CN110440930B

CN110440930B - 一种低噪声红外检测器结构、芯片及其测试方法

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Publication number: CN110440930B
Application number: CN201910733252.8A
Authority: CN
Inventors: 康晓旭; 蒋宾
Original assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2021-11-19
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: CN110440930A

Abstract

一种低噪声红外检测器结构及具有该结构的晶圆，该结构包括像元阵列、补正单元和输出放大单元；补正单元包括补偿映射关系模块、控制接口模块和盲元调节模块；盲元调节模块串接在像元阵列每一列所对应的盲元与接地端之间，盲元调节模块为多个串接的电阻和开关组，电阻和开关组为一个电阻和一个开关的并联结构，盲元调节模块中开关的断开/闭合状态决定了盲元调节模块的电阻值；其中，补偿映射关系模块用于存储所述电阻和开关组中开关的断开/闭合状态组合与工艺条件参数的映射关系，当低噪声红外检测器结构制作完成后，控制接口模块接收工艺条件参数，根据映射关系控制各电阻和开关组中开关的断开/闭合。

Description

一种低噪声红外检测器结构、芯片及其测试方法

技术领域

本发明涉及集成电路及逻辑电路的设计领域，具体涉及一种低噪声红外检测器结构、芯片及其测试方法。

背景技术

红外检测器是热成像系统的核心部件，是检测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。红外检测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，检测距离较远，主要应用于高端军事装备，并且，红外检测器具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低和启动快等优点。近年来，随着红外检测器技术的不断进步和制造成本的逐渐下降，其性价比快速提升，为推动红外检测器的大规模市场应用创造了良好条件。

然而，随着红外检测器产品技术和市场的发展，其阵列越来越大，关键尺寸越来越小，由于工艺过程和材料等各种因数所产生的噪声，会引起像元阵列较大的非均匀性偏差，从而造成芯片性能的下降。因此，在业界对检测器单元结构及其优化设计等方面提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低噪声红外检测器结构及具有该结构的晶圆，其通过对本底噪声的预处理和/或在电路中增加补正单元，使得能够对工艺条件参数引起的偏差所造成的噪声进行消除。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种低噪声红外检测器结构，包括X*Y像元阵列和输出放大单元，所述像元阵列包括X*Y个像元、行选单元、列选单元、第一输出选通控制信号、第二输出选通控制信号和Y个盲元，所述X*Y个像元通过行选单元和列选单元分别同上述Y个盲元串接，所述输出放大单元输出所述像元阵列中所述像元的温度输出值；其还包括补正单元，所述补正单元包括补偿映射关系模块、控制接口模块和盲元调节模块；所述盲元调节模块串接在所述像元阵列每一列所对应的盲元与接地端之间，所述盲元调节模块为N个串接的电阻和开关组，所述电阻和开关组为一个电阻和一个开关的并联结构，所述盲元调节模块中开关的断开/闭合状态决定了所述盲元调节模块的电阻值，其中，所述N为正整数；所述补偿映射关系模块用于存储所述N个串接的电阻和开关组中开关的断开/闭合状态组合与工艺条件参数的映射关系，所述控制接口模块接收所述工艺条件参数，并根据所述映射关系控制各所述电阻和开关组中开关的断开/闭合。

进一步地，所述盲元的电阻值小于所述像元的电阻值，所述盲元调节模块的电阻值总和小于所述盲元的电阻值，所述N个串接的电阻和开关组中的电阻按照电阻值从大到小的顺序排列。

进一步地，所述N个串接的电阻和开关组中的电阻是按最小单元的倍数排列的，其中，所述最小单元为所述盲元电阻值的百分之L，其中，所述L为大于0且小于等于50的数值。

进一步地，所述最小单元为所述盲元电阻值的0.1％，所述的N为7，所述电阻和开关组中的电阻值分别为所述最小单元的1、2、4、8、16、32和64倍。

进一步地，所述盲元调节模块中的开关为MOS晶体管或EPROM。

为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：

一种具有上述低噪声红外检测器结构的芯片，其还包括：

存储模块，用于接收并存储M个输出噪声矩阵；其中，所述M为正整数，所述M个输出噪声矩阵对应M个预设温度，所述预设温度为标准被检测对象的恒定温度，所述M个预设温度的间隔相同；

