RU2679272C1 - Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme - Google Patents
Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme Download PDFInfo
- Publication number
- RU2679272C1 RU2679272C1 RU2018112139A RU2018112139A RU2679272C1 RU 2679272 C1 RU2679272 C1 RU 2679272C1 RU 2018112139 A RU2018112139 A RU 2018112139A RU 2018112139 A RU2018112139 A RU 2018112139A RU 2679272 C1 RU2679272 C1 RU 2679272C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- bolometers
- current
- matrix
- active
- compensation
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 19
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021417 amorphous silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000009795 derivation Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000004886 process control Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000010187 selection method Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012883 sequential measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
- G01J5/22—Electrical features thereof
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
- H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
- H04N25/76—Addressed sensors, e.g. MOS or CMOS sensors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при изготовлении устройств, детектирующих излучение в инфракрасном диапазоне. Уровень техникиThe invention relates to the field of infrared technology and can be used in the manufacture of devices that detect radiation in the infrared range. State of the art
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.From the existing level of technology according to the patent US 5286976 A, 02.15.1994 "Microstructure design for high IR sensitivity" it is known to use devices called detectors, characterized by a change in the value of a certain physical quantity when the temperature of the detector is absorbed due to absorption of infrared radiation, in particular for a bolometric detector of this the physical quantity is its electrical resistance. Devices for obtaining one- and two-dimensional images use the appropriate matrix of such detectors. Typically, the arrays of bolometric detectors are made on a substrate, in the general case of silicon, containing integral means for measuring the values of the required physical quantity of each detector, followed by the derivation of the obtained values as electrical signals. The measurement of the values of the required physical quantity of the matrix detectors can occur sequentially, simultaneously, and it is also possible to simultaneously measure the values of the detectors included in the group, united by some attribute, for example, by belonging to one row, with a sequential measurement of such groups.
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.In the case of two-dimensional arrays of bolometric detectors, line-by-line measurement of electrical resistance values has spread, while in a given time interval, the resistance values of all detectors of a given line are simultaneously measured, amplified, and subsequently transmitted to the output with a given gain. In the next similar time interval, a measurement and sequential output of the resistance values of all the detectors included in the next line is performed. This process continues until the values of the resistances of all rows of the bolometric matrix are alternately measured and transmitted to the output. These values form an image frame.
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:The difficulty associated with recording infrared images is the relatively small change in the temperature of the bolometer due to the absorption of infrared radiation against the background of a change in the temperature of the substrate as a whole, associated with self-heating from flowing currents, fluctuations in ambient temperature and other factors. To solve this problem, in bolometric matrices, compensation structures are used that contain the so-called “thermally shorted” bolometers. “Thermally shorted” bolometers are structurally designed so that their temperature is as close as possible to the temperature of the substrate, and their temperature coefficient of resistance corresponds to the temperature coefficient of resistance of “active” bolometers. When reading the resistance values of “active” bolometers line by line, the required number of compensation structures is equal to the number of matrix columns. A typical reading scheme is described, for example, in the following articles:
- «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;- “Uncooled amorphous silicon TEC-less VGA IRFPA with 25 μm pixel-pitch for high volume applications ”, C. Minassian, JL 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.- “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.In FIG. 1 shows a typical electrical readout circuit for a single matrix column.
Так как транзисторы 16 и 17 работают в режиме насыщения, их токи задаются выражениями:Since
где Vдет1 - напряжение на «активном» болометре; Vсм1 - напряжение смещения транзистора 16; Vзи16 - напряжение затвор-исток транзистора 16; Vдет2 - напряжение на «термозакороченном» болометре 18; Vсм2 - напряжение смещения; Vзи17 - напряжение затвор-исток транзистора 17.where V det1 - voltage on the "active"bolometer; V cm1 - bias voltage of the
Напряжения Vсм1 и Vсм2 подбираются таким образом, чтобы при отсутствии внешнего излучения выполнялось равенство:Voltages V cm1 and V cm2 are selected in such a way that in the absence of external radiation the equality holds:
где Iинт - ток на входе интегратора.where I int is the current at the input of the integrator.
