CA3145264A1 - Capteur infrarouge a capture instantanee - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur infrarouge comportant un ensemble de pixels (11) juxtaposés en lignes et en colonnes, chaque pixel intégrant un micro-bolomètre d'imagerie (R<sub>ac</sub>) et un montage intégrateur comportant : un transistor (N4) monté en amplificateur; et un condensateur (C<sub>int</sub>) monté en contre-réaction sur ledit transistor entre un n?ud de sortie (No) et un n?ud d'intégration (Ne); ledit n?ud d'intégration étant connecté à un transistor d'ébasage (P1) fonctionnant en miroir de courant avec un transistor de commande d'ébasage déporté en dehors dudit pixel, un courant d'ébasage (I<sub>cm</sub>) traversant ledit transistor de commande d'ébasage étant commandé en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé, ledit montage en miroir de courant permettant de transmettre ledit courant d'ébasage traversant ledit transistor de commande d'ébasage sur ledit n?ud d'intégration de sorte que ledit condensateur intègre la différence entre un courant (I<sub>ac</sub>) traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie et ledit courant d'ébasage.
Description
CAPTEUR INFRAROUGE A CAPTURE INSTANTANEE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un capteur de rayonnements infrarouges dans le domaine de l'imagerie infra-rouge dite non-refroidie . Ce capteur intègre un ensemble de détecteurs bolométriques formant les pixels d'une image infrarouge. L'invention concerne plus précisément un capteur infrarouge permettant une capture instantanée des pixels au moyen d'un circuit de lecture intégré dans chaque pixel.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour augmenter la résolution en fréquence d'un capteur infrarouge ou pour supprimer les effets de tramé.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine des détecteurs infrarouges dits non-refroidis , il est connu d'utiliser des matrices monodimensionnelles ou bidimensionnelles d'éléments sensibles au rayonnement infrarouge, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire ne nécessitant pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux dispositifs de détection appelés détecteurs quantiques , qui eux, nécessitent un fonctionnement à très basse température, typiquement celle de l'azote liquide.
Un détecteur infrarouge non-refroidi utilise traditionnellement la variation d'une grandeur physique d'un matériau approprié dit thermométrique ou bolométrique , en fonction de sa température. Le plus couramment, cette grandeur physique est la résistivité électrique dudit matériau qui varie fortement avec la température. Les éléments sensibles unitaires du détecteur, ou micro-bolomètres , prennent usuellement la forme de membranes, comprenant chacune une couche en matériau thermométrique, et suspendue au-dessus d'un substrat, généralement réalisé en silicium, via des bras de soutien de résistance thermique élevée, la matrice de membranes suspendues étant usuellement désignée sous le terme de rétine .
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un capteur de rayonnements infrarouges dans le domaine de l'imagerie infra-rouge dite non-refroidie . Ce capteur intègre un ensemble de détecteurs bolométriques formant les pixels d'une image infrarouge. L'invention concerne plus précisément un capteur infrarouge permettant une capture instantanée des pixels au moyen d'un circuit de lecture intégré dans chaque pixel.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour augmenter la résolution en fréquence d'un capteur infrarouge ou pour supprimer les effets de tramé.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine des détecteurs infrarouges dits non-refroidis , il est connu d'utiliser des matrices monodimensionnelles ou bidimensionnelles d'éléments sensibles au rayonnement infrarouge, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire ne nécessitant pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux dispositifs de détection appelés détecteurs quantiques , qui eux, nécessitent un fonctionnement à très basse température, typiquement celle de l'azote liquide.
Un détecteur infrarouge non-refroidi utilise traditionnellement la variation d'une grandeur physique d'un matériau approprié dit thermométrique ou bolométrique , en fonction de sa température. Le plus couramment, cette grandeur physique est la résistivité électrique dudit matériau qui varie fortement avec la température. Les éléments sensibles unitaires du détecteur, ou micro-bolomètres , prennent usuellement la forme de membranes, comprenant chacune une couche en matériau thermométrique, et suspendue au-dessus d'un substrat, généralement réalisé en silicium, via des bras de soutien de résistance thermique élevée, la matrice de membranes suspendues étant usuellement désignée sous le terme de rétine .
2 Ces membranes mettent notamment en uvre une fonction d'absorption du rayonnement infrarouge incident, une fonction de conversion de la puissance du rayonnement absorbé en puissance calorifique, et une fonction thermométrique de conversion de la puissance calorifique produite en une variation de la résistivité du matériau thermométrique, ces fonctions pouvant être mises en oeuvre par un ou plusieurs éléments distincts.
Par ailleurs, les bras de soutien des membranes sont également conducteurs de l'électricité
et connectés à la couche thermométrique de celles-ci.
Il est usuellement ménagé dans le substrat au-dessus duquel sont suspendues les membranes, /0 des moyens d'adressage et de polarisation séquentiels des éléments thermométriques des membranes, et des moyens de formation des signaux électriques utilisables en format vidéo.
Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par l'expression circuit de lecture .
Pour compenser la dérive en température du détecteur, une solution généralement mise en oeuvre consiste à disposer dans le circuit électronique de formation du signal en relation avec la température des micro-bolomètres d'imagerie, ainsi dénommés car sensibles au rayonnement électromagnétique incident, un élément de compensation de température du plan focal (TPT) lui-même bolométrique, c'est-à-dire dont le comportement électrique suit la température du substrat, mais reste essentiellement insensible au rayonnement.
Ce résultat est obtenu par exemple au moyen de structures bolométriques dotées par construction d'une faible résistance thermique vers le substrat, et/ou en masquant ces structures derrière un écran opaque au rayonnement thermique. La mise en uvre de ces éléments de compensation offre par ailleurs l'avantage d'éliminer l'essentiel du courant dit de mode commun issu des micro-bolomètres d'imagerie ou actifs .
La figure 1 est un schéma électrique d'un détecteur bolométrique 10 sans régulation de température, ou détecteur TECIess , de l'état de la technique, comprenant une structure de compensation du mode commun. La figure 2 est un schéma électrique d'un circuit mis en oeuvre pour former un signal de lecture d'un micro-bolomètre du détecteur compensé du mode commun. Un tel détecteur est par exemple décrit dans le document :
Uncooledamoiphous silicon technology enhancementfor 25,um pixel pitch achievement ; E. Mottin et al, Infrared Technology and Application XXVIII, SPIE, vol. 4820E.
Par ailleurs, les bras de soutien des membranes sont également conducteurs de l'électricité
et connectés à la couche thermométrique de celles-ci.
Il est usuellement ménagé dans le substrat au-dessus duquel sont suspendues les membranes, /0 des moyens d'adressage et de polarisation séquentiels des éléments thermométriques des membranes, et des moyens de formation des signaux électriques utilisables en format vidéo.
Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par l'expression circuit de lecture .
Pour compenser la dérive en température du détecteur, une solution généralement mise en oeuvre consiste à disposer dans le circuit électronique de formation du signal en relation avec la température des micro-bolomètres d'imagerie, ainsi dénommés car sensibles au rayonnement électromagnétique incident, un élément de compensation de température du plan focal (TPT) lui-même bolométrique, c'est-à-dire dont le comportement électrique suit la température du substrat, mais reste essentiellement insensible au rayonnement.
Ce résultat est obtenu par exemple au moyen de structures bolométriques dotées par construction d'une faible résistance thermique vers le substrat, et/ou en masquant ces structures derrière un écran opaque au rayonnement thermique. La mise en uvre de ces éléments de compensation offre par ailleurs l'avantage d'éliminer l'essentiel du courant dit de mode commun issu des micro-bolomètres d'imagerie ou actifs .
La figure 1 est un schéma électrique d'un détecteur bolométrique 10 sans régulation de température, ou détecteur TECIess , de l'état de la technique, comprenant une structure de compensation du mode commun. La figure 2 est un schéma électrique d'un circuit mis en oeuvre pour former un signal de lecture d'un micro-bolomètre du détecteur compensé du mode commun. Un tel détecteur est par exemple décrit dans le document :
Uncooledamoiphous silicon technology enhancementfor 25,um pixel pitch achievement ; E. Mottin et al, Infrared Technology and Application XXVIII, SPIE, vol. 4820E.
3 Le détecteur 10 comprend une matrice bidimensionnelle 12 d'éléments unitaires de détection bolométriques 14 identiques, ou pixels , comprenant chacun un micro-bolomètre résistif sensible 16 se présentant sous la forme d'une membrane suspendue au-dessus d'un substrat, tel que décrit précédemment, et de résistance électrique R.
Chaque micro-bolomètre 16 est connecté par l'une de ses bornes à une tension constante VDET, notamment la masse du détecteur 10, et par l'autre de ses bornes à un transistor MOS
de polarisation 18 fonctionnant en régime saturé, par exemple un transistor NMOS, réglant la tension Vac aux bornes du micro-bolomètre 16 au moyen d'une tension de commande de grille GAG.