噪声补偿模块，用于检测实际被检测对象像素阵列的温度输出值，并采用所述M个输出噪声矩阵中的一个或多个，对所述被检测对象像素阵列的温度输出值进行偏差补偿，其中，所述输出噪声矩阵中的一个噪声本底与一个所述输出放大单元的温度输出值呈一一对应关系。

进一步地，所述芯片还包括：

网格分类产生模块，其将被检测对象的所述像素阵列的温度输出值进行网格分类，即依次判断所述像素阵列中相邻像素的温度输出值与所述M个预设温度中某个预设温度对应的温度输出值的偏差是否小于等于一预设阈值，如果是，将相邻的所述像素阵列的温度输出值归为同一网格分类中，如果不是，继续进入下一轮的匹配，直到完成所有所述像素阵列的温度输出值的判断，以形成所述温度输出值的网格分类；其中，所述预设阈值为所述M个预设温度的间隔的二分之一；以及所述噪声补偿模块将归为同一网格分类中所述温度输出值，减去与其匹配的所述温度值对应的所述输出噪声矩阵中相应位置的噪声本底，得到偏差局部补偿后的所述输出放大单元输出的温度输出值。

进一步地，若所述像素阵列的温度输出值大于所述预设温度的最大温度值，那么，将所述像素阵列的温度输出值归为所述最大温度值所对应的网格分类中，若所述像素阵列的温度输出值小于所述预设温度的最小温度值，那么，将所述像素阵列的温度输出值归为所述最小温度值所对应的网格分类中。

进一步地，所述M个预设温度间隔为等间隔；所述M个预设温度的间隔小于等于5℃。

为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：

一种对上述低噪声红外检测器结构芯片的测试方法，其包括如下步骤：

步骤S1：利用标准黑体依次对所述低噪声红外检测器结构建立与M个预设温度相对应的M个输出噪声矩阵，其中，所述预设温度为标准被检测对象的恒定温度，所述M个预设温度的间隔相同；所述输出噪声矩阵的建立步骤如下：

步骤S11：依次在M个预设温度条件下，检测得到低噪声红外检测器结构中像素阵列的温度输出值阵列；

步骤S12：计算所述温度输出值阵列中所有温度输出值的平均温度值；

步骤S13：将所有所述温度输出值阵列中的温度输出值减去所述平均温度值后得到每个所述预设温度下与所述像元对应的输出噪声矩阵；

步骤S2：在芯片工作时，将所述输出噪声矩阵输入并存储到具有低噪声红外检测器结构的芯片中；

步骤S3：采用所述低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象像素阵列的温度输出值，并采用所述M个输出噪声矩阵中的一个或多个对所述温度输出值进行补偿，其具体步骤如下：

步骤S31：采用所述低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象，得到所述像素阵列的温度输出值；

步骤S32：将所述像素阵列的温度输出值进行网格分类，即依次判断相邻所述像素阵列的温度输出值与所述预设温度间隔的一个温度值的偏差是否小于等于一预设阈值，如果是，归为同一网格分类中，如果不是，继续进入下一轮的匹配；

步骤S33：按所述预设温度间隔的每一个温度值与所述网格分类相对应的输出噪声矩阵，对所述网格分类中相应所述像素阵列的温度输出值进行补偿。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种低噪声红外检测器结构、芯片及其测试方法，低噪声红外检测器结构通过在电路中增加补正单元，对像元引起的工艺偏差等造成的噪声进行消除，以提高产品的性能；同时，在芯片工作时，通过对低噪声红外检测器结构在不同温度黑体测试下各种噪声及工艺偏差引起的非均匀性输出进行测试和存储记录，将像元阵列输出数据根据黑体噪声测试温度值进行网格划分并形成网格矩阵，对每一个网格内各个像元检测到的差异较小的温度输出值，与该温度输出值最近的黑体噪声测试温度值匹配，再将该网格内所有像元输出的数据均减掉相应输出噪声矩阵中的输出数据，从而大幅度降低各种噪声的影响。

