CN113390517A - 高分辨率热电堆红外传感器阵列 - Google Patents

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Abstract

高分辨率热电堆红外传感器阵列，其具有用于传感器阵列的信号的多个并行信号处理通道和用于串行发射信号的数字端口，其中每个信号处理通道包括至少一个模数转换器。具有特别高像素数的红外传感器阵列在高信号分辨率下的功率消耗应尽可能低。为此，传感器阵列至少有16行和16列，不超过8或16个像素连接到信号处理通道，通道的数量相当于行数的至少4倍；一部分信号处理通道位于像素之间的中间空间中，其他信号处理通道与其他电子器件一起设置在传感器阵列周围的传感器芯片的外缘区域；每个低通滤波器的截止频率最多为热电堆红外传感器阵列的帧速率与每个信号处理通道的像素数的乘积的8倍，并且像素的中心距小于200μm。

Description

高分辨率热电堆红外传感器阵列
本申请是申请号为201880007395.4，申请日为2018年1月18日，发明名称为“高分辨率热电堆红外传感器阵列”的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种高分辨率热电堆红外传感器阵列，该阵列具有至少16行和至少16列和传感器芯片上的单片集成信号处理、用于传感器阵列的信号的多个并行信号处理通道以及用于像素信号的串行输出的数字端口，每个信号处理通道具有至少一个模拟/数字转换器和一个低通滤波器，以及存储器中分配给每个信号处理通道的存储区，该存储区用于存储模拟/数字转换器的结果。
背景技术
为了构建高分辨率红外热电堆传感器阵列，单个热电堆元件的数量(即像素的数量)必须增加，并且像素本身的几何尺寸必须减小。市场上最初可用的热电堆传感器阵列上只有几个像素(例如8x8像素或16x16像素)，其中单个像素相当大(例如150…300μm x150…300μm)。因此，传感器芯片(例如由硅制成)上有足够的空间容纳芯片上靠近热电堆传感器阵列的少量放大器或低通滤波器。
目前使用的具有更多像素数量的热电堆传感器阵列需要将像素的尺寸减小到边长为100μm，或甚至减小到边长为25μm。然而，由于集成密度的增加，像素甚至正在变得更小，缺点是它们产生与其表面积成比例的较小信号。这意味着，如果像素的大小减半，只有四分之一的信号强度可供进一步处理。
由此产生的甚至更小的信号电压(通常在几nV到几μV的范围内)总是需要更大的增益系数，因此可以在没有实际传感器外壳之外的额外噪声或其他干扰的情况下进一步处理信号。然而，结果是甚至更小的信噪比。
由于信号电压低，所需的信号放大至少约几千倍，通常甚至超过10000倍，以将信号电压提高到足以将其传递给其他模块并进行进一步处理。传统上用于信号放大的高增益模拟放大器需要具有相对大空间要求的多级放大器，此外，这些放大器具有很大的功率消耗。这意味着功率损耗增加，从而自发热增加，反过来导致热电堆传感器阵列的测量误差整体增加。
同时，在芯片上使用硅微机械制作的红外热电堆传感器阵列在不同的设计中为人知晓。在这些传感器阵列中，部分信号处理发生在芯片上，但只有几个前置放大器和一个通用的多路复用器，其输出来自所有像素的信号。热电堆在越来越小的红外接收表面上具有所谓的“热”触点，并且在各自的像素边缘处的散热器上具有所谓的“冷”触点。热电堆产生的信号电压直接取决于“热”和“冷”触点之间可实现的温差。
例如，在根据WO 2006/122529 A1的热电堆传感器阵列中，一个前置放大器和一个低通滤波器集成在芯片的每行传感器阵列上。然而，对于具有多行和多列的高分辨率传感器阵列，这还不够。例如，在64x64像素阵列的情况下，仅使用64个前置放大器和64个低通滤波器。可实现的噪声带宽比需要的高达64倍。但是，由于噪声随噪声带宽的平方根的增加而增加，因此噪声可以减少达8倍，或者热分辨率可以提高达8倍。