Напряжения Vсм1 и Vсм2 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 Vсм1 и Vсм2 для сохранения номинальных значений токов I16, I17. Таким образом, для известного температурного диапазона работы инфракрасного фотоприемного устройства требуется таблица наборов значений напряжений Vсм1 и Vсм2 для каждого интервала температур, на которые разбивается заданный температурный диапазон работы. Чем меньше температурный интервал, в котором используются фиксированные напряжения Vсм1 и Vсм2, тем меньше разброс токов I16, I17 при изменении температуры. В современной технике принято выбирать подобные температурные интервалы от 5°С до 15°С.Voltages V cm1 and V cm2 require high accuracy (at the current level of technology, these voltages are generated by digital-to-analog converters with a resolution of at least 14) and are set the same for all “active” and “thermally shorted” bolometers, respectively. When the crystal temperature changes, voltage correction V cm1 and V cm2 is required to maintain the nominal values of currents I 16 , I 17 . Thus, for a known operating temperature range of an infrared photodetector, a table of sets of voltage values V cm1 and V cm2 is required for each temperature interval into which a given operating temperature range is divided. The smaller the temperature interval in which fixed voltages V cm1 and V cm2 are used , the smaller the spread of currents I 16 , I 17 when the temperature changes. In modern technology, it is customary to choose similar temperature ranges from 5 ° C to 15 ° C.
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.An alternative method is to use thermal stabilization based on Peltier elements. In this case, the crystal temperature is maintained at a constant level and does not depend on the ambient temperature. A known disadvantage of this method is the large power consumption of the device as a whole.
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.A known complication associated with the registration of infrared images is the scatter of the actual values of the resistance of the bolometers along the field of the matrix, caused by fluctuations in the process. This variation in resistance values significantly exceeds the change in resistance caused by a change in temperature due to absorption of infrared radiation. Thus, the measurement error associated with the technological spread of the resistance of the bolometers significantly exceeds the measured value — the change in resistance caused by heating of the bolometer due to absorption of infrared radiation.
Кроме того, токи, задаваемые транзисторами 16 и 17, можно записать как функции уравнения тока в инжекционных МОП-транзисторах согласно следующим выражениям:In addition, the currents specified by
где μ1 - подвижность неосновных носителей заряда; Сох - удельная емкость подзатворного диэлектрика; W16 - ширина канала транзистора 16; Lпор16 - длина канала транзистора 16; Vпор16 - пороговое напряжение транзистора 16.where μ 1 is the mobility of minority charge carriers; With oh - the specific capacity of the gate dielectric; W 16 is the channel width of the
где μ2 - подвижность неосновных носителей заряда; Сох - удельная емкость подзатворного диэлектрика; W17 - ширина канала транзистора 17; L17 - длина канала транзистора 17; Vпор17 - пороговое напряжение транзистора 17.where μ 2 is the mobility of minority charge carriers; With oh - the specific capacity of the gate dielectric; W 17 - channel width of the
Величины многих параметров в уравнениях (4) и (5) имеют разброс значений в пределах одного кристалла, связанный с технологическими особенностями микроэлектронного производства.The values of many parameters in equations (4) and (5) have a range of values within a single crystal, associated with the technological features of microelectronic production.
Описанные выше проблемы на практике приводят к тому, что при считывании болометров, имеющих отличное от номинального значение электрического сопротивления, наблюдается некоторый ток Iинт в отсутствии внешнего сигнала, причем этот ток может быть как втекающим в интегратор, так и вытекающим.The problems described above in practice lead to the fact that when reading bolometers having a different electrical resistance than the nominal value, a certain current I int is observed in the absence of an external signal, and this current can be either flowing into the integrator or leaking.
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.This problem can be solved by external processing of the output signal by the well-known one-point and two-point correction methods described in the article "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. The disadvantage of this solution, used in its pure form, is that the electrical range of the output signal is usually limited by the supply voltage of the device, and therefore there is a need to limit the gain of the circuit so that the obtained values of the electrical signal do not go out of the range of possible values of the output signal. In this regard, it is advisable to compensate for the zero level displacement directly in the matrix signal reader, and before integrating the differential current received from the matrix, because the range of possible values at the output of the integrator is also limited by the supply voltage.
