CN218297395U - 热成像传感器 - Google Patents

热成像传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN218297395U
CN218297395U CN202122969410.5U CN202122969410U CN218297395U CN 218297395 U CN218297395 U CN 218297395U CN 202122969410 U CN202122969410 U CN 202122969410U CN 218297395 U CN218297395 U CN 218297395U
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensing
thermal imaging
transistor
sense
imaging sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202122969410.5U
Other languages
English (en)
Inventor
G·布鲁诺
M·韦亚纳
M·E·卡斯塔尼亚
A·雷克希亚
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SRL
Original Assignee
STMicroelectronics SRL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SRL filed Critical STMicroelectronics SRL
Application granted granted Critical
Publication of CN218297395U publication Critical patent/CN218297395U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G01J5/22—Electrical features thereof
    • G01J5/24—Use of specially adapted circuits, e.g. bridge circuits
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/068—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling parameters other than temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01J5/14—Electrical features thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/48—Thermography; Techniques using wholly visual means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/84—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by variation of applied mechanical force, e.g. of pressure

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

提出了一种热成像传感器。热成像传感器包括一个或多个热电偶，每个热电偶用于根据热电偶的热接头的温度和冷接头的温度之间的差提供感测电压；热成像传感器还包括一个或多个感测晶体管，每个感测晶体管根据一个或多个相应的热电偶的感测电压驱动，用于根据其温度和相应的感测电压提供感测电信号。还提出了一种包括热成像传感器和相应的信号处理电路的热成像设备，以及包括一个或多个热成像设备的系统。本实用新型的技术提供了具有高灵敏度、低响应时间的热成像传感器和热成像设备。

Description

热成像传感器
技术领域
本公开涉及热成像领域。更具体地，本公开涉及热成像传感器。
背景技术