但是，没有规定用于每个信号通道的信号放大的节能和节省空间的解决方案的措施。
JP 2004-170375中仍然公开了一种热电堆传感器阵列，它只有单个前置放大器。
在DE 103 22 860 B4中，描述了一种用于从具有前置放大器的高分辨率热传感器读取电子信号的电路布置，该前置放大器安装在多路复用器前面。为了减少单个并联工作的前置放大器的显著功率损耗，这些放大器周期性地关闭以节省功率。
然而，正是通过这一措施，无法达到所需的高温分辨率，因为如果同时采样信号的噪声带宽与并行放大器通道的数量成比例减少，多路复用器前的前置放大器只能提供预期的结果。但是，如果通过前置放大器放大的信号没有通过用于限制噪声带宽的低通滤波器连续地“集成”，或者例如使用低通元件平滑，则不可能实现这一点。
文件EP 2 587 234 A1公开了一种具有信号处理电路的热电堆红外传感器，其中单个像素的信号在没有带限制或没有中间前置放大器的情况下被转发。
在上述所有解决方案中，描述了热电堆红外传感器阵列，但没有提出在芯片上以更高集成密度进行信号处理的措施。特别是，还没有降低噪声带宽并同时保持最低的空间要求和最小的功率损耗的建议。
已知的解决方案的热分辨率不足，因为传感器芯片上只集成了单个或极少数的前置放大器通道，从而导致高信噪带宽，同时信号/噪声比差。
高集成密度要求减小像素尺寸和所谓的像素间距，即热电堆像素之间的中心距，以在相同的芯片表面积上容纳更多像素。此外，除了高几何分辨率外，还需要高热分辨率，即大信号/噪声比和低噪声限制温度分辨率NETD(Noise Equivalent TemperatureDifference，噪声等效温差)。
由于接收表面积较小，且由于所得热电堆像素的“热”和“冷”触点之间产生的距离小，像素尺寸的减小也会导致从每个热电堆像素发射的传感器信号的减小，从而导致较低的信号/噪声比、较差的热分辨率以及测量精度降低。
原则上，可以减小热电堆单元(热电堆像素)的尺寸并在传感器芯片上集成更多数量的像素。例如，在传感器芯片上实现16x16、32x32、64x64、128x128或更多的热电堆像素。单个热电堆像素的信号电压需要使用m x n寻址和mux开关进行多路复用，即，被路由到每个阵列的一个放大器的公共串行信号线，或者通过每行或列的公共串行接口。
由于对于许多应用来说，仍需从像素尺寸进一步减小的热电堆像素中分辨出的最小信号将在nV范围内，因此必须将信号放大到足够高的水平，并在芯片本身进行进一步处理，以使它们不会受到传感器芯片外部和内部的电干扰源影响。
在已知的解决方案中需要10,000或更大的典型放大系数，以将这种小的热电堆像素的传感器信号放大到达几mV，从而使MUX(多路复用器)之后的传感器信号可以在快速串行模拟输出上从传感器芯片输出，或通过集成在传感器芯片上或直接与传感器芯片相邻的快速AD转换器转换成数字信号。
这样做的缺点是位于多路复用器之后的这些前置放大器的带宽必须非常高，以使得仍然以几Hz到几十Hz的帧速率发送许多连续采样的热电堆像素的传感器信号。
为了实现这一点，在每个阵列一个前置放大器的情况下需要至少m x n倍的帧速率，或者对于具有m列和每列一个放大器的阵列，需要m倍的帧速率。然而，系统的噪声也会增加，同时温度分辨率NETD与(噪声)带宽的平方根成比例地降低。
具有高增益的稳定和高精度放大器需要多个放大器级、在传感器芯片上需要相对大量的空间并且还具有相应高废热的显著功率消耗，这反过来进一步降低了热电堆元件的可实现的信号电压。
由于这个原因，在传感器芯片空间严重受限的情况下，除了像素之外，不可能容纳许多这样的大型放大器。
