ТЕПЛОВОЙ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ С КОРРЕКЦИЕЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

Данная полезная модель относится к области твердотельной электроники, а именно - к твердотельным многоэлементным приемникам, интегрированным с электронной схемой обработки сигналов и выполненным на основе детекторов, преобразующих в результате действия пироэлектрического эффекта энергию инфракрасного излучения в электрические заряды на обкладках конденсаторной структуры с сегнетоэлектриком. Полезная модель может быть применена при разработке и изготовлении неохлаждаемых многоэлементных приемников для устройств визуализации теплового изображения.
Из-за низких контрастов теплового излучения при визуализации объектов, находящихся при температурах около 300 K, для всех современных разработок многоэлементных инфракрасных приемников актуальной проблемой является неоднородность чувствительности детекторных элементов (пикселей) приемной матрицы, которая обусловлена в основном технологическими факторами их изготовления. В частности, для матриц форматом 240×320 и 480×640 элементов разброс чувствительности тепловых детекторов может достигать нескольких сотен процентов, следствием чего является фиксированный пространственный шум изображения, который существенно ухудшает отношение сигнала к шуму и такие важные характеристики приемников и систем визуализации теплового излучения как разность температур, эквивалентная шуму (NETD), эквивалентная шуму мощность сигнала и минимально разрешаемая наблюдателем разность температур (MRTD). В монографии [Ллойд Дж. Системы тепловидения // пер. с англ. М.: «МИР» 1978 г. С. 314-316.] показано, что для реализации матричных тепловизионных систем, работающих в диапазоне 8-14 мкм с типичным для успешного разрешения объектов пятикратным превышением сигнала по отношению к шуму необходимо, чтобы среднеквадратичное значение вариации чувствительности детекторных элементов матрицы не превышало 0,1…0,3%. Поскольку такой однородности характеристик матричных приемников ИК-излучения из-за технологических ограничений достичь не удается, в тепловизионных системах на их основе применяются специальные устройства коррекции неоднородности чувствительности, которые представляют собой встроенные в интегральную схему приемника или внешние электронные схемы цифровой обработки сигналов, следствием чего является увеличение энергопотребления и массогабаритов всей системы.
Аналогом данной полезной модели по используемому принципу улучшения свойств матрицы приемников путем изменения параметров чувствительности детекторов (параметрическая коррекция) служит тепловой многоэлементный приемник излучения, в котором в качестве детекторов излучения используются микроболометры, принцип работы которых основан на изменении проводимости материала детектора с температурой [Murat Tepegoz, Alp Oguz, Alperen Toprak, S. Ufuk Senveli, Eren Canga, M. Yusuf Tanrikulu, Tayfun Akin // Proceedings of SPIE. Vol. 8353 «Infrared Technology and Applications XXXVIII», 2012. Doi: 10.1117/12.964525]. В состав данного аналога кроме матрицы микроболометрических детекторов входят также узлы преобразования и считывания сигналов и интегрированная с матрицей электронная схема, содержащая узлы задания токов через микроболометры и цифровые модули управления.
Особенностью данного аналога является то, что электронная интегральная схема приемника содержит специальные узлы для коррекции неоднородности чувствительности, осуществляющие изменение сопротивления каждого детектора путем его дополнительного нагревания током фиксированной амплитуды и частоты, причем, изменение температуры детектора задается временем пропускания тока, а в цикле работы приемника дополнительно к периоду накопления и вывода сигнала добавлен также период калибровки, которая осуществляется при освещенности приемника опорным эталонным излучением, задаваемым специальной шторкой.
В результате в данной микроболометрической матрице среднеквадратическое отклонение неоднородности выходного сигнала при равномерной освещенности снижена от 470 мВ до 9 мВ, что позволяет упростить схемы последующей обработки сигналов при существенном увеличении отношения сигнала к шуму и, в конечном счете, получить значение эквивалентной шуму разности температур в 60 мК при уменьшении требуемой разрядности цифровых схем коррекции неоднородности по сравнению со схемами на основе цифро-аналоговых преобразователей для задания корректирующих напряжений смещения. Типичные значения NETD и MRTD, полученные для систем с микроболометрами на основе пленок диоксида ванадия имеют значения 0,06 K и 0,12-0,15 K, соответственно.