附图说明

图1所示为本发明实施例中的低噪声红外检测器结构的示意图

图2所示为本发明实施例中的补正单元、像元和盲元在版图排布中的位置关系示意图

图3所示为本发明实施例中补正单元的具体电路示意图

图4所示为本发明实施例中的具有低噪声红外检测器结构的芯片示意图

图5所示为本发明实施例中所形成的温度输出值的网格分类示意图

具体实施方式

下面结合附图1-5，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，本发明通过采用本底噪声的预处理和/或在电路中增加补正单元，使得能够对工艺条件参数引起的偏差所造成的噪声进行消除。也就是说，在本发明的实施例中，可以单独采用本底噪声预处理的技术方案，也可以单独采用在电路中增加补正单元的技术方案，较佳的，是两者同时使用的技术方案。此外，本领域技术人员可以理解，本发明实施例中所揭示的补偿技术方案，可以用于将晶圆切割成具有低噪声红外检测器结构的芯片前，也可以用于将晶圆切割成具有低噪声红外检测器结构的芯片后。

为叙述清楚方便起见，下面以采用本底噪声的预处理和在电路中增加补正单元的技术方案同时使用为例进行说明。

具体地，请参阅图1，图1所示为本发明实施例中的低噪声红外检测器结构的示意图。如图所示，同现有技术相同的是，该低噪声红外检测器结构包括X*Y像元阵列和输出放大单元，像元阵列中的每一个模块可以包括像元(ACTIVE PIXEL)和盲元(BLIND PIXEL)，所述像元阵列包括X*Y个像元、行选单元、列选单元、第一输出选通控制信号(图中的控制信号1)、第二输出选通控制信号(图中的控制信号2)和Y个盲元，所述X*Y个像元通过行选单元和列选单元分别同上述Y个盲元串接，输出放大单元输出所述像元阵列中所述像元的温度输出值；同现有技术不同的是，该低噪声红外检测器结构还包括补正单元(其在附图中简称为补正单元)。

请参阅图2，图2所示为本发明实施例中的补正单元、像元和盲元在版图排布中的位置关系示意图。如图所示，该盲元位于补正单元和像元之间，补正单元紧邻盲元，排布在最上方。

具体地，该补正单元包括补偿映射关系模块、控制接口模块和盲元调节模块。本领域技术人员清楚，盲元关键尺寸较大，其均匀性较好，而像元关键尺寸较小，且均匀性偏差。因此，在本发明的实施例中，可以在盲元区域每一列对应的盲元上，串联上一电阻较小的盲元调节模块，该盲元调节模块串接在每一列所对应的盲元与接地端之间，对像元因工艺偏差所引起的噪声进行消除，以提高产品的性能。

在本发明的一些实施例中，该盲元调节模块可以包括多个串接的电阻和开关组，即一个电阻和开关组为一个电阻和一个开关的并联结构，电阻和开关组中开关的断开/闭合状态组合，决定了盲元调节模块的电阻值。也就是说，如果电阻和开关组中某几个开关断开，其余几个开关闭合，那么，该盲元调节模块的电阻值是包括所有断开开关所对应的电阻和开关组中的电阻值之和；换句话说，该盲元调节模块的电阻值是不包括所有短路开关所对应的电阻和开关组中的电阻值。

请参阅图3，图3所示为本发明实施例中补正单元的具体电路示意图。，如图所示，该补正单元包括俩4组电阻和开关组，该4组电阻和开关组中的电阻可以是按电阻值从大到小的顺序排列，且与盲元的电阻值相比，上述盲元调节模块的电阻值是比较小的。较佳地，可以将低噪声红外检测器结构中的盲元的电阻值设计成略低于像元设计电阻值，以保证盲元在加上盲元调节模块的电阻值是沿增加方向进行补正。