最后，Kassovski等人：“芯片上集成信号调节的小型化4x16热电堆传感器”，IRS2011年会议记录，第57页，XP055300518，描述了一个具有4行的行阵列，其中每行有16个元件，因此每条线总共64个像素。在该热电堆传感器中，为64个像素提供64个信号处理通道，因此每个像素一个信号处理通道，其中每个像素包含80个接触温度传感器。
每个信号处理通道包括增益未知的低噪声放大器、16位二阶Delta Sigma A/D转换器和数字低通滤波器，其中信号处理在同一芯片上进行。测量的缓冲在同一芯片的RAM中进行。
由于这个小的64元件阵列只有4行，行间距为220μm，因此每个像素的两侧都可以很容易地容纳两个信号处理通道。即使在16行的二维阵列中，每侧也必须容纳8个信号处理通道，因此，对于64行，每侧需要32个而不是两个通道。对于具有很多元件的二维阵列，这需要一个具有很大表面积并且相关成本高的芯片。此外，对于像素数量多得多且像素间距很小(小于200μm或优选小于100μm)的阵列，没有提供关于如何并行处理来自如此多像素的信号并将其路由到信号输出的信息。
在3V的工作电压下，阵列还消耗4mA的电流，这意味着产生12mW的功率损耗，在小型热电堆红外传感器阵列的情况下，这仍然可以接受。然而，在具有较多像素数的较大传感器阵列的情况下，这看起来非常不同，因为当读取具有4mA的相同电流消耗的此阵列时，所产生的电功率损耗将非常大。
64x64传感器阵列(具有64倍以上的信号处理通道)产生的等效像素比例功率消耗几乎为250mA，即功率损耗为0.75W；对于128x128传感器阵列，功率损耗为3W时的功率消耗几乎为1A。
然而，这种高功率损耗在热电堆红外传感器阵列中表现出以下缺点：
如果这样高的功率损耗被整体地单片集成在同一个传感器芯片上，这将导致传感器芯片的固有发热，特别是通电后，会导致敏感热电堆元件的热冲击。这导致热电堆元件的测量精度较低和便携式设备中的电池寿命短。
在WO 2017/059 970 A1中，公开了一种具有单片集成信号处理的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其中传感器阵列通过前置放大器和下游模数转换器产生的每个信号处理通道的信号在存储器中缓冲。各信号处理通道的选择通过信号复用器来执行。
文件US 9 270 895 B2公开了一种用于高动态图像生成的方法和装置，特别是用于生成具有二维红外传感器矩阵的场景的数字表示。为此目的，每个像素都被分配一个模数转换器和一个M位计数器。
文件US 2006/0 243 885 A1号文件涉及一种图像传感器及其控制方法，其中目标是制造一种小尺寸的改进的图像传感器，其中光收集阵列和A/D转换器布置在一个芯片上。它是为实现高速控制器而设计的。这是通过将图像传感器阵列划分为多个子阵列来实现的，每个子阵列分配给具有相关子阵列控制器的A/D转换器。
文件US 8 179 296 B2涉及用于传感器阵列数字读取的方法和装置，所述传感器阵列连接到A/D转换器阵列的输入。模拟/数字阵列可用于高区域分辨率(小像素)和高信噪比的红外图像传感器应用。
在JP 2004-170 375 A中，描述了一种热电堆阵列传感器，其中消除了环境温度变化引起的白噪声和直流放大器的1/f噪声。这是通过阵列每行的屏蔽补偿热电堆实现的。对于信号处理，使用运算放大器处理测量和补偿信号之间的差异。
文件WO 2006/122 529 A2涉及一种热电堆红外传感器阵列，其中每个热电堆传感器元件下的膜通过蚀刻暴露，并且为其中至少每四分之一(优选每列或每行传感器元件)提供带低通滤波器的前置放大器。
文件EP 2 587 234 A1涉及一种红外传感器，其通过加热冷触点来抑制因芯片加热而导致的信噪比变化。另一方面，通过气体介质的热辐射或热传导也会导致热触点的加热。阵列中的每一个红外探测器与作为像素选择开关的MOS晶体管相关联，并与多条垂直读取线和水平信号线相关联。通过热电堆串联和并联的组合，可以提高信噪比，其中每个热像素的输出信号都被利用。