下文通过讨论与其上下文相关的技术来介绍本公开的背景。然而，即使当该讨论涉及文档、动作、人工制品等时，它也不暗示或表示所讨论的技术是现有技术的一部分或是与本公开相关的领域中的公共常识。
热成像传感器通常用于检测其视场(每个视场包括一个或多个物质对象)的热特性。热成像传感器能够感测温度在绝对零度以上的每一个(材料)物体发出的热辐射(即，由其粒子的热运动产生的电磁辐射)；由于物体基本上表现为黑体(即，发射的热辐射仅依赖于相应的温度)，所以被感测到的热辐射代表它们的温度。例如，热成像传感器被用来测量整个视场中物体的温度(例如在热扫描仪中)。可选地，热成像传感器用于获取热图图像(或热图)，每个热图图像表示视场的温度分布(由从其不同位置发射的热辐射定义)；热图图像用于热成像(或热像)应用中，以独立于其照明来表示任何视场(根据其热特性)，即，即使在人眼不可见时也是如此。
有几种类型的热成像传感器可用。例如，非制冷型热成像传感器(也称为热传感器)根据与被吸收的热辐射量相关的温度变化来感测电参数的变化；这些热成像传感器可以在室温下工作，不需要任何复杂和昂贵的冷却设备。
典型的(非制冷)热成像传感器是基于热绝缘MOS(TMOS) 晶体管，其电特性强烈依赖于温度。在这种情况下，提供了两个TMOS 晶体管阵列：一个阵列暴露于热辐射，另一个阵列保持盲(例如，通过用金属层屏蔽它)。每个TMOS晶体管提供取决于其温度的信号 (例如，当其工作点由偏置电压设置时的电流)。然后可以通过减去暴露阵列和盲阵列中的每对TMOS晶体管的信号来产生指示每对 TMOS晶体管之间的温度梯度的差分信号，从该差分信号可以计算温度梯度(在需要非常精确的测量的情况下，例如对于人体的温度，也可以例如通过基于热敏电阻的单独温度传感器来测量盲阵列中的 TMOS晶体管处的实际温度)。
一种完全不同的热成像传感器是基于热堆(TP)的。热堆由多个热电偶组成，这些热电偶通常串联地相互连接。根据塞贝克 (Seebeck)效应，每个热电偶将热结和冷结之间的温度梯度(由热辐射产生)转换为电能(测量其振幅)。例如，热电偶包括两个不同材料(具有不同塞贝克系数)的(电)导体。导体接合在一个温度必须测量的点(热结或热接头)，而它们的自由端保持在一个参考温度(冷结或冷接头)。当温度梯度存在于热接头和冷接头之间时，在冷接头处产生相应的电压，从该电压可以计算温度梯度(如上所述，在需要非常精确的测量的情况下，也可以例如通过基于热敏电阻的单独温度传感器来测量冷接头处的实际温度)。测量电压非常小(μV 量级)；在一个热堆中的多个热电偶串联连接，然后产生更高的(总) 测量电压，提供更好的分辨率。
有几个因素影响热成像传感器性能。例如，希望具有高灵敏度、低响应时间和感测元件之间的有限热串扰。然而，现有的热成像传感器(基于TMOS晶体管或热电偶)的性能并不完全令人满意；这不利地影响了相应的热成像传感器的性能(例如，用噪声等效热差或NETD表示，该NETD由匹配内部噪声以使信噪比等于1所需的热辐射量给出)。这阻碍了热成像传感器在特定领域(例如，在消费者应用中，特别是移动类型)的使用。
实用新型内容
鉴于上述针对热成像传感器设计所面临的问题，本公开的实施例旨在提供具有改进性能的热成像传感器。
为了提供对本实用新型的基本理解，本文给出了本实用新型的简化概要；然而，本概要的唯一目的是以简化的形式引入本公开的一些概念，作为其以下更详细描述的前奏，并且不应将其解释为对其关键要素的识别或对其范围的界定。
一般而言，本公开基于将热晶体管与热电偶相结合的思想。
例如，一个方面提供了一种热成像传感器。热成像传感器包括一个或多个热电偶，每个热电偶用于根据热电偶的热接头的温度和冷接头的温度之间的差提供感测电压；热成像传感器还包括一个或多个感测晶体管，每个感测晶体管根据一个或多个相应的热电偶的感测电压而被驱动，用于根据其温度和相应的感测电压提供感测电信号。
本公开的实施例提供了一种用于感测热辐射的热成像传感器，其中热成像传感器包括：一个或多个热电偶，每个热电偶具有热接头和冷接头，热接头被配置为响应于热辐射被加热到一温度，冷接头被配置为保持在与热辐射无关的温度，每个热电偶被配置为基于热接头的温度和冷接头的温度之间的差提供感测电压；一个或多个感测晶体管，每个感测晶体管被配置为响应于热辐射被加热到一温度，并且与热电偶中被配置为基于对应的感测电压被驱动的对应的一个或多个热电偶耦合，每个感测晶体管被配置为基于感测晶体管的温度和对应的感测电压提供感测电信号；一个或多个参考晶体管，每个参考晶体管被配置为与热辐射屏蔽并且具有与热辐射无关的温度，每个参考晶体管被配置为基于参考晶体管的温度提供参考电信号；以及比较电路，被配置为基于一个或多个感测晶体管的感测电信号与一个或多个参考晶体管的参考电信号之间的比较来提供一个或多个温度电信号，一个或多个温度电信号指示热辐射。
