[go: up one dir, main page]

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 PDF

Info

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
Application number
RU2018112139A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Евгеньевич Турков
Светлана Александровна Жукова
Юрий Степанович Четверов
Андрей Дмитриевич Чербов
Дмитрий Анатольевич Копцев
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт химии и механики" (ФГУП "ЦНИИХМ")
Priority to RU2018112139A priority Critical patent/RU2679272C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2679272C1 publication Critical patent/RU2679272C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J5/22Electrical features thereof
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/76Addressed 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

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to the field of detecting electromagnetic radiation, in particular infrared, based on bolometric detectors. Device contains a bolometric detector array consisting of bolometers sensitive to incident infrared radiation, called “active”, and infrared-insensitive bolometers, called “thermal shorted”, formed on a semiconductor substrate containing a readout circuit consisting of sets of pairs of transistors of different types of conductivity, connected by sources to “active” and “thermal shorted” bolometers, respectively, receiving some bias voltage, with combined drains, which are connected to the integrator inputs, to which with the help of a set of keys controlled by a digital code for compensation of digit capacity n, one of the digits of which determines the sign of the compensation current, sources of positive and negative current compensation are also connected, representing the current mirrors with given current multiplication factors, which are multiplied for each column and multiplied with a given coefficient, the current formed by the means of forming the reference compensation current based on two additional “thermal shorted” bolometers, located outside the matrix field, receiving offsets from transistors in exactly identical to the transistors offset “active” and “thermal shorted” bolometers and offset by exactly the same bias voltage.EFFECT: technical result consists in compensating the technological variation of the resistance values of matrix bolometers in a wide temperature range without using thermal stabilizing elements, in devices for detecting infrared radiation.1 cl, 3 dwg

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

Figure 00000001
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
Figure 00000001
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. CMOS transistors 16 and 17, combined by drains in node 23, operate in saturation mode and set the rated currents flowing through the “active” 15 and “thermally shorted” 18 bolometers, respectively. The magnitude of the current equal to the algebraic difference of the currents flowing through the "active" 15 and "thermally shorted" 18 bolometers is fed to the input of the current integrator 5, made on the basis of the operational amplifier 20 and connected to it in the feedback capacitor, also called the integration capacitance. This scheme is present in each column of the matrix.

Так как транзисторы 16 и 17 работают в режиме насыщения, их токи задаются выражениями:Since transistors 16 and 17 operate in saturation mode, their currents are given by the expressions:

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

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 transistor 16; V zi16 - the voltage of the gate-source of the transistor 16; V det2 - voltage on the " thermally shorted " bolometer 18; V cm2 is the bias voltage; V zi17 - the voltage of the gate-source of the transistor 17.

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:

Figure 00000004
Figure 00000004

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 transistors 16 and 17 can be written as functions of the current equation in injection MOS transistors according to the following expressions:

Figure 00000005
Figure 00000005

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 transistor 16; L por16 is the channel length of the transistor 16; V por 16 - threshold voltage of the transistor 16.

Figure 00000006
Figure 00000006

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 transistor 17; L 17 is the channel length of the transistor 17; V pore 17 - threshold voltage of the transistor 17.

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 :

Figure 00000007
Figure 00000007

где

Figure 00000008
Where
Figure 00000008

При компенсации предложенным методом должно выполняться равенство:When compensating with the proposed method, the following equality must be fulfilled:

Figure 00000009
Figure 00000009

Согласно выражению (1) получаем:According to the expression (1) we obtain:

Figure 00000010
Figure 00000010

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:

Figure 00000011
Figure 00000011

Или с учетом (1) получаем:Or, taking into account (1), we obtain:

Figure 00000012
Figure 00000012

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:

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
- сопротивление болометра при температуре (Т0+ΔТ), Т0 - температура калибровки, ΔТ - отклонение температуры от температуры калибровки,
Figure 00000015
- сопротивление при температуре калибровки, α - температурный коэффициент сопротивления.Where
Figure 00000014
- the resistance of the bolometer at a temperature (T 0 + ΔТ), T 0 - calibration temperature, ΔТ - temperature deviation from the calibration temperature,
Figure 00000015
- 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:

Figure 00000016
Figure 00000016

где

Figure 00000017
- напряжение затвор-исток транзистора 16 при температуре (Т0+ΔТ), которое может быть выражено с учетом (6) следующим образом:Where
Figure 00000017
- the voltage of the gate-source of the transistor 16 at a temperature (T 0 + ΔT), which can be expressed taking into account (6) as follows:

Figure 00000018
Figure 00000018

Ток интегратора может быть записан как:The integrator current can be written as:

Figure 00000019
Figure 00000019

С учетом (3), (10), (11), и (14) получаем:In view of (3), (10), (11), and (14) we obtain:

Figure 00000020
Figure 00000020

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 bolometers 15 sensitive to incident infrared radiation, called "active", and insensitive to infrared radiation, bolometers 18, called "thermally shorted", formed on a semiconductor substrate containing a readout circuit consisting of a plurality of transistors 16 and 17 connected by sources to “active” and “thermally shorted” bolometers, respectively of having different conductivity type and receiving bias voltages V and V cm-1 cm 2, respectively, with the combined effluents connected to the input of the integrator 5. In this aspect of the invention is a means for generating a reference current compensating 4 on the basis of two additional "termozakorochennyh" bolometers 6 and 9, located outside the field of the matrix, receiving bias from transistors 7 and 8, exactly identical to transistors 16 and 17, respectively, receiving bias with exactly the same voltages V cm1 and V cm2, respectively about with combined drains. The magnitude of the current equal to the difference between the currents flowing through the bolometers 6 and 9 is supplied to the means of copying the compensation current for each column of the matrix 3, which is a current mirror, the outputs of which are connected to the inputs of the respective sources of positive 12 and negative 14 compensation current, representing current mirrors with the specified multiplication factors of the current, which are connected to the inputs of the integrators 5 using the keys 21 and 22, controlled by a digital code of the compensation coefficient k of the capacity n, one of the times the rows of which selects the sign of the compensation current. The total number of compensation sources n is selected depending on the required accuracy of the installation of the video output signal and the maximum possible dispersion of the resistance values of the bolometers for this technology. The area of the transistors in the compensation current sources is selected so that each subsequent transistor has a W / L ratio 2 times larger than the previous one. In this case, n compensation sources will provide 2 n possible values of compensation currents.

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:

Figure 00000021
Figure 00000021

где k - коэффициент компенсации,

Figure 00000022
- ток компенсации младшего разряда.where k is the compensation factor,
Figure 00000022
- 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:

Figure 00000023
Figure 00000023

Figure 00000024
Figure 00000024

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 active bolometer 15 when exposed to infrared radiation can be written in the form:

Figure 00000025
Figure 00000025

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" bolometers 6 and 9, current-setting transistors 7 and 8, and transistor 10, which is a copy of the current. Bolometers 6 and 9 have exactly the same temperature coefficient of resistance as the “active” and “thermally shorted” bolometers, and the inequality holds for the values of their resistance:

Figure 00000026
Figure 00000026

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:Transistors 7 and 8 are similar in design and size to transistors 16 and 17, respectively. Therefore, transistors 7 and 8 also work in saturation mode, and their currents are given by the expressions:

Figure 00000027
Figure 00000027

Figure 00000028
Figure 00000028

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 transistor 8.

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:

Figure 00000029
Figure 00000029

Figure 00000030
Figure 00000030

Опорный ток компенсации при изменении температуры будет определяться выражением:The reference compensation current when the temperature changes will be determined by the expression:

Figure 00000031
Figure 00000031

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:

Figure 00000032
Figure 00000032

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:

Figure 00000033
Figure 00000033

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 integrator 5 is turned on. At the same time, a voltage is formed at the output, determined by the expression:

Figure 00000034
Figure 00000034

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

Figure 00000035
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 capacitor 19 starts charging with current I int until the switch 2 is turned off. The time for which the switch is turned on 2, denote by
Figure 00000035
The voltage generated at the output of the integrator will be determined as follows:

Figure 00000036
Figure 00000036

где Тинт - время интегрирования, Синт - емкость конденсатора 19.where T int is the integration time, C int is the capacitance of the capacitor 19.

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:

Figure 00000037
Figure 00000037

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)

Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов, содержащее матрицу болометрических детекторов, состоящую из болометров, чувствительных к падающему инфракрасному излучению, называемых «активными», и нечувствительных к инфракрасному излучению болометров, называемых «термозакороченными», сформированных на полупроводниковой подложке, содержащей схему считывания, состоящую из множеств пар транзисторов различных типов проводимости, подключенных истоками к «активным» и «термозакороченным» болометрам соответственно, получающих некоторые напряжения смещения, с объединенными стоками, которые подключены к входам интеграторов, отличающееся тем, что считывающая схема содержит: средство формирования опорного компенсационного тока на основе двух дополнительных «термозакороченных» болометров, расположенных вне поля матрицы, получающих смещения от транзисторов, в точности идентичных транзисторам смещения «активных» и «термозакороченных» болометров и смещенных точно такими же напряжениями смещения, объединенные стоки которых подключаются к средству копирования компенсационного тока для каждого столбца матрицы, представляющим собой токовые зеркала, выходы которых подключены к входам соответствующих источников положительного и отрицательного тока компенсации, представляющих собой токовые зеркала с топологически заданными коэффициентами умножения тока, которые подключаются ко входам интеграторов с помощью набора ключей, управляемых цифровым кодом компенсации разрядности n, один из разрядов которого определяет знак тока компенсации.A device for detecting infrared radiation based on bolometric detectors, comprising a matrix of bolometric detectors, consisting of bolometers sensitive to incident infrared radiation, called “active”, and infrared insensitive bolometers, called “thermo-shortened”, formed on a semiconductor substrate containing a readout circuit consisting of sets of pairs of transistors of various types of conductivity connected by sources to “active” and “thermally shorted” bol to the meters, respectively, receiving some bias voltages, with combined drains that are connected to the inputs of the integrators, characterized in that the readout circuit contains: means for generating a reference compensation current based on two additional “thermally shorted” bolometers located outside the matrix field, receiving bias from the transistors, exactly identical to the bias transistors of the "active" and "thermally shorted" bolometers and biased by exactly the same bias voltages, the combined drains of which are connected to the means of copying the compensation current for each column of the matrix, which are current mirrors, the outputs of which are connected to the inputs of the corresponding sources of positive and negative compensation current, which are current mirrors with topologically specified current multiplication coefficients, which are connected to the integrator inputs using a set of keys, controlled by a digital code for compensation of bit depth n, one of the bits of which determines the sign of the compensation current.
RU2018112139A 2018-04-04 2018-04-04 Device for registration of infrared radiation based on matrix of bolometric detectors with nonuniformity compensation scheme RU2679272C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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