在本发明的一个较佳的实施例中，在制造低噪声红外检测器结构时，电阻和开关组中的电阻是按最小单元的倍数排列的，其中，最小单元可以为盲元电阻值的百分之几，例如，可以以标准盲元电阻值的0.1％为一个最小单元，设计一系列可变盲元调节模块的电阻值。假设有7个电阻和开关组有7组，该串接的7组电阻和开关组中的电阻值分别为最小单元的1、2、4、8、16、32和64倍。具体地，当某个像元由于工艺等原因造成与周边像元有偏差时，通过打开/闭合上述的开关的阵列组合，可以实现1-127之间的任意组合(如，选择3倍最小单元时，断开1倍和2倍最小单元的开关，短接其他开关，使得串联1倍最小单元加上2倍最小单元，共得到3倍最小单元)，即根据输出噪声大小，将上述单元开关阵列进行组合控制，实现对输出信号的补正，从而从结构上对相应的噪声进行消除。

请再参阅图3，如图所示，该补正单元可以具体表示成如左图。该补正单元包括俩4组电阻和开关组，该串接的4组电阻和开关组中的电阻值分别为最小单元的1、2、4、8。

需要说明的是，盲元调节模块通常设置于低噪声红外检测器结构中的，所述盲元调节模块中的开关可以采用金属氧化物半导体晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor，简称MOS)和可编程只读存储器(Erasable Programmable Read Only Memory，简称EPROM)。

补偿映射关系模块用于存储多组串接的电阻和开关组中开关的断开/闭合状态组合与工艺条件参数的对应关系，当低噪声红外检测器结构制作完成后，补偿控制接口接收工艺条件参数，根据所述映射关系控制各所述电阻和开关组中开关的断开/闭合。

在本发明的一些实施例中，补偿映射关系模块可以位于低噪声红外检测器结构中，控制接口可以接收人工输入的工艺条件参数，再或者，补偿映射关系模块可以设置于具有低噪声红外检测器结构的芯片上。

在本发明的实施例中，请参阅图4，图4所示为本发明实施例中的具有低噪声红外检测器结构芯片的示意图。如图4所示，该芯片除包括低噪声红外检测器结构外，至少还包括存储模块和噪声补偿模块。

存储模块用于接收并存储M个输出噪声矩阵；其中，M为正整数，M个输出噪声矩阵对应M个预设温度，预设温度为标准被检测对象的恒定温度，M个预设温度的间隔可以相同，或也可以为不等间隔设置；较佳地，M个预设温度的间隔小于等于5℃。

在本发明的实施例中，M个输出噪声矩阵可以通过预检测得到，该具体方法可以如下：如果假设M为10，预设温度的间隔为5℃，那么，首先利用标准黑体(标准被测对象)进行每隔5℃的测试，依次得到每个温度下的像素阵列中的每一个输出放大单元输出的温度输出值阵列，即得到10个温度输出值阵列(输出矩阵A05、输出矩阵A10、输出矩阵A15、输出矩阵A20、输出矩阵A30、输出矩阵A35、输出矩阵A40、输出矩阵A45、输出矩阵A50、输出矩阵A55)。

输出噪声矩阵的建立步骤如下：

步骤S12：计算温度输出值阵列中所有温度输出值的平均温度值；

步骤S13：将所有温度输出值阵列中的温度输出值减去平均温度值后得到每个预设温度下与所述像元对应的输出噪声矩阵。

例如，阵列是640X480的产品，其在5℃下标准黑体测试下得到输出的温度输出值阵列为输出矩阵A05(640X480的矩阵)，计算输出矩阵A05中所有温度输出值的平均值，将A05矩阵中的所有温度输出值减掉该平均值得到输出噪声矩阵N05；同理，10℃下得到输出矩阵A10，将A10矩阵中的所有温度输出值减掉该平均值得到输出噪声矩阵N10，依次类推，可以得到阵列640X480产品的其它输出噪声矩阵，在此不再赘述。