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.The closest technical solution - the prototype, is the device described in patent US 6028309 A, February 22, 2000, "Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array" (Methods and circuits for correcting errors caused by temperature changes in microbolometric photodetector). The prototype proposed the use of digital-to-analog converters (DACs) in each reading channel. When reading the DAC signal individually for each "active" bolometer, the supply voltage of the "active" bolometer 15 (Fig. 2a), or the bias voltage of the current-sensing transistor 16 (Fig. 2b) is adjusted to compensate for the deviation of the resistance values of both the "active" bolometer and the corresponding him a “thermally shorted” bolometer by correcting the current flowing through the “active” bolometer.
В предложенных в прототипе способах коррекция осуществляется путем подбора напряжения Vдет1 - Vсм1 - Vзи16 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 Vзи16:In the methods proposed in the prototype, the correction is carried out by selecting the voltage V det1 - V cm1 - V z1616 individually for each matrix bolometer in such a way that equality (3) is fulfilled for each of them up to the least significant compensation digit. Coefficients are selected once during factory calibration of the matrix. The selection of voltage is carried out by corrective DACs. From equations (1) and (4) we express V zi16 :
где Where
При компенсации предложенным методом должно выполняться равенство:When compensating with the proposed method, the following equality must be fulfilled:
Согласно выражению (1) получаем:According to the expression (1) we obtain:
где R15 - номинальное сопротивление болометра, ΔR15 - отклонение сопротивления от номинального.where R 15 is the nominal resistance of the bolometer, ΔR 15 is the deviation of the resistance from the nominal.
Для выполнения условия (3) при некоторой температуре Т0, называемой температурой калибровки, требуется напряжение, определяемое следующим образом:To fulfill condition (3) at a certain temperature T 0 , called the calibration temperature, a voltage is required, defined as follows:
Или с учетом (1) получаем:Or, taking into account (1), we obtain:
Зависимость электрического сопротивления болометрического материала от температуры определяется выражением:The dependence of the electrical resistance of a bolometric material on temperature is determined by the expression:
где - сопротивление болометра при температуре (Т0+ΔТ), Т0 - температура калибровки, ΔТ - отклонение температуры от температуры калибровки, - сопротивление при температуре калибровки, α - температурный коэффициент сопротивления.Where - the resistance of the bolometer at a temperature (T 0 + ΔТ), T 0 - calibration temperature, ΔТ - temperature deviation from the calibration temperature, - resistance at calibration temperature, α - temperature coefficient of resistance.
При изменении температуры, согласно (11) и (8), ток через активный болометр будет определяться выражением:When the temperature changes, according to (11) and (8), the current through the active bolometer will be determined by the expression:
где - напряжение затвор-исток транзистора 16 при температуре (Т0+ΔТ), которое может быть выражено с учетом (6) следующим образом:Where - the voltage of the gate-source of the
Ток интегратора может быть записан как:The integrator current can be written as:
С учетом (3), (10), (11), и (14) получаем:In view of (3), (10), (11), and (14) we obtain:
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 Iинт, 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.It is easy to see from expressions (13) and (15) that at a temperature different from the calibration temperature (ΔТ ≠ 0) and a bolometer resistance other than the nominal value (ΔR ≠ 0) there is a non-zero current I int , which violates the equality ( 3). This causes the appearance of a non-uniform background image in the output signal, the non-uniformity of which increases with the difference between the actual temperature of the bolometer and the temperature of the bolometer during calibration, which significantly complicates the current task of refusing to use thermal stabilization of the matrix.
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
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.The objective of the invention is the construction of a device for recording infrared radiation with a readout circuit that allows you to compensate for the technological spread of the resistance values of the matrix bolometers in a wide temperature range without the use of thermally stabilizing elements.
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.The technical result is achieved by introducing a reference current source characterized by the exact same dependence of the output current on the temperature and bias voltage of the bolometers, as well as on the current flowing through the "active" bolometer. The proposed reference current source contains two additional “thermally shorted” bolometers located outside the matrix field with a given ratio of the nominal resistance values, the current through which is set by transistors that exactly repeat the transistors that specify the current through the “active” and “thermally shorted” matrix bolometers. Moreover, transistors that specify currents through bolometers in the reference current source are biased by exactly the same voltages as transistors that specify currents through “active” and “thermally shorted” matrix bolometers.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
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 Vсм1 и Vсм2 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 Vсм1 и Vсм2 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 2n возможных значений токов компенсации.To solve this problem, a device is proposed for recording infrared radiation based on a matrix of bolometric detectors (Fig. 3), consisting of
При заводской калибровке для каждого болометра индивидуально методом подбора находится значение коэффициента тока компенсации при котором выполняется равенство:In the factory calibration, for each bolometer individually, by the selection method, the value of the compensation current coefficient is found at which the equality is fulfilled:
где k - коэффициент компенсации, - ток компенсации младшего разряда.where k is the compensation factor, - current compensation low order.