Однако, данному аналогу, как и всем приемникам на основе микроболометров, присущи следующие недостатки:
1) он является активным устройством, требующим для своей работы задания токов через теплочувствительные детекторы, что приводит к возникновению характерного l/f-шума;
2) на работу микроболометров отрицательное влияние оказывают эффекты саморазогрева, что при характерных для комнатных температур фоновых сигналах обусловливает необходимость применения специальных устройств стабилизации температуры приемников;
3) сигнал в микроболометрах формируется в результате воздействия полного потока падающего излучения, а не его изменения, что приводит к необходимости применять в электронных схемах считывания сигналов специальные узлы вычитания фона;
4) проводимость полупроводниковых материалов, используемых в микроболометрах, сильно зависит от наличия дефектов структуры, в результате чего их характеристики существенно изменяются под действием электромагнитных и радиационных излучений, что делает невозможным эксплуатацию тепловизионных систем на их основе для ряда применений.
Отмеченные недостатки отсутствуют в многоэлементных пироэлектрических приемниках, в основу работы которых положен эффект изменения поляризации детекторов при их нагревании под действием падающего излучения.
Аналогом предлагаемой полезной модели по функционально-конструктивным признакам является многоэлементный пироэлектрический приемник на основе интегральной схемы [Charles M. Hanson, Howard R. Beratan, Diane L. Arbuthnot. Uncooled Thermal Imaging with Thin-Film Ferroelectric Detectors // Proceedings of SPIE. Vol. 6940 «Infrared Technology and Applications XXXIV», 2008. Doi: 10.1117/12.783853], матрица пироэлектрических детекторов которой выполнена в виде тонкой пленки из сегнетоэлектрического материала (в данном случае - из титаната бария стронция или цирконата титаната свинца), сформированной с помощью технологий МЭМС и образующей монолитную конструкцию с расположенной под ней интегральной электронной схемой считывания сигналов, причем схема считывания сигналов содержит узлы преобразования зарядов пироэлектрических детекторов в напряжения и цифровые модули управления с двоичными счетчиками, задающие тактовую диаграмму работы матрицы и организующие вывод сигналов.
В результате для опытных образцов систем с такими приемниками получено значение NETD 0,07-0,08 K и MRTD 0,03-0,04 K.
Недостатком данного аналога является неоднородность чувствительности пироэлектрических детекторов. По данным экспериментальных исследований, результаты которых, в частности, изложены в работах [Charles M. Hanson, Howard R. Beratan, Diane L. Arbuthnot. Uncooled Thermal Imaging with Thin-Film Ferroelectric Detectors // Proceedings of SPIE. Vol. 6940 «Infrared Technology and Applications XXXIV», 2008. Doi: 10.1117/12.783853; Volkmar Norkusl, Gerald Gerlach, Reinhard Köhler, Günter Hofmann. Pyroelectric linear arrays and their application // Proceedings of SPIE. Vol. 6678 «Infrared Spaceborne Remote Sensing and Instrumentation XV», 2007. Doi: 0.1117/12.733792], вариация значений напряжений выходного сигнала после преобразования его схемой считывания составляет 5-20%.
Возникающий вследствие этого пространственный шум изображения должен быть устранен внешними схемами обработки сигналов. Это предполагает использование дополнительных модулей цифровой коррекции неоднородности чувствительности на основе микропроцессорных систем и схем с программируемой логикой, что существенно ухудшает энергопотребление и массогабаритные показатели тепловизионных систем на основе таких приемников.
Этот же недостаток имеется у аналога, описанного в работе [Ricardo Unglaub, Jolanta Celinska, Christopher Me Williams, and Carlos Paz de Araujo, Andrzej Pawlak, Scott Jones. Active mode detection with enhanced pyroelectric sensitivity // Proceedings of SPIE. Vol.7298 «Infrared Technology and Applications XXXV», 2009. Doi: 10.1117/12.818211], который по совокупности признаков наиболее близок к предлагаемой полезной модели и является ее прототипом. В этом матричном тепловом приемнике пироэлектрические детекторы представляют собой тонкопленочные конденсаторные структуры из танталата висмута стронция с общим и сигнальными электродами, расположенные на кремниевой подложке, в которой также сформирована электронная интегральная схема считывания сигналов, задающая тактовую диаграмму работы приемника для адресации и управления коммутацией элементов матрицы в режимах накопления и вывода. Отличительными признаками данного приемника являются встроенные в его интегральную схему считывания сигналов общий для всех детекторов генератор пилообразного поляризующего напряжения, осуществляющий поляризацию пироэлектрических детекторов перед циклом накопления сигнала, узлы преобразования пироэлектрических зарядов детекторов в напряжения, аналоговые ключи для подключения выходных сигналов от детекторов к модулям формирования выходного сигнала матрицы и электронный счетчик для организации циклов накопления и обработки сигналов. Основные параметры прототипа: чувствительность - 64,16 кВ/Вт, мощность сигнала, эквивалентная шуму - 5,46 пВт, NETD - 23 мК.