最后，DE 103 22 860 B4涉及一种用于从高分辨率热传感器读取电子信号的电路布置，其中来自多个传感器元件的信号各自通过使用多路复用器的一条或少量数据线串行读出，并且放大器连接在每个单个热传感器元件以及多路复用器之间。为了减少热负荷，可以周期性地打开和关闭放大器。
发明内容
本发明的目的是创造一种具有特别高像素数的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其在高信号分辨率下表现出最小可能的功率消耗并因此具有最小可能的功率损耗。
该目的通过以下实现：在上述类型的高分辨率热电堆红外传感器阵列中，最多8或16个像素连接到信号处理通道，其中信号处理通道的数量等于行数的至少4倍，信号处理通道的一部分布置在像素之间的中间空间中，信号处理通道的另一部分与其它电子器件一起布置在传感器阵列周围的传感器芯片的外缘区域，每个低通滤波器的截止频率不超过热电堆红外传感器阵列的帧速率与每个信号处理通道像素数乘积的8倍，且其中像素之间的中心距小于200μm。
此外，对于每个信号处理通道，提供信号复用器，其用于选择分配给信号处理通道的传感器阵列的像素。
前置放大器连接在每个信号处理通道中的模数转换器的上游，其增益系数在小于500和小于100之间。
模数转换器根据电荷平衡或Delta-Sigma方法工作。
在本发明的进一步发展中，每个信号处理通道包含用于限制噪声带宽的低通滤波器，其截止频率至少等于热电堆红外传感器阵列的帧速率和每个信号处理通道的像素数的乘积，优选小于乘积值的三倍。
模数转换器优选地设计为集成式的，并且低通滤波器布置在模数转换器中。
通过使用由外部指定或内部生成的母钟和模数转换器的指定转换速率的集成模数转换器，将每个信号处理通道的噪声带宽确定为相应帧速率的函数。
信号处理通道的一部分与传感器元件一起布置在传感器芯片下方的独立芯片上，其中热电堆红外传感器芯片和独立芯片彼此固定连接。
附图说明
下面基于示例性实施例更详细地描述本发明。所示相关图为：
图1：根据本发明的热电堆红外传感器阵列的基本结构；
图2：根据本发明的用于热电堆红外阵列传感器芯片的集成信号处理的电路布置的框线图，其具有低通滤波器和每像素一个信号处理通道；
图3：根据本发明的用于第二实施例中热电堆红外阵列传感器芯片的集成信号处理的电路布置的框线图，其中低通功能在集成ADC(AD转换器)中执行；
图4：根据本发明的用于第三实施例中热电堆红外阵列芯片的集成信号处理的电路布置的框线图，其中多个像素共享一个信号处理通道；
图4a：前置放大器后的低通滤波器；和
图4b：集成AD转换器，其执行低通功能；
图5：根据本发明的用于热电堆红外阵列传感器芯片的集成信号处理的电路布置的框线图，其中低通功能在集成AD转换器中执行；
图6a：传感器芯片的截面示意图，其具有过孔和位于其下方的独立芯片(独立芯片具有集成在其中的信号处理通道)，以及附加存储器和信号处理电子器件；以及
图6b：根据图6a但补充有具有辐射入口窗的覆盖晶圆和附加的电气连接装置(例如连接到用于操作热电堆红外传感器阵列的附加功能模块的接合线)的布置。
具体实施方式
从图1、2可以看出根据本发明的热电堆红外传感器阵列的基本结构，在传感器芯片的中心布置有矩阵形式的热电堆红外传感器阵列TPA，具有m x n像素SE 1.1...SE 1.nx SE ml.1...SE m,n。在像素SE周围或像素场周围，m x(n/2)/a信号处理通道K1...KN优选地位于同一传感器芯片SP的两侧，用于放大和过滤单个像素SE的信号，并将其转换为数字信号。这里的多个像素a共享信号处理通道K1...KN。
原则上，所有信号处理通道K1...KN可以位于像素场的一侧，其中热电堆红外传感器阵列则具有不对称的热分布。
