теплоприемной мембраны сенсора. Здесь учтено, что теплопроводность термопары складывается из теплопроводностей каждого из двух плеч термопары и, соответственно, равна
o
o
2
Принимая во внимание, что (Δp/ΔT)=ηqj, где ΔT - изменение температуры тепловой сцены, η - доля поглощаемого теплоприемной мембраной падающего излучения, q - оптический фактор, равный q=Ht/4, где H - светосила, t - пропускание объектива, а j≈2,62 Вт/м⋅К для диапазона 8÷14 мкм, получим:
t
t
t
o
2
Тогда для сенсора с поликремниевой термопарой и параметрами, которые можно реализовать МЭМС-технологией с проектными нормами 0,35 мкм, а именно, h=0,2 мкм, w=2 мкм, А≅2500 мкм, L≅60 мкм, а также с учетом g=25 Вт/м⋅К, η=0,8, H=1, t=0,9, получим:
и, соответственно,
TS
Исходя из этого, при тепловом рельефе сцены порядка 80K необходимо воспроизводить сигналы от сенсора до значений V≈100 мкВ.
DD
sum
sum
max
Полагая с учетом величины напряжении питания V=3,0 В максимальный диапазон изменений потенциала суммирующей емкости C равным ΔV=1,0 В, а также учитывая технологически возможное соотношение  получим для максимального число циклов n:
Соответственно, максимальный коэффициент усиления, реализуемый предлагаемой ячейкой в этом случае, будет равен:
При этом соотношение сигнал/шум по сравнению с прототипом может быть увеличено до максимальной величины, равной  что существенным образом снижает требования к усилителям на периферии кристалла.
Источники информации
1. Патент США № US 8,592,765 В2
2. Патент США № US 6,163,061
3. Патент США № US 7842922
4. М. Hirota, Y. Nakajima, М. Saito, F. Satou, M. Uchiyama, 120×90 Element Thermopile Array Fabricated with CMOS Technology, Proceedings of SPIE Vol. 4820 (2003), pp. 239-249.
5. Европейская патентная заявка № ЕР 2312286 A1