Si A désigne le noeud correspondant à la source du MOS 13 et si VA est la tension à ce noeud, qui dépend de la tension de grille GAG, la tension Va, est alors égale à
Vac=VA¨VDET.
Le pixel 14 comprend également un interrupteur de sélection 20, connecté entre le transistor MOS 18 et un noeud S prévu pour chaque colonne de la matrice 12, et piloté par un signal de commande Select, permettant la sélection du micro-bolomètre 16 pour sa lecture. Le transistor 18 et l'interrupteur 20 sont usuellement formés dans le substrat sous l'emprise de la membrane du micro-bolomètre 16. Les éléments 16 et 18 forment une branche dite de détection.
Notamment, les pixels étant identiques et la tension VDET d'une part et la tension GAG d'autre part étant identiques pour tous les pixels, les micro-bolomètres 16 sont donc polarisés en tension sous la même tension V. En outre, la tension de grille GAG étant constante, la tension Va, est donc également constante.
Le détecteur 10 comporte également, en pied de chaque colonne de la matrice 12, une structure de compensation 22, également usuellement désignée sous le terme de structure d' ébasage ou selon l'expression anglo-saxonne skimming . Comme décrit précédemment, la valeur de la résistance électrique des micro-bolomètres de détection 16 est dictée en grande partie par la température du substrat. Le courant parcourant un micro-bolomètre de détection 16 comporte ainsi une importante composante qui dépend de la température du substrat et est indépendante de la scène observée. La structure de compensation 22 a pour fonction de produire un courant électrique à des fins de compensation partielle ou totale de cette composante.
Chaque micro-bolomètre 16 est connecté par l'une de ses bornes à une tension constante VDET, notamment la masse du détecteur 10, et par l'autre de ses bornes à un transistor MOS
de polarisation 18 fonctionnant en régime saturé, par exemple un transistor NMOS, réglant la tension Vac aux bornes du micro-bolomètre 16 au moyen d'une tension de commande de grille GAG.
Si A désigne le noeud correspondant à la source du MOS 13 et si VA est la tension à ce noeud, qui dépend de la tension de grille GAG, la tension Va, est alors égale à
Vac=VA¨VDET.
Le pixel 14 comprend également un interrupteur de sélection 20, connecté entre le transistor MOS 18 et un noeud S prévu pour chaque colonne de la matrice 12, et piloté par un signal de commande Select, permettant la sélection du micro-bolomètre 16 pour sa lecture. Le transistor 18 et l'interrupteur 20 sont usuellement formés dans le substrat sous l'emprise de la membrane du micro-bolomètre 16. Les éléments 16 et 18 forment une branche dite de détection.
Notamment, les pixels étant identiques et la tension VDET d'une part et la tension GAG d'autre part étant identiques pour tous les pixels, les micro-bolomètres 16 sont donc polarisés en tension sous la même tension V. En outre, la tension de grille GAG étant constante, la tension Va, est donc également constante.
Le détecteur 10 comporte également, en pied de chaque colonne de la matrice 12, une structure de compensation 22, également usuellement désignée sous le terme de structure d' ébasage ou selon l'expression anglo-saxonne skimming . Comme décrit précédemment, la valeur de la résistance électrique des micro-bolomètres de détection 16 est dictée en grande partie par la température du substrat. Le courant parcourant un micro-bolomètre de détection 16 comporte ainsi une importante composante qui dépend de la température du substrat et est indépendante de la scène observée. La structure de compensation 22 a pour fonction de produire un courant électrique à des fins de compensation partielle ou totale de cette composante.
4 La structure de compensation 22 comporte un micro-bolomètre de compensation 24, de résistance électrique Repu, rendu insensible au rayonnement incident issu de la scène à observer.
Le micro-bolomètre 24 est réalisé au moyen du même matériau thermométrique que le micro-bolomètre 16, mais présente une très faible résistance thermique vers le substrat. Par exemple :
=
les éléments résistifs du micro-bolomètre de compensation 24 sont réalisés directement au contact du substrat, ou = le micro-bolomètre de compensation 24 comporte une membrane similaire à
celle des micro-bolomètres de détection 16 suspendue au-dessus du substrat au moyen de structures présentant une résistance thermique très faible, ou encore =
le micro-bolomètre de compensation 24 comprend une membrane et des bras de soutien sensiblement identiques à ceux des micro-bolomètres de détection 16 et un matériau bon conducteur thermique remplit l'espace entre la membrane du micro-bolomètre 24 et le substrat.
La résistance électrique du micro-bolomètre 24 est ainsi essentiellement dictée par la température du substrat, le micro-bolomètre 24 est alors dit thermalisé au substrat.
Typiquement, ce micro-bolomètre 24 thermalisé est mutualisé pour plusieurs micro-bolomètres 24 et il est placé en tête ou en pied de chaque colonne de la matrice 12.
Le micro-bolomètre 24 est connecté par l'une de ses bornes à une tension constante positive VSK, et la structure de compensation 22 comporte en outre un transistor MOS de polarisation 26 fonctionnant en régime saturé, de polarité opposée à celle des transistors 18 des pixels de détection 14, par exemple un transistor PMOS, réglant la tension V,m aux bornes du micro-bolomètre 24 au moyen d'une tension de commande de grille GCM, et connecté
entre l'autre borne du micro-bolomètre de compensation 24 et le noeud S.
Si on désigne par B le n ud correspondant au drain du MOS 26 et par VB la tension à ce noeud, la tension V,,1 est alors égale à Von= VSK-VB Les éléments 24 et 26 forment une branche dite de compensation commune à chaque colonne. La valeur du courant de mode commun de compensation est définie par la valeur de la résistance Ropu du micro-bolomètre 24 et des paramètres de polarisation de ce dernier.
Le micro-bolomètre 24 est réalisé au moyen du même matériau thermométrique que le micro-bolomètre 16, mais présente une très faible résistance thermique vers le substrat. Par exemple :
=
les éléments résistifs du micro-bolomètre de compensation 24 sont réalisés directement au contact du substrat, ou = le micro-bolomètre de compensation 24 comporte une membrane similaire à
celle des micro-bolomètres de détection 16 suspendue au-dessus du substrat au moyen de structures présentant une résistance thermique très faible, ou encore =
le micro-bolomètre de compensation 24 comprend une membrane et des bras de soutien sensiblement identiques à ceux des micro-bolomètres de détection 16 et un matériau bon conducteur thermique remplit l'espace entre la membrane du micro-bolomètre 24 et le substrat.
La résistance électrique du micro-bolomètre 24 est ainsi essentiellement dictée par la température du substrat, le micro-bolomètre 24 est alors dit thermalisé au substrat.
Typiquement, ce micro-bolomètre 24 thermalisé est mutualisé pour plusieurs micro-bolomètres 24 et il est placé en tête ou en pied de chaque colonne de la matrice 12.
Le micro-bolomètre 24 est connecté par l'une de ses bornes à une tension constante positive VSK, et la structure de compensation 22 comporte en outre un transistor MOS de polarisation 26 fonctionnant en régime saturé, de polarité opposée à celle des transistors 18 des pixels de détection 14, par exemple un transistor PMOS, réglant la tension V,m aux bornes du micro-bolomètre 24 au moyen d'une tension de commande de grille GCM, et connecté
entre l'autre borne du micro-bolomètre de compensation 24 et le noeud S.
Si on désigne par B le n ud correspondant au drain du MOS 26 et par VB la tension à ce noeud, la tension V,,1 est alors égale à Von= VSK-VB Les éléments 24 et 26 forment une branche dite de compensation commune à chaque colonne. La valeur du courant de mode commun de compensation est définie par la valeur de la résistance Ropu du micro-bolomètre 24 et des paramètres de polarisation de ce dernier.
5 Le détecteur 10 comporte également en pied de chaque colonne de la matrice 12, un intégrateur 28 de type CTIA, pour l'expression anglo-saxonne Capacitive Trans Impedance Amplifier , comportant par exemple un amplificateur opérationnel 30 et un unique condensateur 32, de capacité Cm/ fixe, connecté entre l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 30. L'entrée inverseuse et l'entrée non-inverseuse de ce dernier sont par ailleurs connectées respectivement au noeud S et à une tension constante positive VBUS. La tension VBUS constitue ainsi une référence pour les signaux de sortie, et est comprise entre VDET et VSK.
Un interrupteur 34, piloté par un signal Reset est également ménagé en parallèle du condensateur 32, pour la décharge de celui-ci. Les sorties des CTIA 28 sont, par exemple, connectées à des échantillonneurs-bloqueurs 36 respectifs, également connus sous l'expression anglo-saxonne Sample and Hold , pour la délivrance des tensions Vend des CTIA en mode multiplexé au moyen d'un multiplexeur 38 vers un ou des amplificateur(s) série de sortie 40. Il peut être également intégré en sortie des moyens de numérisation par convertisseurs analogique ¨ numérique, également connus sous l'acronyme anglo-saxon ADC .