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:Expression (16) should be valid when the temperature of the substrate changes. From (1), (2), (11) it follows that the currents flowing through the “active” and “thermally shorted” bolometers, when the temperature changes, are determined by the expressions:
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:The temperature of the “active” bolometer depends not only on the substrate temperature, but also on the infrared radiation energy absorbed by the bolometer. The current
где ΔТик - изменение температуры, вызванное поглощением инфракрасного излучения.where ΔТ ik - temperature change caused by the absorption of infrared radiation.
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:Consider a reference current source 4 (Fig. 3), consisting of two additional "thermally shorted"
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:
где Vзи7 - напряжение затвор-исток транзистора 7, Vзи8 - напряжение затвор-исток транзистора 8.where V zi7 is the gate-source voltage of the transistor 7, V zi8 is the gate-source voltage of the
При изменении температуры выражения (21) и (22) с учетом (11) можно переписать в виде:When the temperature changes, expressions (21) and (22), taking into account (11), can be rewritten in the form:
Опорный ток компенсации при изменении температуры будет определяться выражением:The reference compensation current when the temperature changes will be determined by the expression:
Ток интегратора, с учетом (17), (18), (25), будет определяться следующим выражением:The integrator current, taking into account (17), (18), (25), will be determined by the following expression:
Очевидно, что равенство (26) будет выполняться в случае выполнения равенства (16) при любых ΔT.Obviously, equality (26) will hold if equality (16) holds for any ΔT.
При наличии инфракрасного излучения ток считывания с учетом равенств (19) и (26) будет определяться равенством:In the presence of infrared radiation, the read current, taking into account equalities (19) and (26), will be determined by the equality:
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:When reading the signal using the key sets 21 and 22, compensation sources are connected that form the required value of the compensation current and its sign. Then, the "Reset" key of the
Где Vоп - опорное напряжение интегратора.Where V op - the reference voltage of the integrator.
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 Iинт до момента отключения ключа 2. Время, на которое включается ключ 2, обозначим как Напряжение, сформированное на выходе интегратора, будет определяться следующим образом:After a time sufficient to generate a voltage defined by expression (28) at the output, the Reset switch opens and switches 1 and 2 close. From this moment, the
где Тинт - время интегрирования, Синт - емкость конденсатора 19.where T int is the integration time, C int is the capacitance of the
В общем случае, с учетом выражения (27), выходное напряжения интегратора будет определяться выражением:In the general case, taking into account expression (27), the output voltage of the integrator will be determined by the expression:
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фиг. 1 показана типовая схема считывания сопротивления болометра без компенсации неоднородности матрицы.In FIG. Figure 1 shows a typical scheme for reading the resistance of a bolometer without compensating for matrix heterogeneity.
На фиг. 2 показаны схемы считывания с компенсацией неоднородности матрицы, предложенные в прототипе:In FIG. 2 shows reading schemes with compensation for matrix heterogeneity proposed in the prototype:
а) компенсация за счет коррекции напряжения Vдет1;a) compensation due to voltage correction V det1 ;
б) компенсация за счет коррекции напряжения Vсм1.b) compensation due to voltage correction V cm1 .