需要说明的是，较佳地，M个预设温度的间隔小于等于5℃，并且是越小越好，也就是说，M的值越大越好。在芯片工作时，将输出噪声矩阵输入并存储到具有低噪声红外检测器结构的芯片中，例如，存储器件中。

另外，本领域技术人员清楚，输出噪声矩阵的数字值可以用电压值表述，也可以用温度值表述，两者之间是可以换算的，只是根据单位需求的不同而不同。M个输出噪声矩阵完成后，噪声补偿模块就可以采用低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象像素阵列的温度输出值，并采用M个输出噪声矩阵中的一个或多个，对输出放大单元输出的温度输出值进行偏差补偿，其中，输出噪声矩阵中的一个噪声本底与一个输出放大单元的输出值呈一一对应关系。

需要说明的是，M个输出噪声矩阵的选取可以根据以往工艺条件的经验进行，如果实际被检测对象的温度输出值比较集中在某一温度，那么就可以仅选取该温度相对应的输出噪声矩阵进行噪声补偿。

当然，在本发明的其它实施例中，也可以采用低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象像素阵列的温度输出值，并选用M个输出噪声矩阵中的多个输出噪声矩阵的平均值所形成的组合输出噪声矩阵，对温度输出值进行补偿。

在本发明的一些较佳实施例中，也可以采用低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象像素阵列的温度输出值，并选用M个输出噪声矩阵中的一个或多个输出噪声矩阵，对温度输出值进行局部补偿。

具体地，该芯片还可以包括网格分类产生模块，该网格分类产生模块将被检测对象的像素阵列的温度输出值进行网格分类，即依次判断所述像素阵列中相邻像素的温度输出值与所述M个预设温度中某个预设温度对应的温度输出值的偏差是否小于等于一预设阈值，如果是，将相邻的所述像素阵列的温度输出值归为同一网格分类中，如果不是，继续进入下一轮的匹配，直到完成所有所述像素阵列的温度输出值的判断，以形成所述温度输出值的网格分类；其中，预设阈值为M个预设温度的间隔的二分之一。

具体地，请参阅图4，图4所示为本发明实施例中将大于22.5℃以及小于等于27.5℃之间的相邻温度输出值(例如：接近某一温度值25℃时，并合归为一类网格所形成的温度输出值的网格分类示意图。

在该情况下，噪声补偿模块将归为同一网格分类中的温度输出值，减去与其匹配的温度值对应的输出噪声矩阵中的相应值，得到偏差局部补偿后的输出放大单元输出的温度输出值。

也就是说，与前述补偿不同的是，该实施例是局部补偿，即噪声补偿模块选取某些温度输出值集中的区域，有针对性采用与该温度输出值相匹配的输出噪声矩阵，进行局部补偿。

具体地，采用所述低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象像素阵列的温度输出值，并采用所述M个输出噪声矩阵中的一个或多个对所述温度输出值进行局部补偿，步骤如下：

步骤S31：采用低噪声红外检测器结构芯片检测实际被检测对象，得到像素阵列的温度输出值；

步骤S32：将像素阵列的温度输出值进行网格分类，即依次判断相邻像素阵列的温度输出值与所述预设温度间隔的一个的偏差是否小于等于一预设阈值，如果是，归为同一网格分类中，如果不是，继续进入下一轮的匹配；

步骤S33：按预设温度间隔的每一个温度值与网格分类相对应的输出噪声矩阵，对网格分类中相应像素阵列的温度输出值进行局部补偿。

在本发明的实施例中，对超出M个预设温度的数据，可以选择不补偿，也可以采用如下方式补偿，即若像素阵列的温度输出值大于预设温度间隔的最大温度值，那么，将像素阵列的温度输出值归为最大温度值所对应的网格分类中，若像素阵列的温度输出值小于预设温度间隔的最小温度值，那么，将像素阵列的温度输出值归为最小温度值所对应的网格分类中。