Le détecteur 10 comprend enfin une unité de séquencement 42 commandant les différents interrupteurs décrits précédemment. En fonctionnement, la matrice 12 est lue ligne par ligne.
Pour lire une ligne de la matrice 12, les interrupteurs 20 de la ligne de pixels 14 sont fermés et les interrupteurs 20 des autres lignes sont ouverts. La lecture successive de l'ensemble des lignes de la matrice 12 constitue une trame.
Pour la lecture d'un micro-bolomètre 16 d'une ligne de la matrice 12 sélectionnée pour la lecture, après une phase de décharge des condensateurs des CTIA en pied de colonne, réalisée par la fermeture des interrupteurs 34 au moyen du signal Reset suivi de leur ouverture, il est ainsi obtenu un circuit tel que représenté sur la figure 2 pour chaque pixel de la ligne en cours de lecture.
Un courant /õ, circule dans le micro-bolomètre de détection 16 du pixel sous l'effet de sa polarisation en tension par le transistor MOS 18, et un courant /cõõ circule dans le micro-bolomètre de compensation 24 de la structure de compensation sous l'effet de sa polarisation en tension par le transistor MOS 26. Ces courants sont soustraits l'un de l'autre au niveau du
Un interrupteur 34, piloté par un signal Reset est également ménagé en parallèle du condensateur 32, pour la décharge de celui-ci. Les sorties des CTIA 28 sont, par exemple, connectées à des échantillonneurs-bloqueurs 36 respectifs, également connus sous l'expression anglo-saxonne Sample and Hold , pour la délivrance des tensions Vend des CTIA en mode multiplexé au moyen d'un multiplexeur 38 vers un ou des amplificateur(s) série de sortie 40. Il peut être également intégré en sortie des moyens de numérisation par convertisseurs analogique ¨ numérique, également connus sous l'acronyme anglo-saxon ADC .
Le détecteur 10 comprend enfin une unité de séquencement 42 commandant les différents interrupteurs décrits précédemment. En fonctionnement, la matrice 12 est lue ligne par ligne.
Pour lire une ligne de la matrice 12, les interrupteurs 20 de la ligne de pixels 14 sont fermés et les interrupteurs 20 des autres lignes sont ouverts. La lecture successive de l'ensemble des lignes de la matrice 12 constitue une trame.
Pour la lecture d'un micro-bolomètre 16 d'une ligne de la matrice 12 sélectionnée pour la lecture, après une phase de décharge des condensateurs des CTIA en pied de colonne, réalisée par la fermeture des interrupteurs 34 au moyen du signal Reset suivi de leur ouverture, il est ainsi obtenu un circuit tel que représenté sur la figure 2 pour chaque pixel de la ligne en cours de lecture.
Un courant /õ, circule dans le micro-bolomètre de détection 16 du pixel sous l'effet de sa polarisation en tension par le transistor MOS 18, et un courant /cõõ circule dans le micro-bolomètre de compensation 24 de la structure de compensation sous l'effet de sa polarisation en tension par le transistor MOS 26. Ces courants sont soustraits l'un de l'autre au niveau du
6 noeud S, et la différence de courants résultante est intégrée par le CTIA 28 pendant une durée d'intégration prédéterminée Tint. La tension de sortie Gia du CTIA 28 représente ainsi une mesure de la variation de la résistance du micro-bolomètre de détection 16 provoquée par le rayonnement incident à détecter, puisque la partie non utile du courant lac liée à la température du substrat est compensée, au moins en partie, par le courant Lin spécifiquement produit pour reproduire cette partie non utile.
En supposant que les résistances électriques des micro-bolomètres actifs 16 et de compensation 24 ne sont pas modifiées de manière significative lors de leur polarisation par un phénomène d'auto-échauffement, et que le CTIA 28 ne sature pas, la tension de sortie Vow de l'intégrateur à la fin du temps d'intégration na s'exprime par la relation :
[Math. 1]
1 j'AT int (Lac icn3-Ttn.t 'Tout = Vbus (iac ¨ icru)dt = VB US
tut ce C tut Comme cela est connu en soi, un CTIA a une dynamique électrique de sortie, ou dynamique de lecture , fixe. En dessous d'une première quantité de charges électriques reçue en entrée, le CTIA délivre une tension basse fixe, dite tension de saturation basse Vsatt. De même, au-dessus d'une seconde quantité de charges électriques reçue en entrée, le CTIA
délivre une tension haute fixe dite tension de saturation haute Vsatif.
La relation Math.1 exprime le comportement linéaire du CTIA, lorsque celui-ci reçoit une quantité de charges électriques supérieure à la première quantité de charges électrique, et inférieure à la seconde quantité de charges électriques. La dynamique de lecture est essentiellement fixée par la valeur de la capacité Ge du condensateur 32.
Notamment, lorsque cette capacité est fixe, c'est-à-dire constante dans le temps, la dynamique de lecture du CTIA est également fixe.
Par convention, dans le cadre de l'invention, les tensions de saturation basse Gall, et haute Vsalll sont les limites entre lesquelles le CTIA fournit une sortie considérée comme linéaire, même s'il est en général capable de fournir des tensions plus basses ou plus élevées que ces bornes.
En supposant que les résistances électriques des micro-bolomètres actifs 16 et de compensation 24 ne sont pas modifiées de manière significative lors de leur polarisation par un phénomène d'auto-échauffement, et que le CTIA 28 ne sature pas, la tension de sortie Vow de l'intégrateur à la fin du temps d'intégration na s'exprime par la relation :
[Math. 1]
1 j'AT int (Lac icn3-Ttn.t 'Tout = Vbus (iac ¨ icru)dt = VB US
tut ce C tut Comme cela est connu en soi, un CTIA a une dynamique électrique de sortie, ou dynamique de lecture , fixe. En dessous d'une première quantité de charges électriques reçue en entrée, le CTIA délivre une tension basse fixe, dite tension de saturation basse Vsatt. De même, au-dessus d'une seconde quantité de charges électriques reçue en entrée, le CTIA
délivre une tension haute fixe dite tension de saturation haute Vsatif.
La relation Math.1 exprime le comportement linéaire du CTIA, lorsque celui-ci reçoit une quantité de charges électriques supérieure à la première quantité de charges électrique, et inférieure à la seconde quantité de charges électriques. La dynamique de lecture est essentiellement fixée par la valeur de la capacité Ge du condensateur 32.
Notamment, lorsque cette capacité est fixe, c'est-à-dire constante dans le temps, la dynamique de lecture du CTIA est également fixe.
Par convention, dans le cadre de l'invention, les tensions de saturation basse Gall, et haute Vsalll sont les limites entre lesquelles le CTIA fournit une sortie considérée comme linéaire, même s'il est en général capable de fournir des tensions plus basses ou plus élevées que ces bornes.
7 Par ailleurs, la capacité du condensateur d'intégration détermine aussi la sensibilité, ou plus exactement la responsivité, également connue sous l'expression anglo-saxonne responsivity , du détecteur. La responsivité d'un détecteur est définie par la variation du signal de sortie Vow en relation avec la variation du signal d'entrée (la température de scène Tscène), soit dVout/c/Tscène.
Cette responsivité dépend de la technologie de fabrication du micro-bolomètre, des caractéristiques du circuit de lecture, du temps d'intégration et de la surface du micro-bolomètre. A partir du rapport entre le bruit, présent sur le signal de sortie du détecteur, et cette responsivité, il est possible de définir la performance du détecteur, également connus sous l'acronyme NETD pour Noise Equivalent Temperature Difference dans la littérature anglo-saxonne, exprimée en mK. Plus précisément, il est recherché
de minimiser le NETD, en limitant le bruit présent sur le signal de sortie du détecteur et en maximisant la responsivité. Pour maximiser la responsivité, il est classique d'utiliser un maximum de surface de chaque pixel pour former le micro-bolomètre en disposant, sous le micro-bolomètre, les composants formant le circuit d'adressage au circuit de lecture.
Ainsi, il est actuellement possible d'obtenir un NETD inférieur à 50 mK avec un temps d'intégration pour une ligne ou une colonne de 64ps.
Le temps d'intégration étant directement lié à la responsivité et au NETD, il n'est pas possible de réduire ce temps d'intégration sans dégrader le NEDT, même si les nouvelles technologies de fabrication permettent d'obtenir des micro-bolomètres avec des constantes de temps réduites. Il s'ensuit que les micro-bolomètres actuels ne permettent pas de capter rapidement une image infrarouge car le circuit de lecture doit parcourir les lignes ou les colonnes pour former une image avec un temps d'intégration qu'il n'est pas possible de réduire.