在一些实施例中，热成像传感器包括一个或多个参考热电偶，每个参考热电偶具有热接头和冷接头，参考热电偶被配置为基于参考热电偶的热接头的温度和参考热电偶的冷接头的温度之间的差提供感测电压，参考热电偶被配置为与热辐射屏蔽，并且具有与热辐射无关的温度，并且参考晶体管中的每个参考晶体管与一个或多个参考热电偶耦合，并且被配置为根据一个或多个参考热电偶的对应的感测电压被驱动，并且基于一个或多个参考热电偶的参考感测电压提供参考电信号。
在一些实施例中，热成像传感器包括一个或多个感测元件，每个感测元件包括一个或多个热电偶中的至少一个热电偶和一个或多个感测晶体管中的至少一个感测晶体管，并且其中热成像传感器包括一个或多个参考元件，一个或多个参考元件与一个或多个感测元件相对应，每个参考元件包括一个或多个参考晶体管中的至少一个参考晶体管。
在一些实施例中，感测元件被集成在主体上，主体具有衬底、功能层和绝缘层，绝缘层介于衬底和功能层之间，主体被图案化以限定从衬底悬挂的功能层和绝缘层的栅格，其中对于一个或多个感测元件中的每个感测元件，栅格包括框架、板和一个或多个臂，一个或多个臂将板与框架耦接，其中感测元件的感测晶体管被形成在板中，并且其中感测元件的热电偶包括第一导电材料的第一导体和与第一导电材料不同的第二导电材料的第二导体，第一导体从框架中的冷接头的第一端子通过臂中的一个臂延伸到板，第二导体从框架中的冷接头的第二端子通过臂中的一个臂延伸到板，第一导体和第二导体在板处被短路到热接头中。
在一些实施例中，热成像传感器包括多个感测元件，感测元件的感测晶体管被耦合以基于多个感测元件的感测电信号之和提供公共感测电信号，并且多个感测元件的热电偶被串联耦合，以基于热电偶的感测电压之和提供公共感测电压，用于驱动所有的感测晶体管，并且其中比较电路被配置为基于公共感测信号之间的比较提供温度电信号。
在一些实施例中，感测晶体管中的每个感测晶体管具有第一导电端子和第二导电端子，用于提供对应的感测电流作为感测电信号，感测晶体管的第一导电端子和第二导电端子被分别并联耦合到公共第一导电端子和公共第二导电端子中，用于提供公共感测电流作为公共感测电信号，并且其中感测晶体管中的每个感测晶体管具有控制端子，控制端子用于控制感测晶体管，感测晶体管的控制端子被并联耦合到公共控制端子中，公共控制端子被耦合以接收公共感测电压。
在一些实施例中，第一热电偶的第二端子与对应的框架中的第二热电偶的第一端子耦合，第一热电偶的第一端子是偏置端子，偏置端子用于接收热成像传感器的偏置电压，并且第二热电偶的第二端子通过臂中的对应的一个臂与感测晶体管中的每个感测晶体管的控制端子耦合。
在一些实施例中，热成像传感器包括多个感测元件，在感测元件中的每个感测元件中，感测晶体管与热电偶耦合以基于热电偶的感测电压被驱动，并且其中比较电路被配置为根据感测元件的感测晶体管的感测信号与对应的参考元件的参考信号之间的比较，为感测元件中的每个感测元件提供温度电信号中对应的一个温度电信号。
在一些实施例中，在感测元件中的每个感测元件中，热电偶的第二端子通过臂中的一个臂与感测晶体管的控制端子耦合。
在一些实施例中，感测晶体管是热绝缘MOS(TMOS)晶体管。
本公开的实施例还提供了一种热成像传感器，其包括主体。主体包括膜和第一腔，膜位于主体的第一表面上，第一腔位于主体中并且位于膜下方，膜包括：框架部、板部、第一臂部和第二臂部，第一臂部将板部耦接到框架部，第二臂部将板部耦接到框架部；第一导电轨道，从框架部上的第一接头通过第一臂部延伸到板部上的第二接头；第二导电轨道，从框架部上的第三接头通过第二臂部延伸到板部上的第二接头，第一导电轨道和第二导电轨道通过第二接头彼此耦合；晶体管，位于板部上，晶体管包括源极区、漏极区和沟道区；第三导电轨道，从框架上的第一点通过第一臂部延伸到晶体管的源极区；第四导电轨道，从框架上的第二点通过第二臂部延伸到晶体管的漏极区。