热电堆功能的关键是它们具有“热”和“冷”触点，触点通过尽可能长的导电轨相互连接(即尽可能远离彼此布置)，其中“热”触点布置在辐射接收器(未显示)上，且“冷”触点布置在像素SE边缘的散热片上，以产生信号电压，该信号电压可作为“热”和“冷”触点之间的温差的函数进行评估。
热电堆红外传感器阵列TPA的每个像素SE包含已知的小型化热电堆单元，并且在每个热电堆单元上方，有一个具有合适的光学套件的可选的辐射入口窗。每个热电堆单元的中心距(所谓的像素间距)小于200μm。像素间距越小，整个热电堆红外传感器阵列芯片越小，并且对于相同数量的像素，用于对像素SE上的红外辐射成像所需的透镜的尺寸也减小。芯片和光学尺寸的减小通常导致制造成本更低。
可选地，较低的间距允许更多像素SE容纳在给定尺寸的传感器芯片上，以因此获得更高的光学分辨能力。
例如，本发明可实际实现的像素尺寸为64x80传感器阵列K1...KN中的90μm和120x84传感器阵列K1...KN中的60μm。这意味着，传感器阵列K1...KN两侧的32个信号处理通道的每个通道宽度小于3μm。
在具有60μm像素尺寸的120x84传感器阵列K1...KN和每像素SE一个信号处理通道中，如果这些信号处理通道在传感器阵列TPA旁边并行布置，则每个信号处理通道仍然留下1.5μm宽度。
图2示出了根据本发明的用于具有镜像对称结构的热电堆红外传感器阵列TPA的集成信号处理的电路布置的框线图，其中中心热电堆红外传感器阵列TPA在每个像素SE的传感器阵列TPA两侧的每个信号处理通道K1...KN具有一个前置放大器VV、一个下游低通滤波器TPF和一个模数转换器ADC。
模数转换器ADC的输出连接到RAM存储器区域，该区域可通过控制电路CRTL读取，使得数字输入-输出端口DIO处的数字输出信号可用于进一步处理。
此外，操作所需的模块位于独立的传感器芯片SP上，例如时钟CLK，并提供所需的电压源VDD、VSS和一个或多个参考电压VREF或REF/PTAT，以及附加的ESD电路块。
根据本发明，大量的单个信号处理通道K1...KN集成在同一传感器芯片SP上或其下，其中不超过16或8个像素SE的数量a共享信号处理通道K1...KN，但优选只有a＝4、3或2个像素SE，或甚至只有一个像素SE共享一个信号处理通道。
适当数量a的像素SE通过多路复用器MUX或多路复用器MUX的部分切换到各自相关的信号处理通道K1...KN(图4a)。每个像素特别优选地具有其自己的信号处理通道K1...KN(即a＝1)；参见图3和图4b。在这种情况下，获得最小的噪声带宽，从而获得最低的噪声和最佳的温度分辨率。另外，可以省略信号处理通道K1...KN前面的多路复用器(图2)。
根据本发明，在具有至少16行和至少16列的传感器阵列TPA中，至少一个像素SE连接到信号处理通道K1...KN，其中信号处理通道的数量K1...KN等于行数的至少4倍，并且其中像素SE的中心间距小于200μm。
另外，对每个信号处理通道K1...KN都提供有信号复用器(MUX)，用于选择分配给信号处理通道(K1...KN)的传感器阵列TPA的像素SP。
前置放大器VV连接在每个信号处理通道K1...KN中的模数转换器ADC的上游，其具有在小于500和小于100之间的增益系数，其中模数转换器ADC优选地具有至少10位的分辨率并且根据电荷平衡或Delta Sigma方法工作。
在本发明的进一步发展中，每个信号处理通道K1...KN具有用于限制噪声带宽的低通滤波器TPF，其截止频率至少等于热电堆红外传感器阵列TPA的帧速率和每个信号处理通道K1...KN的像素数SE的乘积，但在任何情况下都不会超过是乘积值的八倍，优选小于乘积值的三倍。
然而，由于更多的信号处理通道K1...KN也会增加空间要求和功率损耗，对于具有非常多像素的传感器阵列TPA，在适当考虑热分辨率和空间要求的情况下，选择a>1特别有用。