Dans les domaines du visible ou de l'infrarouge refroidi, il existe des capteurs dans lesquels chaque pixel intègre un circuit de mesure de sorte à obtenir une capture simultanée de l'état de tous les pixels d'un capteur.
Cette responsivité dépend de la technologie de fabrication du micro-bolomètre, des caractéristiques du circuit de lecture, du temps d'intégration et de la surface du micro-bolomètre. A partir du rapport entre le bruit, présent sur le signal de sortie du détecteur, et cette responsivité, il est possible de définir la performance du détecteur, également connus sous l'acronyme NETD pour Noise Equivalent Temperature Difference dans la littérature anglo-saxonne, exprimée en mK. Plus précisément, il est recherché
de minimiser le NETD, en limitant le bruit présent sur le signal de sortie du détecteur et en maximisant la responsivité. Pour maximiser la responsivité, il est classique d'utiliser un maximum de surface de chaque pixel pour former le micro-bolomètre en disposant, sous le micro-bolomètre, les composants formant le circuit d'adressage au circuit de lecture.
Ainsi, il est actuellement possible d'obtenir un NETD inférieur à 50 mK avec un temps d'intégration pour une ligne ou une colonne de 64ps.
Le temps d'intégration étant directement lié à la responsivité et au NETD, il n'est pas possible de réduire ce temps d'intégration sans dégrader le NEDT, même si les nouvelles technologies de fabrication permettent d'obtenir des micro-bolomètres avec des constantes de temps réduites. Il s'ensuit que les micro-bolomètres actuels ne permettent pas de capter rapidement une image infrarouge car le circuit de lecture doit parcourir les lignes ou les colonnes pour former une image avec un temps d'intégration qu'il n'est pas possible de réduire.
Dans les domaines du visible ou de l'infrarouge refroidi, il existe des capteurs dans lesquels chaque pixel intègre un circuit de mesure de sorte à obtenir une capture simultanée de l'état de tous les pixels d'un capteur.
8 Cependant, dans le domaine de l'infrarouge non refroidi, le montage intégrateur à CTIA de pied de colonne associé au pont bolométrique nécessite une circuiterie électronique qui ne peut être intégrée dans la surface d'un pixel. En effet, le montage intégrateur du circuit de lecture nécessite l'utilisation d'un micro-bolomètre thermalisé afin de réaliser un ébasage du courant d'intégration et de compenser les variations de température du substrat.
Or, en disposant un micro-bolomètre thermalisé au substrat à côté d'un micro-bolomètre d'imagerie dans chaque pixel, la surface du micro-bolomètre d'imagerie serait nécessairement réduite car le micro-bolomètre d'imagerie et le micro-bolomètre thermalisé
doivent être réalisés en suspension au-dessus du substrat. Ainsi, en réduisant la surface du micro-bolomètre d'imagerie, le NEDT serait également réduit.
Le problème technique de l'invention consiste à améliorer la vitesse d'acquisition d'une image infrarouge tout en conservant les performances actuelles des capteurs infrarouges, c'est-à-dire un NETD inférieur ou égal à 50 mIC.
EXPOSE DE L'INVENTION
Afin de résoudre ce problème technique, l'invention propose d'intégrer un circuit de lecture dans chaque pixel avec un montage intégrateur comportant peu de composants.
Pour intégrer ce circuit de lecture, l'invention propose également un montage permettant de déporter le micro-bolomètre thermalisé en dehors de chaque pixel. Ainsi, un micro-bolomètre thermalisé ou un ensemble de micro-bolomètres thennalisés peuvent être utilisés pour réaliser l'ébasage en courant de plusieurs, voire de tous les pixels, du capteur infrarouge.
A cet effet, l'invention concerne un capteur infrarouge comportant un ensemble de pixels juxtaposés en lignes et en colonnes, chaque pixel intégrant un micro-bolomètre d'imagerie connecté entre une tension de référence et un noeud d'intégration par l'intermédiaire d'un transistor d'injection dont une tension de grille permet de fixer une tension aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie de sorte que les variations de résistance micro-bolomètre d'imagerie, dues aux rayonnements infrarouges, entrainent une variation d'un courant traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie.
Or, en disposant un micro-bolomètre thermalisé au substrat à côté d'un micro-bolomètre d'imagerie dans chaque pixel, la surface du micro-bolomètre d'imagerie serait nécessairement réduite car le micro-bolomètre d'imagerie et le micro-bolomètre thermalisé
doivent être réalisés en suspension au-dessus du substrat. Ainsi, en réduisant la surface du micro-bolomètre d'imagerie, le NEDT serait également réduit.
Le problème technique de l'invention consiste à améliorer la vitesse d'acquisition d'une image infrarouge tout en conservant les performances actuelles des capteurs infrarouges, c'est-à-dire un NETD inférieur ou égal à 50 mIC.
EXPOSE DE L'INVENTION
Afin de résoudre ce problème technique, l'invention propose d'intégrer un circuit de lecture dans chaque pixel avec un montage intégrateur comportant peu de composants.
Pour intégrer ce circuit de lecture, l'invention propose également un montage permettant de déporter le micro-bolomètre thermalisé en dehors de chaque pixel. Ainsi, un micro-bolomètre thermalisé ou un ensemble de micro-bolomètres thennalisés peuvent être utilisés pour réaliser l'ébasage en courant de plusieurs, voire de tous les pixels, du capteur infrarouge.
A cet effet, l'invention concerne un capteur infrarouge comportant un ensemble de pixels juxtaposés en lignes et en colonnes, chaque pixel intégrant un micro-bolomètre d'imagerie connecté entre une tension de référence et un noeud d'intégration par l'intermédiaire d'un transistor d'injection dont une tension de grille permet de fixer une tension aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie de sorte que les variations de résistance micro-bolomètre d'imagerie, dues aux rayonnements infrarouges, entrainent une variation d'un courant traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie.
9 L'invention se caractérise en ce que ledit capteur infrarouge comporte, sous la surface de chaque pixel, un montage intégrateur comportant :
un transistor monté en amplificateur entre ledit noeud d'intégration et un noeud de sortie ;
¨ et un condensateur monté en contre-réaction sur ledit transistor entre ledit noeud de sortie et ledit noeud d'intégration ;
ledit n ud d'intégration étant connecté à un transistor d'ébasage fonctionnant en miroir de courant avec un transistor de commande d'ébasage déporté en dehors dudit pixel, un courant d'ébasage traversant ledit transistor de commande d'ébasage étant commandé en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé, ledit montage en miroir de courant permettant de transmettre ledit courant d'ébasage traversant ledit transistor de commande d'ébasage sur ledit noeud d'intégration de sorte que ledit condensateur intègre la différence entre ledit courant traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie et ledit courant d'ébasage.
L'invention permet ainsi d'intégrer un circuit de lecture dans chaque pixel afin de réaliser une lecture simultanée des pixels du capteur infrarouge. Avec cette lecture simultanée des pixels, l'invention permet d'obtenir un détecteur infrarouge fonctionnant avec un temps d'intégration équivalent au temps trame. Celui-ci peut avantageusement être amélioré et permet d'acquérir jusqu'à 500 images par seconde avec un NETD inférieur ou égal à 50 mK.
Dans l'état de la technique, pour obtenir un NETD inférieur ou égal à 50 mK, le temps ligne est environ de 64 images par seconde alors que le courant de polarisation du micro-bolomètre d'imagerie est de l'ordre de quelque micro ampères.
Ce courant de polarisation est fonction de la tension imposée aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie et de la résistivité obtenue par construction du micro-bolomètre d'imagerie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le micro-bolomètre d'imagerie présente une résistance comprise entre 40 et 60 MU pour une température de 30 C. Dans l'état de la technique, un micro-bolomètre d'imagerie comporte classiquement une résistance sensiblement égale à 1 mn à température ambiante. L'utilisation de cette résistance beaucoup plus importante permet de modifier le point de fonctionnement et, notamment, le courant de polarisation du micro-bolomètre d'imagerie.
un transistor monté en amplificateur entre ledit noeud d'intégration et un noeud de sortie ;
¨ et un condensateur monté en contre-réaction sur ledit transistor entre ledit noeud de sortie et ledit noeud d'intégration ;
ledit n ud d'intégration étant connecté à un transistor d'ébasage fonctionnant en miroir de courant avec un transistor de commande d'ébasage déporté en dehors dudit pixel, un courant d'ébasage traversant ledit transistor de commande d'ébasage étant commandé en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé, ledit montage en miroir de courant permettant de transmettre ledit courant d'ébasage traversant ledit transistor de commande d'ébasage sur ledit noeud d'intégration de sorte que ledit condensateur intègre la différence entre ledit courant traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie et ledit courant d'ébasage.