在一些实施例中，晶体管的源极区、漏极区和沟道区位于板部的被配置为接收热辐射的区域中。
在一些实施例中，第二接头位于板部的被配置为接收热辐射的区域上。
在一些实施例中，传感器包括第五导电轨道，第五导电轨道从框架上的第三点通过第一臂部或第二臂部中的一个臂部延伸到晶体管的沟道区。
在一些实施例中，框架上的第三部被耦合到框架上的第一接头或第三接头中的一个接头。
在一些实施例中，沟道区包括蜂窝结构。
在一些实施例中，晶体管是热绝缘MOS晶体管。
本公开的实施例还提供了一种热成像传感器，包括第一主体，第二主体和屏蔽层。第一主体包括：第一膜和第二膜，位于第一主体的第一表面上，第一膜包括第一热电偶和第一热绝缘MOS晶体管，第二膜包括第二热电偶和第二热绝缘MOS晶体管；以及第一腔和第二腔，分别位于第一主体中并且位于第一膜和第二膜的下方，第一腔与第二腔分离。第二主体由第一主体的第一表面耦接到第一主体，第二主体具有第三腔和第四腔，第三腔面向第一膜，第四腔面向第二膜，第三腔与第四腔分离；屏蔽层位于第二主体上，远离第一主体，并且与第四腔交叠，屏蔽层被配置为防止热辐射到达第二膜。
在一些实施例中，传感器包括第三主体，第三主体由第一主体的第二表面耦接到第一主体，第二表面与第一表面相对，其中第一腔和第二腔中的每一个腔延伸到第三主体中。
在一些实施例中，传感器包括比较电路装置，比较电路装置被配置为将第一热绝缘MOS晶体管的电信号与第二热绝缘MOS晶体管的电信号进行比较。
另一方面提供了一种包括该热成像传感器和相应的信号处理电路的热成像设备。
另一方面提供了一种系统，该系统包括一个或多个如上所述的热成像设备。
本实用新型的技术提供了具有高灵敏度、低响应时间的热成像传感器和热成像设备。
附图说明
本实用新型的解决方案及其进一步的特征和优点将通过参考下面的详细描述来最好地理解，该详细描述纯粹通过非限制性指示给出，并将结合附图阅读(其中，为了简单起见，相应的元素用相等或类似的引用来表示，并且它们的解释不重复，并且每个实体的名称通常用于表示其类型和属性，如值、内容和表示)。在这方面，明确的意图是，附图不必按比例绘制(带有一些可能被夸大和/或简化的细节)，并且，除非另有指示，它们仅用于从概念上说明在此描述的结构和过程。例如：
图1示出了其中可以应用根据本公开的实施例的解决方案的(封装的)热成像设备的部分剖切视图的图示，
图2示出了其中可以应用根据本公开的实施例的解决方案的热成像传感器的示意性横截面视图，
图3示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的感测元件的简化电路模式，
图4A至图4C示出了根据本公开的实施例的特定的热成像传感器的示意图，
图5示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的示例性结构，
图6示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的另一示例性结构，以及
图7示出了结合了根据本公开的实施例的热成像设备的系统的示意性框图。
具体实施方式
特别参考图1，以部分剖视图示出了其中可以应用根据本公开的实施例的解决方案的(封装的)热成像设备100的图形表示。
热成像设备100用于检测包括在其视场中的(材料)对象的热特性，例如，在热成像设备敏感的立体角内的世界的一部分；热成像设备100可以在不同领域中找到应用，例如，用于医疗、安全、军事、工业等应用。热成像设备100包括以下组件。
非制冷型的热成像传感器105用于感测温度在绝对零度以上的每个物体发射的电磁辐射，例如，根据黑体辐射定律。在一些实现中，热成像传感器105对红外(IR)辐射敏感，波长在1.1μm至20.0μm 的(红外)范围内，其中红外辐射从接近室温的大多数物体发射。然后，热成像传感器105输出一个或多个温度(电)信号，该温度 (电)信号指示感测到的红外辐射，然后指示视场中对象的对应温度；在一些实现中，热成像传感器105可以输出单个温度信号或多个温度信号，其分别表示整个视场或视场的不同位置相对于参考(环境)温度的温度梯度。处理单元110与热成像传感器105耦合，用于处理由热成像传感器105提供的温度信号，例如通过执行模数转换、温度校正，例如在需要非常精确的测量时，通过将由单独的温度传感器测量的环境温度相加，例如基于热敏电阻等等。处理单元 110输出视场的温度指示或视场的(数字)热图图像，例如，热图图像的基本图片元素(像素)的(数字)值的位图，每个(像素)值将像素的亮度定义为视场的对应位置的温度的函数)。热成像传感器 105和处理单元110被封装在封装件115中，封装件115保护它们，同时允许访问它们；例如，诸如陶瓷类型的封装件115屏蔽红外辐射，除了具有透镜(诸如硅的)的窗口120，该透镜将红外辐射集中到热成像传感器105的(感测)部分上。