Задачей полезной модели является создание многоэлементного теплового приемника излучения, интегрированного с электронной схемой считывания сигналов, обладающего повышенной однородностью чувствительности детекторов излучения и высоким значением отношения сигнала к пространственному шуму. Задача решается за счет аналоговой коррекции неоднородности чувствительности, выполняемой непосредственно в самом приемнике, в результате чего исключаются узлы цифровой обработки сигналов, что приводит к уменьшению энергопотребления и массогабаритов при одновременном улучшении параметров чувствительности тепловизионной системы в целом.
В основе работы полезной модели лежит предсказанная в феноменологической теории сегнетоэлектричества и подтвержденная экспериментально зависимость пироэлектрического коэффициента от состояния поляризации сегнетоэлектрика [Pevtsov E.Ph., Maleto M.I., Petrovsky V.I., Sigov A.S., Chernokozhin V.V. Pyroelectric properties of thin ferroelectric films and their applications for integrated circuits // Microelectronic Engineering. - 1995. - V. 29. - P. 97-100; Maleto M.I., Pevtsov E.Ph., Sigov A.S., Svotina A.P. Polarization switching and dielectric properties of PZT structures // Integrated Ferroelectrics. - 2002. - V. 43. - Р. 129-134]. Поляризация сегнетоэлектрика осуществляется приложением к его электродам возрастающего от цикла к циклу поляризующего напряжения. Характеристики поляризации имеют форму петель гистерезиса, так что после снятия поляризующего напряжения в сегнетоэлектрике сохраняется остаточная поляризованность, величина которой прямо пропорциональна приложенному напряжению поляризации.
Достигаемый в полезной модели технический результат заключается в том, что неоднородность чувствительности отдельных пикселей матрицы приемников может быть скорректирована до требуемых значений (в частности, до 0,1-0,2%) путем соответствующего изменения их поляризованности. В результате отношение сигнала к пространственному шуму увеличивается до значений, достаточных для решения задачи обнаружения объектов тепловизионными системами с приемниками без сканирования, работающими в диапазоне длин волн 8-14 мкм при температурах фона около 300 К. В частности, значение MRTD приемника с сегнетоэлектрическими детекторами размером 50×50×1 мкм при температурах фона около 300 К в диапазоне длин волн 8-14 мкм, скорости вывода изображения 25 кадров в секунду и оптической характеристике преобразования теплового потока F/1, не превышает 0,02-0,04 K. При этом в не требуется применения цифровой обработки для коррекции неоднородности чувствительности, что позволяет сократить энергопотребление и массогабариты тепловизионных систем.
В соответствии с п. 1 формулы полезной модели указанный технический результат достигается в тепловом многоэлементном приемнике излучения, содержащем матрицу выполненных из сегнетоэлектрического материала поляризованных пироэлектрических детекторов излучения, представляющих собой тонкопленочные конденсаторные структуры с одним общим электродом и отдельным для каждого детектора сигнальным электродом, объединенных в результате гибридной сборки или в общем технологическом цикле изготовления с электронной интегральной схемой считывания и вывода сигналов, задающей тактовую диаграмму работы приемника для адресации и управления коммутацией элементов матрицы в режимах накопления и вывода, в которую входят узлы преобразования пироэлектрических зарядов, образующихся на каждом сигнальном электроде детекторов под действием пироэлектрического эффекта, в напряжения, и общие для всей матрицы модуль формирования выходного сигнала матрицы, электронный счетчик для организации циклов накопления и обработки сигналов, генератор поляризующего напряжения, причем в электронную интегральную схему считывания и вывода сигналов приемника введены интегрированные с ней источник опорного напряжения и отдельные для каждого детектора блоки коррекции неоднородности чувствительности, причем выходы коррекции каждого блока коррекции неоднородности чувствительности соединены с сигнальными электродами конденсаторных структур пироэлектрических детекторов излучения, а входы синхронизации соединены с выходом электронного счетчика, входы опорного напряжения соединены с выходом источника опорного напряжения, входы поляризации соединены с выходом генератора поляризующего напряжения, сигнальные входы соединены с выходами узлов преобразования пироэлектрических зарядов в напряжения, а сигнальные выходы - с модулем формирования выходного сигнала матрицы.