为了在芯片上容纳尽可能多的信号处理通道K1...KN，各个通道的空间要求和功率损耗都必须非常小，以最小化芯片尺寸和成本，同时还要减小传感器阵列TPA的热电堆像素SE之间的热串扰。目前，本发明实现了90μm甚至60μm的像素尺寸。随着MEMS和CMOS技术的进步，在未来几年中，也可以使用本发明获得25…50μm的像素尺寸。
为了实现这一点，将使用仅具有小的低噪声前置放大器VV和低功耗模数转换器ADC的信号处理通道K1...KN，其中低噪声前置放大器VV具有相对低的增益系数(即小于500)，模数转换器ADC具有高分辨率(即至少10位)。
优选地，前置放大器VV具有小于100的增益系数，并且模数转换器ADC的分辨率应该优选地在16位和24位之间。
通过组合具有低增益系数的前置放大器VV和具有高分辨率的慢模数转换器ADC，由于低增益系数，确保了低空间要求。此外，由于模数转换器ADC(尽管具有高分辨率，但是以相对低的传输速率操作)，因此确保了低功率消耗。
此外，可以想到在不使用前置放大器VV的情况下使用高分辨率模数转换器ADC。模拟/数字转换器ADC的正参考电压和负参考电压VREF的微小差异是有利的，因为这增加了温度分辨率。
例如，前置放大器VV的合适选择是所谓的自动调零(开关斩波)放大器，其具有低偏移电压和偏移电压漂移的特点。增益系数<100...500时，斩波放大器可以设计为单级，因此特别节省空间和功率。
对于具有高分辨率的慢模数转换器ADC，合适的方法是：如“Sigma/Delta”或“电荷平衡”方法。由于非常多的模数转换器ADC在传感器芯片SP上并行工作，与传统的只有一个模数转换器ADC的热电堆红外传感器阵列相比，在输出获得了低的变化率，从而导致所需的低功率损耗和低的空间需求，如64x64传感器阵列TPA所示。
根据“Sigma/Delta”或“电荷平衡”方法工作的模拟-数字转换器是专业领域中众所周知和常用的转换器。
根据现有技术设计的传感器阵列具有64x64像素和仅一个模数转换器，帧速率为15Hz，需要64x64像素x 15Hz＝61440Hz的模数转换器ADC的转换速率。
在根据本发明并行操作的模数转换器ADC中，只需要15Hz(a＝1)或60Hz(a＝4)的转换速率(a：同时读取的像素数)。这允许实现在非常低的电流和空间消耗下具有高分辨率(例如16位或更多)的模拟/数字转换器ADC。
每个信号处理通道K1...KN的数字化信号在被转发到数字I/O端口DIO的串行输出数据流之前，可以缓冲在存储器RAM的存储区域中。这意味着可以选择用于通过数字端口DIO读取数据的时间机制，使得图像的整个时间可用于像素信号的集成和低通滤波。
信号处理通道K1...KN的噪声带宽应该优选地减小到所需的最小值，这是由每个信号处理通道K1...KN的像素SE数和传感器阵列TPA的帧速率的乘积得出的。
这可以通过在模数转换器ADC之前集成低通滤波器TPF(例如，可以作为前置放大器VV的一部分，或者作为一个附加的低通滤波器TPF)来实现。
在图3和图4b中，示出了特别节省空间的替代设计，其中通过适当的模数转换器ADC(例如，根据电荷平衡方法工作的模数转换器ADC)的积分器行为以特别优选的方式降低噪声带宽。
利用上述新信号处理，获得整体性能的显著提高。
在白噪声的情况下，众所周知，噪声随着信号的平方根或前置放大器VV的噪声带宽增加。使用现有技术的64x 64传感器阵列时，在只有一个前置放大器VV的情况下，噪声带宽将增加64x64倍的帧速率，在每列一个信号放大器情况下，仍然是增加64倍的帧速率。
因此，具有前置放大器VV的64x64传感器阵列的总噪声和温度分辨率将高64倍，并且64列放大器仍然比其中每个像素具有其自己的信号通道的阵列的情况高约8倍。
因此，例如，根据本发明的64x64传感器阵列TPA可以实现比根据现有技术设计的传感器阵列高达8倍的热分辨率。根据相同的分析，使用根据本发明的16x16传感器阵列TPA，热分辨容量潜在提高4倍，32x32传感器阵列TPA是5.5倍并且当使用128x128传感器阵列TPA时，获得大约提高11倍。