现在参考图2，示出了其中可以应用根据本公开实施例的解决方案的热成像传感器105的示意性截面图。
热成像传感器105分别包括感测元件205和参考元件210的两个对应阵列，例如，凝视型阵列，即，每个8×8感测/参考元件205、210的二维阵列。如下文详细描述的，每个感测/参考元件205、210 根据其温度提供感测/参考(电)信号。感测元件205暴露于要感测的红外辐射，以便被加热到与其相关的温度；相反，参考元件210 是盲的，例如，如下面所述，屏蔽红外辐射，以便保持在与红外辐射无关的(环境)温度。比较电路将感测元件205的感测信号与参考元件210的参考信号进行比较，以得到温度信号；在一些实现中，比较电路可以将由所有感测元件205提供的公共感测信号与由所有参考元件210提供的公共参考信号进行比较，以获得表示整个视场的温度梯度的单个温度信号，或者它可以将由每个感测元件205提供的感测信号与由对应的参考元件210提供的参考信号进行比较，以获得表示视场的对应位置的温度梯度的对应温度信号。
在示例实现中，感测元件阵列205、参考元件阵列210和比较电路215集成在绝缘体上的半导体上，例如集成在用标准CMOS工艺步骤制造的SOI型管芯220上，并添加MEMS工艺步骤(以便定义相应的芯片)。在一些实现中，如本文详细描述的，感测元件阵列205 和参考元件阵列210被提供在相应的悬挂膜上。例如，悬挂膜可以从管芯220的主体释放，或者它们可以从管芯220的前面释放(例如通过湿法蚀刻工艺，而不移除所有衬底)。
此外，热成像传感器105包括(顶部)半导体主体，例如硅的管芯225。例如，通过蚀刻，在管芯225中形成对应于感测元件阵列 205的腔230和对应于参考元件阵列210的腔235。此外，通过管芯 225打开窗口240(例如，通过蚀刻)，以便暴露管芯220的横向部分，其中提供了热成像传感器105的I/O触点245(例如，焊盘)。热成像传感器105还包括(底部)半导体主体，例如硅的管芯250。管芯225和管芯250结合到管芯220，管芯225和管芯250的腔230、 235面向管芯220，例如，通过图中未示出的相应的玻璃中间层的玻璃熔料技术，以将感测元件205阵列封装在由对应于感测元件205 的管芯220的腔230和腔255限定的真空密封结构中，并将参考元件210阵列封装在由对应于参考元件210的管芯220的腔235和腔 260限定的真空密封结构中，其中密封结构防止来自大气的热沉并机械地保护感测/参考元件205，210。
管芯225对红外辐射基本上是透明的。因此，管芯220包括分别位于腔230和235处的释放膜205和210中的吸收层265；吸收层 265由诸如沉积TiN的红外高吸收光谱材料制成，以改善要由下面的感测元件205感测的红外辐射的吸收。在腔235处的管芯225的顶部提供红外高反射率材料的屏蔽层270，以屏蔽下面的参考元件210 免受红外辐射。此外，管芯250包括腔255内的真空吸气剂275和腔260内的真空吸气剂280。真空吸气剂275、280由反应性材料层制成，例如沉积的锆-铝合金，能够例如以化学方式或通过吸收去除存在于真空密封腔255、260中的任何残余气体分子。
现在参考图3，示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的感测/参考元件205、210的简化电路模式。
感测/参考元件205、210具有基于热电偶305s、305r(或更多) 和(感测/参考)晶体管310s、310r(或更多)的组合的混合结构。为了简单起见，在下文中参考传感元件205，考虑适用于参考元件 210的相同因素，不同的是，在这种情况下，热电偶305r和晶体管 310r都被屏蔽免受红外辐射。