Согласно п. 2 формулы полезной модели каждый блок коррекции неоднородности чувствительности детекторов содержит аналоговый переключатель сравнения, аналоговый переключатель поляризации, компаратор напряжений и цифровую схему управления ключами, при этом вход аналогового переключателя сравнения электрически соединен с выходом соответствующего узла преобразования зарядов в напряжения, первый выход аналогового переключателя сравнения соединен с входом соответствующего компаратора напряжений, ко второму входу которого подключен общий для всех детекторов источник внешнего опорного напряжения, второй выход аналогового переключателя сравнения соединен с модулем формирования выходного сигнала матрицы, аналоговый переключатель поляризации соединен с сигнальным электродом детектора с возможностью его заземления и с выходом генератора напряжения поляризации, а выход компаратора подключен к цифровой схеме управления ключами, вход синхронизации которой соединен с выходом электронного счетчика.
Коррекция неоднородности осуществляется посредством пошагового изменения коэффициента преобразования каждого пироэлектрического детектора излучения при равномерной интенсивности падающего на матрицу потока излучения путем дополнительной поляризации каждого детекторного элемента изменяемым значением напряжения поляризации таким образом, чтобы сигналы от всех детекторных элементов приняли после калибровки одинаковое заданное значение.
Функциональная схема и тактовая диаграмма, поясняющие принцип работы предлагаемой полезной модели, приведены на прилагаемых графических материалах:
- на Фиг. 1 - функциональная схема теплового многоэлементного приемника излучения;
- на Фиг. 2 - тактовая диаграмма работы.
Тепловой многоэлементный приемник излучения, содержит матрицу 1 поляризованных пироэлектрических детекторов излучения 2, выполненных из сегнетоэлектрического материала и представляющих собой тонкопленочные конденсаторные структуры с одним общим электродом 3 и отдельным для каждого детектора сигнальным электродом 4. Детекторы излучения 2 в результате гибридной сборки или в общем технологическом цикле изготовления объединены с электронной интегральной схемой считывания и вывода сигналов 5, задающей тактовую диаграмму работы приемника для адресации и управления коммутацией элементов матрицы в режимах накопления и вывода, в которую входят узлы 6 преобразования пироэлектрических зарядов, образующихся на каждом сигнальном электроде детектора под действием пироэлектрического эффекта, в напряжения, и общие для всей матрицы модуль формирования выходного сигнала 7, электронный счетчик 8 для организации циклов накопления и обработки сигналов, генератор поляризующего напряжения 9. Для коррекции неоднородности чувствительности отдельных пикселей матрицы приемников до заданной точности в интегральную электронную схему считывания и вывода сигналов приемника введены интегрированные с электронной схемой считывания и вывода сигналов источник опорного напряжения 10 и отдельные для каждого детектора блоки 11 коррекции неоднородности чувствительности детекторов излучения 2, каждый из которых имеет выход коррекции, вход синхронизации, вход опорного напряжения, вход поляризации, сигнальный вход и сигнальный выход. Выходы блоков коррекции 11 соединены с сигнальными электродами 4 конденсаторных структур детекторов излучения 2, а входы синхронизации соединены с выходом электронного счетчика 8, входы опорного напряжения, соединены с выходом источника опорного напряжения 10, входы поляризации соединены с выходом генератора поляризующего напряжения 9 и сигнальные входы соединены с выходами узлов преобразования пироэлектрических зарядов в напряжения 6, а сигнальные выходы - с модулем формирования выходного сигнала матрицы 7.
Каждый блок коррекции неоднородности чувствительности детекторов 11 содержит аналоговый переключатель сравнения 12, аналоговый переключатель поляризации 13, компаратор напряжений 14 и цифровую схему управления ключами 15. В каждом блоке коррекции 11 вход аналогового переключателя сравнения 12 электрически соединен с выходом узла преобразования зарядов в напряжения 6, первый выход переключателя 12 соединен с входом компаратора напряжений 14, ко второму входу которого подключен источник внешнего опорного напряжения 10, второй выход переключателя 12 соединен с модулем формирования выходного сигнала матрицы 7, значение которого задает уровень выходного сигнала после калибровки. Первый выход аналогового переключателя поляризации 13 осуществляет соединение сигнального электрода детекторного элемента 4 с выходом генератора напряжения поляризации 9, второй выход переключателя 13 размыкает это соединение перед считыванием сигнала, и третий выход переключателя 13 осуществляет заземление сигнального электрода детекторного элемента 4 после поляризации. Выход компаратора подключен к цифровой схеме управления ключами 15, вход синхронизации которой соединен с выходом электронного счетчика 8, задающего время цикла калибровки приемника.
Процесс калибровки матрицы 1 детекторов излучения 2 заключается в том, что матрица освещается однородным падающим излучением, формируемым, например, при помощи специальной шторки с одинаковой температурой, соответствующей температуре фонового излучения сцены.