L'invention permet ainsi d'intégrer un circuit de lecture dans chaque pixel afin de réaliser une lecture simultanée des pixels du capteur infrarouge. Avec cette lecture simultanée des pixels, l'invention permet d'obtenir un détecteur infrarouge fonctionnant avec un temps d'intégration équivalent au temps trame. Celui-ci peut avantageusement être amélioré et permet d'acquérir jusqu'à 500 images par seconde avec un NETD inférieur ou égal à 50 mK.
Dans l'état de la technique, pour obtenir un NETD inférieur ou égal à 50 mK, le temps ligne est environ de 64 images par seconde alors que le courant de polarisation du micro-bolomètre d'imagerie est de l'ordre de quelque micro ampères.
Ce courant de polarisation est fonction de la tension imposée aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie et de la résistivité obtenue par construction du micro-bolomètre d'imagerie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le micro-bolomètre d'imagerie présente une résistance comprise entre 40 et 60 MU pour une température de 30 C. Dans l'état de la technique, un micro-bolomètre d'imagerie comporte classiquement une résistance sensiblement égale à 1 mn à température ambiante. L'utilisation de cette résistance beaucoup plus importante permet de modifier le point de fonctionnement et, notamment, le courant de polarisation du micro-bolomètre d'imagerie.
10 Dans l'état de la technique, le courant de quelque micro ampères entraîne un auto-échauffement du micro-bolomètre d'imagerie. L'utilisation d'un circuit de lecture intégré
dans chaque pixel permet d'utiliser un temps d'intégration variable de quelques dizaines de microsecondes à plusieurs millisecondes et le point de de polarisation du détecteur peut être réduit drastiquement pour conserver un NETD inférieur ou égal à 50 mK.
Pour se faire, il est possible d'utiliser un courant de polarisation cinquante fois plus faible que dans l'état de la technique, ce qui ne conduit pas le micro-bolomètre d'imagerie dans sa zone d'emballement thermique.
La modification du point de fonctionnement permet d'obtenir un mode de fonctionnement continu , c'est-à-dire sans utiliser de phases de pré-charge. Le fonctionnement du capteur infrarouge peut donc entièrement être modifié car l'état de la technique des détecteurs non refroidis met en oeuvre un fonctionnement pulsé avec des phases de lecture et des phases de pré-charge pour limiter l'emballement thermique des micro-bolomètres d'imagerie.
Selon un mode de réalisation, le courant d' ébasage est compris entre 50 et 200 nano ampères.
Le fait de réduire la polarisation à quelques dizaines de nanoampères implique que la technologie CMOS utilisée dans ce mode de réalisation ne doit pas introduire de courants de fuite des transistors CMOS, susceptibles de perturber le courant intégré au niveau de chaque pixel. Certaines technologies CMOS ont des courants de fuite des transistors de quelques nanoampères bien que ceux-ci soient bloqués électriquement, le choix de la technologie est donc un point très important. De préférence, la technologie CMOS doit permettre d'obtenir des transistors avec un courant de fuite inférieur à lnA
En outre, l'utilisation d'un courant de polarisation très faible permet de limiter la consommation du circuit de lecture et, ainsi, de limiter la consommation globale du détecteur infrarouge. En effet, contrairement aux dispositifs classiques dans lesquels des circuits de lecture sont disposés pour chaque colonne du détecteur infrarouge, l'utilisation d'un circuit de lecture par pixel risque d'augmenter la consommation du détecteur infrarouge. En utilisant un courant de polarisation beaucoup plus faible que ceux utilisés dans l'état de la technique, ce mode de réalisation permet de maîtriser la consommation du détecteur infrarouge.
dans chaque pixel permet d'utiliser un temps d'intégration variable de quelques dizaines de microsecondes à plusieurs millisecondes et le point de de polarisation du détecteur peut être réduit drastiquement pour conserver un NETD inférieur ou égal à 50 mK.
Pour se faire, il est possible d'utiliser un courant de polarisation cinquante fois plus faible que dans l'état de la technique, ce qui ne conduit pas le micro-bolomètre d'imagerie dans sa zone d'emballement thermique.
La modification du point de fonctionnement permet d'obtenir un mode de fonctionnement continu , c'est-à-dire sans utiliser de phases de pré-charge. Le fonctionnement du capteur infrarouge peut donc entièrement être modifié car l'état de la technique des détecteurs non refroidis met en oeuvre un fonctionnement pulsé avec des phases de lecture et des phases de pré-charge pour limiter l'emballement thermique des micro-bolomètres d'imagerie.
Selon un mode de réalisation, le courant d' ébasage est compris entre 50 et 200 nano ampères.
Le fait de réduire la polarisation à quelques dizaines de nanoampères implique que la technologie CMOS utilisée dans ce mode de réalisation ne doit pas introduire de courants de fuite des transistors CMOS, susceptibles de perturber le courant intégré au niveau de chaque pixel. Certaines technologies CMOS ont des courants de fuite des transistors de quelques nanoampères bien que ceux-ci soient bloqués électriquement, le choix de la technologie est donc un point très important. De préférence, la technologie CMOS doit permettre d'obtenir des transistors avec un courant de fuite inférieur à lnA
En outre, l'utilisation d'un courant de polarisation très faible permet de limiter la consommation du circuit de lecture et, ainsi, de limiter la consommation globale du détecteur infrarouge. En effet, contrairement aux dispositifs classiques dans lesquels des circuits de lecture sont disposés pour chaque colonne du détecteur infrarouge, l'utilisation d'un circuit de lecture par pixel risque d'augmenter la consommation du détecteur infrarouge. En utilisant un courant de polarisation beaucoup plus faible que ceux utilisés dans l'état de la technique, ce mode de réalisation permet de maîtriser la consommation du détecteur infrarouge.
11 Cette polarisation et l'amplification réalisée par le circuit de lecture sont deux éléments distinctifs entre l'invention et les circuits de lecture existants intégrés dans chaque pixel dans le domaine du visible. En effet, dans le domaine du visible, il n'est pas nécessaire d'appliquer une polarisation en tension ou une amplification pour lire la valeur de chaque pixel, si bien qu'il est beaucoup plus simple d'intégrer le circuit de lecture dans chaque pixel.
Le courant d'ébasage est obtenu par un montage en miroir de courant avec une partie déportée comportant au moins un micro-bolomètre thermalisé. Cette partie déportée est préférentiellement commune pour tous les pixels. Un seul micro-bolomètre thermalisé peut être utilisé pour former le courant d'ébasage.
En variante, plusieurs micro-bolomètres thermalisés peuvent être montés en parallèle au niveau de la partie déportée pour améliorer la précision du courant d'ébasage.
Par exemple, cinq micro-bolomètre thermalisés peuvent facilement être intégrés contrairement à l'état de la technique qui utilise un seul micro-bolomètre thermalisé, car il doit être dupliqué sur toutes les colonnes pour réaliser une intégration simultanée d'une même ligne.
Selon un mode de réalisation, la tension de grille du transistor d'injection est commandée en fonction d'un transistor de commande de polarisation, déporté en dehors dudit pixel, en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé.
Ainsi, de la même manière que pour le courant d'ébasage, la tension de grille du transistor d'injection peut être obtenue par cinq micro-bolomètres thermalisés montés en parallèle. Ce mode de réalisation permet de supprimer, plus efficacement que dans l'état de la technique, les variations liées à la température du substrat.
De préférence, la polarisation du transistor monté en amplificateur est réalisée par l'application d'une tension de référence au niveau d'une borne dudit transistor monté en amplificateur, opposée à celle reliée audit noeud de sortie.
La tension de référence est préférentiellement appliquée par un transistor monté en diode.
Ce mode de réalisation permet de limiter l'encombrement du circuit de lecture.
La tension aux bornes de la diode montée en directe est de l'ordre de 0,7V, suivant la technologie
Le courant d'ébasage est obtenu par un montage en miroir de courant avec une partie déportée comportant au moins un micro-bolomètre thermalisé. Cette partie déportée est préférentiellement commune pour tous les pixels. Un seul micro-bolomètre thermalisé peut être utilisé pour former le courant d'ébasage.
En variante, plusieurs micro-bolomètres thermalisés peuvent être montés en parallèle au niveau de la partie déportée pour améliorer la précision du courant d'ébasage.
Par exemple, cinq micro-bolomètre thermalisés peuvent facilement être intégrés contrairement à l'état de la technique qui utilise un seul micro-bolomètre thermalisé, car il doit être dupliqué sur toutes les colonnes pour réaliser une intégration simultanée d'une même ligne.
Selon un mode de réalisation, la tension de grille du transistor d'injection est commandée en fonction d'un transistor de commande de polarisation, déporté en dehors dudit pixel, en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé.