在一些实施方式中，热电偶305s具有热接头和冷接头，该热接头被布置成接收待感测的红外辐射，例如，以便被加热到依赖于其的温度，该冷接头被保持在环境温度；这样，热电偶305s根据热接头的温度和冷接头的温度之间的差以及外部施加的电压Vg提供感测电压Vtc。晶体管310s也被布置成接收要感测的红外辐射，例如，以便被加热到依赖于其的温度。此外，晶体管310s与热电偶305s 耦合，以便根据其感测电压Vtc而被驱动。因此，晶体管310s提供取决于晶体管310s的温度和感测电压Vtc两者的感测元件205的感测信号。
例如，晶体管310s是例如n型的热绝缘MOS(TMOS)晶体管，即，在(热)绝缘结构上制成的MOS晶体管，以使其电特性强烈依赖于温度。在这种情况下，TMOS晶体管310s具有分别用于访问源极区、漏极区和栅极区的源极端子S、漏极端子D和栅极端子G。热电偶305s具有限定其冷接头的正端子P和负端子N，该冷接头与其热接头H相对。热电偶305s的正端子P与TMOS晶体管310s的栅极端子G耦合。
TMOS晶体管310s的源极区、漏极区和栅极区以及热电偶305S 的热接头H被布置在热区315中，例如被红外辐射加热，而晶体管 310s的源极端S、漏极端D和栅极端G以及热电偶305S的冷接头 P-N被布置成保持在环境温度。在操作中，通过分别对TMOS晶体管310s的源端S、漏端D和栅端G施加(偏置)电压Vs、Vd、Vg 来偏置TMOS晶体管310s。在一些实现中，TMOS晶体管310s被偏置到亚阈值条件，例如，其中它对温度更敏感，即，其源极端子S 和栅极端子G之间的电压Vgs低于其阈值电压Vth；例如，通过将电压Vs设置为参考值或地，将电压Vd设置为0.6V和将电压Vg设置为0.21V(相对于地)来实现该结果。在这种情况下，当没有红外辐射到达感测元件205时，由热电偶305s提供的感测电压Vtc为0V，然后TMOS晶体管310s的栅极端子G接收相同的电压Vg。相应的亚阈值电流Itm随后在TMOS晶体管310s的漏极端子D和源极端子 S之间流动，其中电流Itm可用作感测元件205的感测信号，由此称为感测电流Itm。相反，当任何红外辐射到达感测元件205时，它加热热电偶305s和TMOS晶体管310s两者。因此，由TMOS晶体管 310s提供的感测电流Itm根据温度增加。同时，由热电偶305s提供的感测电压Vtc也根据温度增加，例如0.5-1.0μV/℃的数量级。因此，施加到TMOS晶体管310s的栅极端子G的电压(Vg+Vtc)相应地被提升，这导致由其提供的感测电流Itm相应地进一步增加。
上述解决方案显著提高了感测元件205的性能，进而提高了整个热成像传感器的性能。例如，以这种方式，可以增加灵敏度并降低响应时间，例如，高达一个数量级，例如从仅TMOS晶体管310s 的几nA/℃的灵敏度传递到大约几十nA/℃。这反映了热成像设备的性能的相应改进，例如，就其噪声等效温差(NETD)而言。
所有这些都促进了热成像设备在更多领域的使用，例如，在消费者应用中，特别是在移动类型的应用中。
现在参考图4A至图4C，示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的细节的示意图。
图4A示出了感测元件阵列的一部分的俯视图，图4B示出了沿着图4A至图4C的平面A-A的单个感测/参考元件205、210的横截面图，图4C示出了在图4A中环绕的单个感测/参考元件205、210 的布置。
(SOI)管芯220具有分层结构，包括衬底405，例如由半导体材料制成，例如由单晶硅制成；功能层410，例如包括单晶硅的有源层、栅极氧化物层、多晶硅层、一个或多个金属层和一个或多个绝缘材料层(例如二氧化硅)；以及隔离它们的电绝缘材料的掩埋绝缘层415，例如氧化硅。管芯220被微机械加工以限定功能层410和绝缘层415的悬挂膜，绝缘层415容纳感测/参考元件205、210阵列，其中悬挂膜从衬底405释放。悬挂膜被图案化以限定栅格420。栅格 420由规则间隔的行横档和列横档限定，它们彼此例如垂直地交叉，以形成用于感测/参考元件205、210的相应框架425，例如周围的孔。对于每个感测/参考元件205、210，栅格420于是包括从框架425悬挂的板430。为此目的，一个或多个(保持)臂，在所讨论的示例中是两个，用标号435a和435b表示，从框架425支撑板430；臂435a、 435b相对长，例如具有U形，并且薄。