如果在128x128传感器阵列TPA中，信号处理通道的数量减少，例如，a＝16个像素共享信号处理通道，与WO 2006/122529 A1相比，在热分辨容量上没有提高11倍，但信噪比仍将提高3倍，与现有技术中仅有一个信号传输通道的其余部分相比，将实现提高大约32倍。
根据本发明设计的信号处理通道K1...KN既可以设置在单个像素SE的边缘区域，如图5所示，也可以设置在传感器芯片SP的外围边缘区域，即像素外部，或者分布在两个区域。
为了在整个传感器芯片SP上获得良好的热平衡和由此而得的均匀的热图像，各模块的功率损耗应尽可能均匀对称地分布在传感器芯片SP上。
除了实际的信号处理通道K1...KN和多路复用器MUX外，其他电子部件可以与它们一起集成在传感器芯片上，并通过多路复用器MUX切换到数字接口上(见图1和图5)。这些附加的电子部件可以是温度参考、电压参考、存储介质(例如用于存储校准数据的EEPROM)，包括适当的小的μ控制器(例如用于进一步的信号处理或温度计算)。
此外，在芯片本身上测量附加信息REF/PTAT或漏极电压VDD是有利的，例如，图像像素或图像元素的信号，其通过同一信号处理通道与串行数据流一起插入，以补偿漂移效应，从而提高测量精度。
当使用集成的模数转换器ADC时，可以使用内部生成的母钟和由指定的定时机制限定的转换率来指定用于各个帧速率最有利的噪声带宽设置。
为完整起见，应注意，信号处理通道K1...KN也可布置在独立芯片ROIC上，独立芯片ROIC位于实际传感器芯片SP的下方(图6a、6b)。
图6a示出了具有过孔TSV的传感器芯片SP和布置在后者下方的独立芯片ROIC的示意性剖视图，独立芯片ROIC中集成有信号处理通道K1...KN并且具有如上所述的附加存储和信号处理电子器件。过孔TSV是穿过传感器芯片SP的通孔，过孔TSV填充有导电材料，导电材料与传感器芯片SP绝缘，并且过孔TSV在其端部处连接至传感器芯片SP上或独立芯片ROIC上的导电轨(未显示)。毫无疑问，传感器芯片SP和独立芯片RIOC之间也必然存在机械固定连接。
从图6b中，可以看到与图6a中所示相同的布置，但在传感器芯片SP上补充有覆盖晶圆CAP，其具有辐射入口窗SEF。覆盖晶圆CAP可以完全由对红外透明的材料构成，或者仅在传感器阵列TPA上方具有这样的区域。
此外，可以提供附加的电连接装置，例如用于连接传感器芯片SP和在印刷电路板上的附加功能模块的接合线BD等，这些是热电堆红外传感器阵列TPA的操作所需的。
除了传感器芯片SP和独立芯片ROIC之间的电连接的过孔TSV，还可以考虑重新布线方案，其中导电轨围绕从传感器芯片SP到独立芯片ROIC的侧边布线。
附图标记列表
TPA 传感器阵列
VV 前置放大器
TPF 低通滤波器
ADC 模数转换器
K1...KN 信号处理通道
SE 像素
SP 传感器芯片
RAM 存储区域
CRTL 控制电路
DIO 数字端口
CLK 时钟
VREF 参考电压
VDD 漏极电压
VSS 源电压
MUX 多路复用器
REF/PTAT 温度参考
a 每个信号处理通道的像素数
TSV 过孔
ROIC 独立芯片
CAP 覆盖晶圆
SEF 辐射入口窗
BD 接合线

Claims (10)

1.一种高分辨率热电堆红外传感器阵列，其具有在传感器芯片(SP)上的至少16行16列中布置的像素和单片集成信号处理；
具有用于传感器阵列(TPA)的像素(SE)的信号的多个并行的信号处理通道(K1...KN)，
和用于像素(SE)信号输出的数字端口(DIO)，
每个信号处理通道(K1...KN)具有至少一个模数转换器(ADC)和低通滤波器，
其中，对于每个信号处理通道(K1...KN)，存储器(RAM)中有存储区域，该存储区域用于存储至少一个的模数转换器(ADC)的结果，