Ainsi, de la même manière que pour le courant d'ébasage, la tension de grille du transistor d'injection peut être obtenue par cinq micro-bolomètres thermalisés montés en parallèle. Ce mode de réalisation permet de supprimer, plus efficacement que dans l'état de la technique, les variations liées à la température du substrat.
De préférence, la polarisation du transistor monté en amplificateur est réalisée par l'application d'une tension de référence au niveau d'une borne dudit transistor monté en amplificateur, opposée à celle reliée audit noeud de sortie.
La tension de référence est préférentiellement appliquée par un transistor monté en diode.
Ce mode de réalisation permet de limiter l'encombrement du circuit de lecture.
La tension aux bornes de la diode montée en directe est de l'ordre de 0,7V, suivant la technologie
12 CMOS utilisée. Cette tension permet de fixer la valeur du niveau bas de saturation du CT1A, qui correspond à une réception d'un très faible niveau de flux infrarouge. Ce montage remplace avantageusement une solution avec une tension de référence qu'il faudrait distribuer à l'ensemble de la matrice.
Outre la polarisation du n ud d'intégration, ledit noeud de sortie est préférentiellement polarisé par l'application d'un courant compris entre 0,5 et 2 micro ampères.
En outre, le noeud de sortie est préférentiellement relié à un filtre à
capacités commutées constitué d'un interrupteur et d'un condensateur. Ce mode de réalisation permet de réduire la bande passante du bruit car cette dernière dépend de la valeur de la capacité du condensateur et de la fréquence d'intégration.
En sortie du filtre à capacités commutées, le montage présente préférentiellement un condensateur de lecture destinée à être chargé, après l'intégration, pour permettre la lecture de la tension résultante du circuit de lecture tout en réalisant une autre intégration. De préférence, les interrupteurs nécessaires pour former le filtre à capacités commutées et le transfert de charges dans le condensateur de lecture sont réalisés avec des transistors fonctionnant en commutation.
En outre, la sortie du circuit de lecture peut être composée d'un transistor monté en suiveur de tension. Ce mode de réalisation permet de faciliter l'adaptation d'impédance du signal de sortie.
De préférence, le pas de chaque pixel du capteur infrarouge et inférieur ou égal à 25 micromètres.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :
La figure 1 illustre un capteur infrarouge de l'état de la technique avec un circuit de lecture et d' ébasage disposé en pied de colonnes ;
Outre la polarisation du n ud d'intégration, ledit noeud de sortie est préférentiellement polarisé par l'application d'un courant compris entre 0,5 et 2 micro ampères.
En outre, le noeud de sortie est préférentiellement relié à un filtre à
capacités commutées constitué d'un interrupteur et d'un condensateur. Ce mode de réalisation permet de réduire la bande passante du bruit car cette dernière dépend de la valeur de la capacité du condensateur et de la fréquence d'intégration.
En sortie du filtre à capacités commutées, le montage présente préférentiellement un condensateur de lecture destinée à être chargé, après l'intégration, pour permettre la lecture de la tension résultante du circuit de lecture tout en réalisant une autre intégration. De préférence, les interrupteurs nécessaires pour former le filtre à capacités commutées et le transfert de charges dans le condensateur de lecture sont réalisés avec des transistors fonctionnant en commutation.
En outre, la sortie du circuit de lecture peut être composée d'un transistor monté en suiveur de tension. Ce mode de réalisation permet de faciliter l'adaptation d'impédance du signal de sortie.
De préférence, le pas de chaque pixel du capteur infrarouge et inférieur ou égal à 25 micromètres.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels :
La figure 1 illustre un capteur infrarouge de l'état de la technique avec un circuit de lecture et d' ébasage disposé en pied de colonnes ;
13 La figure 2 illustre le schéma électrique équivalent de lecture d'un micro-bolomètre d'imagerie de la figure 1;
La figure 3 illustre un circuit de lecture intégré sous un pixel d'un capteur infrarouge selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 4 illustre un circuit de commande d'ébasage déporté et destiné à
être connecté au circuit de lecture de la figure 3 selon un mode de réalisation de l'invention ; et La figure 5 illustre un circuit de commande de polarisation déporté et destiné
à être connecté
au circuit de lecture de la figure 3 selon un mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 3 illustre un circuit de lecture 11 d'un micro-bolomètre d'imagerie intégré sous la surface de chaque pixel d'un capteur infrarouge. La structure du micro-bolomètre d'imagerie est similaire à celle décrite dans l'état de la technique, c'est-à-dire qu'elle intègre une membrane sensible au rayonnement infrarouge dont la résistivité varie en fonction du rayonnement infrarouge capté par cette membrane. Cette membrane est reliée par au moins deux plots au circuit de lecture 11 illustré surfa figure 3.
Au sein de ce circuit de lecture 11, l'ensemble formé par les plots et la membrane est schématisé par la résistance bolométtique Rac qui correspond à la résistance variable du micro-bolomètre d'imagerie de chaque pixel. Contrairement aux membranes de l'état de la technique, la membrane du micro-bolomètre d'imagerie est réalisée de sorte que la résistance du micro-bolomètre d'imagerie est comprise entre 40 et 60 MO à température ambiante.
Typiquement, pour une température de 30 C, la membrane peut être réalisée pour présenter une résistance de 50 mn. Cette résistance spécifique peut être atteinte classiquement en adaptant l'épaisseur du matériau constituant la membrane et/ou le design de la membrane, par exemple la longueur des bras de soutien et de dissipation thermique.
Sous le micro-bolomètre d'imagerie, le substrat intègre un étage CMOS
comportant l'ensemble des autres composants illustrés sur le circuit de lecture 11 de la figure 3. Ce circuit de lecture 11 est, de préférence, réalisé avec des transistors présentant un courant de fuite inférieure à lnA.
La figure 3 illustre un circuit de lecture intégré sous un pixel d'un capteur infrarouge selon un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 4 illustre un circuit de commande d'ébasage déporté et destiné à
être connecté au circuit de lecture de la figure 3 selon un mode de réalisation de l'invention ; et La figure 5 illustre un circuit de commande de polarisation déporté et destiné
à être connecté
au circuit de lecture de la figure 3 selon un mode de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 3 illustre un circuit de lecture 11 d'un micro-bolomètre d'imagerie intégré sous la surface de chaque pixel d'un capteur infrarouge. La structure du micro-bolomètre d'imagerie est similaire à celle décrite dans l'état de la technique, c'est-à-dire qu'elle intègre une membrane sensible au rayonnement infrarouge dont la résistivité varie en fonction du rayonnement infrarouge capté par cette membrane. Cette membrane est reliée par au moins deux plots au circuit de lecture 11 illustré surfa figure 3.
Au sein de ce circuit de lecture 11, l'ensemble formé par les plots et la membrane est schématisé par la résistance bolométtique Rac qui correspond à la résistance variable du micro-bolomètre d'imagerie de chaque pixel. Contrairement aux membranes de l'état de la technique, la membrane du micro-bolomètre d'imagerie est réalisée de sorte que la résistance du micro-bolomètre d'imagerie est comprise entre 40 et 60 MO à température ambiante.
Typiquement, pour une température de 30 C, la membrane peut être réalisée pour présenter une résistance de 50 mn. Cette résistance spécifique peut être atteinte classiquement en adaptant l'épaisseur du matériau constituant la membrane et/ou le design de la membrane, par exemple la longueur des bras de soutien et de dissipation thermique.
Sous le micro-bolomètre d'imagerie, le substrat intègre un étage CMOS
comportant l'ensemble des autres composants illustrés sur le circuit de lecture 11 de la figure 3. Ce circuit de lecture 11 est, de préférence, réalisé avec des transistors présentant un courant de fuite inférieure à lnA.
14 Tel qu'illustré sur la figure 3, le circuit de lecture 11 présente un transistor d'injection N2 permettant de fixer la tension Vat aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie au moyen de sa tension de grille GAC. Ainsi, la tension Vac aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie est fixe et imposée via la tension de grille GAC par le montage de la figure 5. Par ailleurs, le micro-bolomètre d'imagerie est également connecté à une source de tension VDET, préférentiellement la masse du circuit de lecture 11. Dans l'exemple de la figure 3, le micro-bolomètre d'imagerie est connecté en bas du circuit de lecture 11 au moyen d'un transistor d'injection N2 de type NMOS En variante, la partie gauche du circuit peut être retournée et le micro-bolomètre d'imagerie peut être connecté par l'intermédiaire d'un transistor PMOS
en haut du circuit de lecture sans changer l'invention.