Коррекция неоднородности чувствительности осуществляется по тактам, синхронизированным с электронным счетчиком 8 в период калибровки матрицы перед считыванием полезного сигнала, таким образом, чтобы сигналы от всех детекторных элементов приняли после калибровки одинаковое заданное значение. При этом источник опорного напряжения 10 задает уровень выходного сигнала после калибровки, который в схемах калибровки, синхронно с работой электронного счетчика 8, сравнивается с напряжениями на выходах узлов 6 преобразования пироэлектрических зарядов в напряжения, причем, в зависимости от результата сравнения в следующий такт калибровки к сигнальным электродам детекторов подключается или не подключается выход генератора поляризующего напряжения 9, значение которого возрастает на протяжении всего периода калибровки.
g
1,,k
1,,k
g
0
1,,k
0
m,k
0
Работу устройства поясняет Фиг.2, на которой для детектора m-й строки и k-го столбца матрицы изображены состояния Sign1 и Sign2 аналоговых ключей 12 и 13 выходного сигнала Sign3 компаратора 14, изменения во времени напряжения V на выходе генератора поляризующего напряжения 9 и состояния поляризации P(t) детекторного элемента 2 и выходного напряжения V(t) узла преобразования пироэлектрических зарядов в напряжения 6, соответствующие моментам времени от (i-1) до (i+1) тактов. Во время калибровки генератором поляризующего напряжения 9 формируется возрастающее с каждым тактом калибровки напряжение поляризации V. В каждом такте калибровки при помощи цифровых схем 15 формирования сигналов управления ключами сначала осуществляется переключение ан7алоговых переключателей сравнения 12 и подключение выходных сигналов детекторных элементов к входам компараторов 14, сравнивающих эти сигналы с опорным напряжением V, задающим уровень выходных сигналов при калибровке и соответствующим температуре калибровки. В случае если выходное напряжение V(t) имеет значение, меньшее, чем V, на выходе компараторов 14 формируются логические сигналы, разрешающие цифровым схемам 15 формирования сигналов управления переключателями соединить аналоговый переключатель поляризации 13 с входом генератора 9. В следующий момент такта калибровки с переключатель сравнения 12 размыкается, а на детекторный элемент матрицы в зависимости от выходного сигнала компаратора 14 подается напряжение от генератора поляризации 9 для поляризации детекторного элемента 2 большим значением напряжения. Если выходное напряжение V(t) имеет значение, большее или равное V на выходе компаратора, аналоговый переключатель поляризации 13 остается разомкнутым и не подключает выход генератора поляризации к соответствующему детекторному элементу, сохраняя, таким образом, его предыдущее состояние поляризованности.
Таким образом, в каждый такт калибровки сначала осуществляется сравнение выходных напряжений от каждого детектора с опорным напряжением, и в случае, если выходное напряжение детектора меньше опорного, осуществляется подключение к детекторам генератора поляризующего напряжения, значение которого монотонно возрастает в период калибровки.
Реализация источника опорного напряжения, аналоговых переключателей, компараторов и цифровых схем формирования сигналов управления блока коррекции может быть выполнена в интегральном исполнении на основе известных типовых схем стандартных элементов КМОП-технологии [Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика. / Под ред. В.И. Эннса. - М: Горячая линия - Телеком. - 2005. - 454 с]. Диапазон напряжения поляризации определяется конкретными свойствами материала сегнетоэлектрических детекторов и в типовом случае для пленки из цирконата титаната свинца толщиной 1 мкм имеет значения от 8 до 10 В. Время калибровки задается счетчиком, синхронизированным с электронной схемой управления работой матрицы и формирующим сигналы тактов в период коррекции неоднородности, причем точность коррекции задается диапазоном изменения поляризующего напряжения и дискретностью его разбиения, т.е. количеством тактов калибровки. В частности, при 200-100 тактах калибровки неоднородность чувствительности детекторов матрицы приемников может быть скорректирована до значений, не превышающих 0,1-0,2%, что позволяет получить отношение сигнала к шуму, достаточное для решения задачи обнаружения объектов тепловизионными системами без сканирования при температурах фона около 300 K, работающими в диапазоне длин волн 8-14 мкм, и соответствует значениям, указанным в описании аналога на основе микроболометрических матриц и прототипа. При этом в предлагаемой полезной модели в отличие от второго аналога и прототипа не требуется дополнительных узлов цифровой коррекции неоднородности, что позволяет уменьшить массогабариты и энергопотребление тепловизионных систем на их основе.