其中，在传感器阵列(TPA)中，至少一个像素(SE)连接至信号处理通道(K1...KN)，
其中，信号处理通道(K1...KN)的数量为行的数量的至少4倍，
其中，信号处理通道(K1...KN)的一部分设置在像素(SE)之间的中间空间中，信号处理通道(K1...KN)的另一部分与其他电子器件一起设置在传感器阵列(TPA)周围的传感器芯片(SP)的外缘区域，
其中，对于每个具有像素(SE)数a，a＞1，的信号处理通道(K1...KN)，提供信号复用器(MUX)，其用于选择分配给信号处理通道(K1...KN)的传感器阵列(TPA)的像素(SE)，
其中，与每个信号处理通道(K1...KN)相关联的至少一个模数转换器(ADC)具有至少10位的分辨率，并且
其中，用于限制噪声带宽的低通滤波和每个信号处理通道(K1...KN)的噪声带宽是根据外部给定或内部给定的母钟使用集成模数转换器(ADC)的帧速率和模数转换器(ADC)的给定帧速率决定的。
2.如权利要求1所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，前置放大器(VV)连接在每个信号处理通道(K1...KN)中的模数转换器(ADC)的上游，其增益系数小于500。
3.如前述权利要求1到2中任一项所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，所述至少一个模数转换器(ADC)根据电荷平衡或Delta-Sigma方法工作。
4.如权利要求1到3中任一项权利要求所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，每个信号处理通道(K1...KN)包含低通滤波器(TPF)以限制噪声带宽，其截止频率至少等于热电堆红外传感器阵列(TPA)的帧速率和每个信号处理通道的像素(SE)数a的乘积(K1...KN)。
5.如权利要求4所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，所述至少一个模数转换器(ADC)是集成的，低通滤波器(TPF)设置在模数转换器(ADC)中。
6.如前述权利要求1中任一项权利要求所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，一部分信号处理通道(K1...KN)与传感器元件(SE)一起布置在传感器芯片(SP)下面的独立芯片上，其中热电堆红外传感器芯片(SP)和独立芯片(ROIC)彼此固定连接。
7.如权利要求1所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，传感器芯片(SP)配置有过孔(TSV)，所述过孔(TSV)填充有导电材料，导电材料与传感器芯片(SP)绝缘，并且过孔(TSV)在其端部处连接到传感器芯片(SP)或独立芯片(ROIC)上的导电轨。
8.如权利要求1所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，传感器芯片(SP)和独立芯片(ROIC)通过重新布线方案彼此连接，其中导电轨围绕从传感器芯片(SP)到独立芯片(ROIC)的侧边布线。
9.如权利要求1所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，传感器芯片(SP)配置有覆盖晶圆(CAP)，所述覆盖晶圆(CAP)具有辐射入口窗(SEF)。
10.如权利要求1所述的高分辨率热电堆红外传感器阵列，其特征在于，通过例如接合线(BD)、导电胶或焊球的附加连接装置，传感器芯片(SP)与印刷电路板或类似物上的附加功能模块连接。
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