Outre la source reliée au micro-bolomètre d'imagerie, le drain du transistor d'injection N2 est connecté sur un noeud d'intégration Ne. Ce noeud d'intégration Ne est également connecté
à un transistor d'ébasage P1 de type PMOS. Ce transistor d'ébasage P1 est relié à une source de tension constante VSK. La tension de grille GCM de ce transistor d'ébasage P1 est connectée à un circuit déporté 19 (figure 4) permettant de transmettre une commande d'ébasage à tous les circuits de lecture 11 des différents pixels. En variante, plusieurs circuits déportés 19 peuvent être utilisés pour différents circuits de lecture intégrés sous différents pixels sans changer l'invention. En outre, la partie gauche du circuit peut être retournée et le transistor d'ébasage P1 peut être réalisé par un transistor NMOS sans changer l'invention.
Le noeud d'intégration Ne est également relié à la grille d'un transistor N4 monté en amplificateur de sorte à former un montage de type CT1A avec un condensateur Ont monté
en contre réaction entre un noeud de sortie No et le noeud d'intégration Ne Ainsi, le drain du transistor N4 est connecté sur le noeud de sortie No, alors que la grille de ce transistor N4 est connectée sur le noeud d'intégration Ne. Le noeud de sortie No est également connecté à un interrupteur RAZ permettant de court-circuiter le condensateur Ont pour remettre à zéro l'intégration.
Pour obtenir une tension constante équivalant au seuil de saturation inférieur d'un intégrateur de type CTIA, la source du transistor N4 est connectée à la tension constante VDET par l'intermédiaire d'une diode Dl. De préférence, cette diode Dl est réalisée par un transistor monté en diode.
en haut du circuit de lecture sans changer l'invention.
Outre la source reliée au micro-bolomètre d'imagerie, le drain du transistor d'injection N2 est connecté sur un noeud d'intégration Ne. Ce noeud d'intégration Ne est également connecté
à un transistor d'ébasage P1 de type PMOS. Ce transistor d'ébasage P1 est relié à une source de tension constante VSK. La tension de grille GCM de ce transistor d'ébasage P1 est connectée à un circuit déporté 19 (figure 4) permettant de transmettre une commande d'ébasage à tous les circuits de lecture 11 des différents pixels. En variante, plusieurs circuits déportés 19 peuvent être utilisés pour différents circuits de lecture intégrés sous différents pixels sans changer l'invention. En outre, la partie gauche du circuit peut être retournée et le transistor d'ébasage P1 peut être réalisé par un transistor NMOS sans changer l'invention.
Le noeud d'intégration Ne est également relié à la grille d'un transistor N4 monté en amplificateur de sorte à former un montage de type CT1A avec un condensateur Ont monté
en contre réaction entre un noeud de sortie No et le noeud d'intégration Ne Ainsi, le drain du transistor N4 est connecté sur le noeud de sortie No, alors que la grille de ce transistor N4 est connectée sur le noeud d'intégration Ne. Le noeud de sortie No est également connecté à un interrupteur RAZ permettant de court-circuiter le condensateur Ont pour remettre à zéro l'intégration.
Pour obtenir une tension constante équivalant au seuil de saturation inférieur d'un intégrateur de type CTIA, la source du transistor N4 est connectée à la tension constante VDET par l'intermédiaire d'une diode Dl. De préférence, cette diode Dl est réalisée par un transistor monté en diode.
15 Par ailleurs, le n ud de sortie est également relié à une source de courant connectée entre la tension constante VSK et le n ud de sortie No de sorte à appliquer un courant fixe, par exemple 1 A, sur le drain du transistor N4 et à polariser ce dernier.
Par exemple, le transistor d'injection N2 est polarisé avec un courant Inn de l'ordre de 100 nA.
Le courant lm circulant dans la résistance bolométrique flac correspond au courant de polarisation km additionné des variations de courant dues aux variations de résistance de la résistance bolométrique R. Au niveau du n ud d'intégration Ne, le courant de polarisation km est soustrait au courant Ikete, et seules les variations de courant dues aux variations de résistance de la résistance bolométrique Rat sont intégrées dans le condensateur Cit.
Au niveau du n ud de sortie No, le circuit de lecture 11 comporte également un filtre à
capacités commutées comportant un interrupteur PART et un condensateur Cpart connecté
entre l'interrupteur PART et la tension constante VDET. Lorsque l'interrupteur PART est fermé, les charges présentes dans le condensateur d'intégration Ont sont transférées dans le condensateur de stockage Cpart. Ensuite, l'interrupteur PART peut être ouvert et une nouvelle intégration peut être réalisée après fermeture de l'interrupteur RAZ
durant quelques micro secondes.
De la même manière, les charges présentes dans le condensateur Cpan peuvent ensuite être transférées vers un condensateur de lecture Oc, connecté entre un interrupteur SH et la tension constante VDET, lorsque l'interrupteur SH est fermé. La lecture de ce condensateur Ciee est obtenue par un transistor de sortie SF de type NMOS dont le drain est connecté à la tension VSK et la source est reliée à un signal de sortie VOUT par l'intermédiaire d'un interrupteur LEC(i,j).
Lorsque le capteur infrarouge demande la lecture du pixel correspondant au circuit de lecture de la figure 3, les coordonnées i et j du pixel dans la matrice sont utilisées pour commander l'interrupteur LECO,D et obtenir la valeur de tension aux bornes du condensateur Gee.
Par exemple, le transistor d'injection N2 est polarisé avec un courant Inn de l'ordre de 100 nA.
Le courant lm circulant dans la résistance bolométrique flac correspond au courant de polarisation km additionné des variations de courant dues aux variations de résistance de la résistance bolométrique R. Au niveau du n ud d'intégration Ne, le courant de polarisation km est soustrait au courant Ikete, et seules les variations de courant dues aux variations de résistance de la résistance bolométrique Rat sont intégrées dans le condensateur Cit.
Au niveau du n ud de sortie No, le circuit de lecture 11 comporte également un filtre à
capacités commutées comportant un interrupteur PART et un condensateur Cpart connecté
entre l'interrupteur PART et la tension constante VDET. Lorsque l'interrupteur PART est fermé, les charges présentes dans le condensateur d'intégration Ont sont transférées dans le condensateur de stockage Cpart. Ensuite, l'interrupteur PART peut être ouvert et une nouvelle intégration peut être réalisée après fermeture de l'interrupteur RAZ
durant quelques micro secondes.
De la même manière, les charges présentes dans le condensateur Cpan peuvent ensuite être transférées vers un condensateur de lecture Oc, connecté entre un interrupteur SH et la tension constante VDET, lorsque l'interrupteur SH est fermé. La lecture de ce condensateur Ciee est obtenue par un transistor de sortie SF de type NMOS dont le drain est connecté à la tension VSK et la source est reliée à un signal de sortie VOUT par l'intermédiaire d'un interrupteur LEC(i,j).
Lorsque le capteur infrarouge demande la lecture du pixel correspondant au circuit de lecture de la figure 3, les coordonnées i et j du pixel dans la matrice sont utilisées pour commander l'interrupteur LECO,D et obtenir la valeur de tension aux bornes du condensateur Gee.
16 Outre ces éléments présents au niveau de chaque pixel, les circuits illustrés sur les figures 4 et 5 sont préférentiellement mutualisés pour l'ensemble des pixels afin de fournir les tensions de grille GAC et GCM des transistors N2 et Pl.
La figure 4 illustre la génération de la tension de grille GCM au moyen d'un circuit 19 intégrant cinq micro-bolomètres thermalisés, de résistance équivalente Itun, montés en parallèle. De préférence, ces micro-bolomètres thermalisés sont réalisés de la même manière que les micro-bolomètres d'imagerie des pixels et présentent la même résistivité. Cependant, ces micro-bolomètres thermalisés sont isolés de la scène observée au moyen d'un écran de protection de sorte qu'ils captent uniquement les variations de température du substrat correspondant aux variations de température du plan focal de l'image.
Dans l'état de la technique, un micro-bolomètre thermalisé est utilisé au niveau de chaque circuit de lecture de chaque colonne : il y a donc autant de micro-bolomètres thermalisés que de colonnes de la matrice. Dans l'invention, ces cinq micro-bolomètres thermalisés suffissent pour fournir toutes les tensions de grilles GCM, ce qui réduit de manière significative la surface utilisée autour des pixels pour former ces micro-bolomètres thermalisés tout en améliorant la précision du courant d'ébasage Ica' en moyennant le courant traversant plusieurs micro-bolomètres thermalisés.
Dans le circuit 19, une tension Vav issue d'un convertisseur digital analogique, non représenté, permet d'ajuster les tensions de grille GCM et, plus particulièrement, le courant hm destiné à circuler entre le transistor Pl et le noeud d'intégration Ne de chaque circuit de lecture 11 Pour ce faire, les cinq micro-bolomètres thermalisés sont connectés entre la tension constante VDET et la source d'un transistor Ni de type NIvIOS.