需要说明的是，上述的网格匹配可以只选取与M个预设温度中的一个或多个相接近的温度集中区域进行局部补偿，也可以依次对M个预设温度进行局部补偿。并且，上述的补偿方式可以根据需要任意组合，均可以包含在本发明的实施例中。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种低噪声红外检测器结构，包括X*Y像元阵列和输出放大单元，所述像元阵列包括X*Y个像元、行选单元、列选单元、第一输出选通控制信号、第二输出选通控制信号和Y个盲元，所述X*Y个像元通过行选单元和列选单元分别同上述Y个盲元串接，所述输出放大单元输出所述像元阵列中所述像元的温度输出值；其特征在于，所述行选单元为PMOS晶体管、所述列选单元为NMOS晶体管，所述PMOS晶体管的源极接所述像元的一端，所述PMOS晶体管的漏极和所述NMOS晶体管的漏极连接在一起与所述输出放大单元的负输入端相连，所述NMOS晶体管的源极接所述盲元的一端；并且还包括用于噪声补正的补正单元，所述补正单元串接在所述盲元的另一端和地之间，所述补正单元包括补偿映射关系模块、控制接口模块和盲元调节模块；所述盲元调节模块串接在所述像元阵列每一列所对应的盲元与接地端之间，所述盲元调节模块为N个串接的电阻和开关组，所述电阻和开关组为一个电阻和一个开关的并联结构，所述盲元调节模块中开关的断开/闭合状态决定了所述盲元调节模块的电阻值，其中，所述N为正整数；所述补偿映射关系模块用于存储所述N个串接的电阻和开关组中开关的断开/闭合状态组合与工艺条件参数的映射关系；所述控制接口模块接收所述工艺条件参数，并根据所述映射关系控制各所述电阻和开关组中开关的断开/闭合；所述盲元的电阻值小于所述像元的电阻值，所述盲元调节模块的电阻值总和小于所述盲元的电阻值，所述N个串接的电阻和开关组中的电阻按照电阻值从大到小的顺序排列；所述N个串接的电阻和开关组中的电阻是按最小单元的倍数排列的，其中，所述最小单元为所述盲元电阻值的百分之L，其中，所述L为大于0且小于等于50的数值。

2.根据权利要求1所述的低噪声红外检测器结构，其特征在于，所述最小单元为所述盲元电阻值的0.1％，所述的N为7，所述电阻和开关组中的电阻值分别为所述最小单元的1、2、4、8、16、32和64倍。

3.根据权利要求1所述的低噪声红外检测器结构，其特征在于，所述盲元调节模块中的开关为MOS晶体管或EPROM。

4.一种具有权利要求1-3任意一个所述的低噪声红外检测器结构的芯片，其特征在于，还包括：

噪声补偿模块，用于检测被检测对象像素阵列的温度输出值，并采用所述M个输出噪声矩阵中的一个或多个，对所述被检测对象像素阵列的温度输出值进行偏差补偿，其中，所述输出噪声矩阵中的一个噪声本底与一个所述输出放大单元的温度输出值呈一一对应关系。

5.根据权利要求4所述的低噪声红外检测器结构的芯片，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求5所述的低噪声红外检测器结构的芯片，其特征在于，若所述像素阵列的温度输出值大于所述预设温度的最大温度值，那么，将所述像素阵列的温度输出值归为所述最大温度值所对应的网格分类中，若所述像素阵列的温度输出值小于所述预设温度的最小温度值，那么，将所述像素阵列的温度输出值归为所述最小温度值所对应的网格分类中。

7.根据权利要求4所述的低噪声红外检测器结构的芯片，其特征在于，所述M个预设温度的间隔为等间隔；所述M个预设温度的间隔小于等于5℃。

8.一种对权利要求4所述的低噪声红外检测器结构芯片的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S33：按所述预设温度间隔的每一个温度值与所述网格分类相对应的输出噪声矩阵，对所述网格分类中相应所述像素阵列的温度输出值进行局部补偿。