На фиг. 3 показана предложенная схема считывания с компенсацией неоднородности матрицы.In FIG. 3 shows the proposed readout scheme with compensation for matrix inhomogeneity.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112139A RU2679272C1 (en) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018112139A RU2679272C1 (en) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2679272C1 true RU2679272C1 (en) | 2019-02-06 |
Family
ID=65273714
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018112139A RU2679272C1 (en) | 2018-04-04 | 2018-04-04 | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2679272C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2745484C1 (en) * | 2020-07-27 | 2021-03-25 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with circuit for inhomogeneity compensation taking into account the effect of self-heating |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6028309A (en) * | 1997-02-11 | 2000-02-22 | Indigo Systems Corporation | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array |
RU2008147122A (en) * | 2007-12-12 | 2010-06-10 | Юлис (Fr) | A DEVICE FOR DETECTING INFRARED RADIATION CONTAINING A RESISTIVE IMAGE-CREATING BOLOMETER, A SYSTEM CONTAINING A MATRIX OF SUCH BOLOMETERS, AND A METHOD FOR COUNTING ITSELF IS WELL CLEANED |
RU2008148795A (en) * | 2007-12-12 | 2010-06-20 | Юлис (Fr) | A DEVICE FOR DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION, CONTAINING A RESISTIVE IMAGE FORMING BOLOMETER, A SYSTEM CONTAINING A MATRIX FROM SUCH DEVICES, AND A METHOD FOR COLLECTING BOROMETRO BOROMETER |
US20170211984A1 (en) * | 2014-10-16 | 2017-07-27 | Flir Systems, Inc. | Bolometer circuitry and methods for difference imaging |
-
2018
- 2018-04-04 RU RU2018112139A patent/RU2679272C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6028309A (en) * | 1997-02-11 | 2000-02-22 | Indigo Systems Corporation | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array |
RU2008147122A (en) * | 2007-12-12 | 2010-06-10 | Юлис (Fr) | A DEVICE FOR DETECTING INFRARED RADIATION CONTAINING A RESISTIVE IMAGE-CREATING BOLOMETER, A SYSTEM CONTAINING A MATRIX OF SUCH BOLOMETERS, AND A METHOD FOR COUNTING ITSELF IS WELL CLEANED |
RU2008148795A (en) * | 2007-12-12 | 2010-06-20 | Юлис (Fr) | A DEVICE FOR DETECTING ELECTROMAGNETIC RADIATION, CONTAINING A RESISTIVE IMAGE FORMING BOLOMETER, A SYSTEM CONTAINING A MATRIX FROM SUCH DEVICES, AND A METHOD FOR COLLECTING BOROMETRO BOROMETER |
US20170211984A1 (en) * | 2014-10-16 | 2017-07-27 | Flir Systems, Inc. | Bolometer circuitry and methods for difference imaging |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2745484C1 (en) * | 2020-07-27 | 2021-03-25 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with circuit for inhomogeneity compensation taking into account the effect of self-heating |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6028309A (en) | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array | |
US5756999A (en) | Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array | |
US20230236067A1 (en) | Readout circuits and methods | |
US6274869B1 (en) | Digital offset corrector | |
US6953932B2 (en) | Microbolometer focal plane array with temperature compensated bias | |
US6538250B2 (en) | Microbolometer focal plane array with controlled bias | |
US6249002B1 (en) | Bolometric focal plane array | |
US8080793B2 (en) | Device for detecting infrared radiation comprising a resistive imaging bolometer, a system comprising an array of such bolometers and a method for reading an imaging bolometer integrated into such a system | |
CN101339074B (en) | Device for detecting infrared radiation using a bolometric detector | |
US20140239180A1 (en) | Bolometric Detector With A Temperature-Adaptive Biasing | |
CN101339073A (en) | Devices for detecting electromagnetic radiation, especially infrared radiation | |
KR101158259B1 (en) | Read out integrated circuit of infrared detection sensor and correcting method thereof | |
US20020166968A1 (en) | Apparatus and method of measuring bolometric resistance changes in an uncooled and thermally unstabilized focal plane array over a wide temperature range | |
WO2007015235A1 (en) | Circuitry for balancing a differential type focal plane array of bolometer based infra-red detectors | |
US6683310B2 (en) | Readout technique for microbolometer array | |
RU2679272C1 (en) | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme | |
EP0835586B1 (en) | Digital offset corrector for microbolometer array | |
KR101533404B1 (en) | Signal acquisition circuit which compensate non-uniformity of bolometer | |
Jo et al. | TEC-less ROIC with self-bias equalization for microbolometer FPA | |
CN111829670A (en) | Uncooled infrared focal plane array reading circuit | |
Zhou et al. | A CMOS readout with high-precision and low-temperature-coefficient background current skimming for infrared focal plane array | |
RU2745484C1 (en) | Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with circuit for inhomogeneity compensation taking into account the effect of self-heating | |
EP0870330B1 (en) | Bolometric focal plane array | |
CN114353959A (en) | Uncooled infrared detector and automatic gain correction circuit thereof | |
Tepegoz et al. | Resistance non-uniformity correction method using bias heating for resistive type uncooled microbolometer FPAs |