La grille de ce transistor Ni est connectée sur la sortie d'un amplificateur opérationnel, dont l'entrée positive est reliée à la tension Vav et l'entrée négative est connectée sur la source de ce transistor Ni, Le drain du transistor Ni est connecté au drain d'un transistor Plb de type PMOS La source de ce transistor Plb est connectée à la tension constante VSK
et la tension de grille de ce transistor Plb permet de fournir la tension GCM
La figure 4 illustre la génération de la tension de grille GCM au moyen d'un circuit 19 intégrant cinq micro-bolomètres thermalisés, de résistance équivalente Itun, montés en parallèle. De préférence, ces micro-bolomètres thermalisés sont réalisés de la même manière que les micro-bolomètres d'imagerie des pixels et présentent la même résistivité. Cependant, ces micro-bolomètres thermalisés sont isolés de la scène observée au moyen d'un écran de protection de sorte qu'ils captent uniquement les variations de température du substrat correspondant aux variations de température du plan focal de l'image.
Dans l'état de la technique, un micro-bolomètre thermalisé est utilisé au niveau de chaque circuit de lecture de chaque colonne : il y a donc autant de micro-bolomètres thermalisés que de colonnes de la matrice. Dans l'invention, ces cinq micro-bolomètres thermalisés suffissent pour fournir toutes les tensions de grilles GCM, ce qui réduit de manière significative la surface utilisée autour des pixels pour former ces micro-bolomètres thermalisés tout en améliorant la précision du courant d'ébasage Ica' en moyennant le courant traversant plusieurs micro-bolomètres thermalisés.
Dans le circuit 19, une tension Vav issue d'un convertisseur digital analogique, non représenté, permet d'ajuster les tensions de grille GCM et, plus particulièrement, le courant hm destiné à circuler entre le transistor Pl et le noeud d'intégration Ne de chaque circuit de lecture 11 Pour ce faire, les cinq micro-bolomètres thermalisés sont connectés entre la tension constante VDET et la source d'un transistor Ni de type NIvIOS.
La grille de ce transistor Ni est connectée sur la sortie d'un amplificateur opérationnel, dont l'entrée positive est reliée à la tension Vav et l'entrée négative est connectée sur la source de ce transistor Ni, Le drain du transistor Ni est connecté au drain d'un transistor Plb de type PMOS La source de ce transistor Plb est connectée à la tension constante VSK
et la tension de grille de ce transistor Plb permet de fournir la tension GCM
17 En outre, ce transistor P1b est monté en contre réaction avec la grille reliée au drain de sorte à former, avec le transistor P1, un miroir de courant dans lequel le courant 'cm obtenu par les micro-bolomètres thermalisés est recopié entre le transistor P1 et le n ud d'intégration Ne. Si le montage de gauche du circuit de lecture 11 de la figure 3 est retourné, ce circuit 19 doit également être retourné.
Le montage de la figure 5 est proche de celui de la figure 4 à ceci près que la tension de grille GAC, n'est pas extraite au niveau de la grille du transistor PMOS P2, mais au niveau de la grille du transistor NMOS N2b. La tension Vac imposée à l'entrée de l'amplificateur opérationnel permet de fixer la tension aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie par un fonctionnement en miroir de courant entre les transistors N2 et N2b.
De la même manière, le courant Itin2 est recopié par un montage en miroir de courant entre les transistors N2 de la figure 3 et N2b du circuit 21 de la figure 5.
Cependant, le courant Iew circulant dans la résistance bolométrique Ra c n'est pas directement équivalent à lima car celui-ci dépend de l'échauffement du micro-bolomètre d'imagerie provoqué par le flux infrarouge.
Ainsi, avec ces éléments très peu nombreux, l'invention permet d'obtenir une lecture très précise de tous les pixels d'un capteur infrarouge.
En outre, les éléments du circuit de lecture 11 de la figure 3 peuvent être intégrés sous la surface de chaque pixel de sorte à obtenir une lecture simultanée de tous les pixels d'une image infrarouge. Ce faisant, la vitesse d'acquisition des images infrarouges s'en trouve significativement optimisée, notamment pour des résolutions importantes (et par exemple 1280 x 1024 pixels).
Le montage de la figure 5 est proche de celui de la figure 4 à ceci près que la tension de grille GAC, n'est pas extraite au niveau de la grille du transistor PMOS P2, mais au niveau de la grille du transistor NMOS N2b. La tension Vac imposée à l'entrée de l'amplificateur opérationnel permet de fixer la tension aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie par un fonctionnement en miroir de courant entre les transistors N2 et N2b.
De la même manière, le courant Itin2 est recopié par un montage en miroir de courant entre les transistors N2 de la figure 3 et N2b du circuit 21 de la figure 5.
Cependant, le courant Iew circulant dans la résistance bolométrique Ra c n'est pas directement équivalent à lima car celui-ci dépend de l'échauffement du micro-bolomètre d'imagerie provoqué par le flux infrarouge.
Ainsi, avec ces éléments très peu nombreux, l'invention permet d'obtenir une lecture très précise de tous les pixels d'un capteur infrarouge.
En outre, les éléments du circuit de lecture 11 de la figure 3 peuvent être intégrés sous la surface de chaque pixel de sorte à obtenir une lecture simultanée de tous les pixels d'une image infrarouge. Ce faisant, la vitesse d'acquisition des images infrarouges s'en trouve significativement optimisée, notamment pour des résolutions importantes (et par exemple 1280 x 1024 pixels).
Claims (11)
- REVENDICATIONS
I. Capteur infrarouge comportant un ensemble de pixels (11) juxtaposés en lignes et en colonnes, chaque pixel (11) intégrant un micro-bolomètre d'imagerie (Rac) connecté
entre une tension de référence (VDET) et un nceud d'intégration (Ne) par l'intermédiaire d'un transistor d'injection (N2) dont une tension de grille (GAC) permet de fixer une tension (Vac) aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie (Rac), de sorte que les variations de résistance du micro-bolomètre d'imagerie (Rac), dues au rayonnement infrarouge, entrainent une variation d'un courant (lac) traversant ledit mi cro-bolomètre d' imagerie (Rac), caractérisé en ce que le capteur infrarouge comporte, sous la surface de chaque pixel (11), un montage intégrateur comportant :
= un transistor (N4) monté en amplificateur entre ledit n ud d'intégration (Ne) et un nceud de sortie (No) ; et = un condensateur (Cnu) monté en contre-réaction sur ledit transistor (N4) entre ledit n ud de sortie (No) et ledit n ud d'intégration (Ne) ;
ledit n ud d'intégration (Ne) étant connecté à un transistor d'ébasage (P1) fonctionnant en miroir de courant avec un transistor de commande d'ébasage (P1b) déporté en dehors dudit pixel (11), un courant d' ébasage (km) traversant ledit transistor de commande d'ébasage (P1b) étant commandé en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé (lion), ledit montage en miroir de courant permettant de transmettre le courant d'ébasage (km) traversant le transistor de commande d'ébasage (P1b) sur le nceud d'intégration (Ne) de sorte que ledit condensateur (Cini) intègre la différence entre ledit courant (lac) traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie (Rac) et ledit courant d'ébasage - 2. Capteur infrarouge selon la revendication 1, dans lequel la tension de grille (GAC) du transistor d'injection (N2) est commandée en fonction d'un transistor de commande de polarisation (N2b), déporté en dehors dudit pixel (11), en fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé (Rau).
- 3. Capteur infrarouge selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le courant d'ébasage (km) est compris entre 50 et 200 nano ampères.
- 4. Capteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel ledit capteur infrarouge comporte des transistors (NI, N2, N2b, N4, P1, Plb, P2, SF) présentant un courant de fuite inférieur à 1nA.
- 5. Capteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le micro-bolomètre d'imagerie (IL) présente une résistance comprise entre 40 et 60 Mi/
pour une température de 30 C. - 6. Capteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel une polarisation du transistor (N4) monté en amplificateur est réalisée par l'application d'une tension de référence (VBUS) au niveau d'une borne dudit transistor (N4) monté en amplificateur, opposée à la borne reliée audit noeud de sortie (No).
- 7. Capteur infrarouge selon la revendication 6, dans lequel la tension de référence (VBUS) est appliquée par un transistor (D1) monté en diode.
- 8. Capteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel le noeud de sortie (No) est polarisé par l'application d'un courant de polarisation (Ipo) compris entre 0,5 et 2 micro ampères.
- 9. Capteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le nceud de sortie (No) est relié à un filtre à capacités commutées constitué d'un interrupteur (PART) et d'un condensateur (Cpan).
- 10. Capteur infrarouge selon la revendication 9, dans lequel le filtre à
capacités commutées est relié à un condensateur de lecture (Cbx) destiné à être chargé, après l'intégration, pour permettre une lecture d'une tension tout en réalisant une autre intégration. - 11. Capteur infrarouge selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel le n ud de sortie (No) est relié à un transistor (SF) monté en suiveur de tension
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