在每个感测/参考元件205、210中，热电偶的热接头H和感测晶体管形成在板430中，热电偶和感测晶体管分别用参考305和310 表示，而热电偶305的冷接头P-N形成在框架425中。更具体地，热电偶305包括(导电)材料的(第一)导体440p和另一(导电) 材料的(第二)导体440n，分别例如P+多晶硅和N+多晶硅，它们分别通过臂435b和435a在框架425和板430之间延伸。在板430 中的导体440p和440n的端部，例如在其拐角处，例如通过诸如铝的金属轨道短路，以限定热电偶305的热接头H。框架425中的导体440p和440n的端部分别限定热电偶305的冷接头的正端子P和负端子N。此外，通过掺杂有P+型和N+型杂质的单晶层的两个区域，可以以类似的方式形成另一个热电偶(图中未示出)，该另一个热电偶串联耦合到热电偶305成热堆。为了简单起见，在下面将参考单个热电偶305，并且同样的考虑适用于热堆。TMOS晶体管310具有例如N+型的源极区和漏极区，以及例如P+多晶硅的栅极区，所述栅极区与在它们之间形成的沟道绝缘，例如具有蜂窝结构，其中相同的结构复制在多个(例如64)单元中，该单元在它们之间串联/ 并联连接。由(导电)材料(例如P+多晶硅和/或N+多晶硅)制成的相应导体445s1、445s2、445d和445g，通过臂435a、435b在框架425和板430之间延伸，用于将源极区、漏极区和栅极区分别连接到源极端子S、漏极端子D和栅极端子G。导体445s1、445s2被复制以利用在臂435a和435b对称的情况下剩余的自由导体，每个臂具有3个导体。一个或多个(热)导电材料的导电轨道450，例如三层金属，例如铝，沿着框架425延伸，用于热均衡热电偶305与衬底405的冷接头P-N，从而充当其热沉元件，并用于传输电信号。
上述结构在板430和框架425之间提供良好的热绝缘，例如，相应的低热传导系数Gth；以这种方式，可以获得感测/参考元件205、 210之间的低热串扰。此外，除了与板430的热绝缘之外，从框架 425向衬底405的热耗散使得可以获得热电偶305的良好灵敏度。
热电偶305的正/负端P、N和TMOS晶体管310的源/漏/栅端子 S、D、G可以根据热成像传感器的相应架构以多种方式在框架425 中连接在它们之间。
现在参考图5，示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的示例架构。
在这种情况下，感测/参考元件205、210被配置为一起操作。在一些实施方式中，每个热电偶305的不同于其系列中的最后一个热电偶305的正端P(例如，经由导体440p通过臂435a与板430中的热接头H耦合)例如在相应的框架425中与串联中的下一个热电偶 305的负端子N(例如，经由导体440n通过臂435a与板430中的热接头H耦合)相耦合。所有TMOS晶体管310的源极端子S、漏极端子D和栅极端子G，例如通过臂435b、435b和435a分别经由导体455s1、455s2、455d和455g与源极区、漏极区和栅极区耦合，在相应的框架425中分别耦合到共同的源极端子CS、共同的漏极端子 CD和共同的栅极端子CG。串联中的第一个热电偶305的负端子N 是用于接收电压Vg的所有感测/参考元件205、210的公共偏置端子；最后一个热电偶305的正端子P与TMOS晶体管310的公共栅极端子CG耦合。
以这种方式，热电偶305串联连接，以便提供公共的感测电压，该感测电压等于它们的感测电压Vtc的总和，该感测电压驱动所有 TMOS晶体管310。相反，TMOS晶体管310并联连接，以便提供公共感测电流CItm，该公共感测电流CItm等于它们的感测电流Itm之和，在它们的公共源极端子CS和公共漏极端子CD之间流动。该配置强调了所提出的解决方案的上述优点。
现在参考图6，示出了根据本公开的实施例的热成像传感器的另一示例架构。
在这种情况下，感测/参考元件205、210被配置为单独操作。例如，每个感测/参考元件205，210具有以下配置。热电偶305的负端子N，例如，通过臂435a经由导体440n与其在板430中的热接头H 耦合，是感测/参考元件205、210的偏置端子，用于接收电压Vg。热电偶305的正端子P，例如通过臂435a经由导体440p与其在板 430中的热接头H耦合，在框架425中与TMOS晶体管310的栅极端子G耦合，例如通过臂440a经由导体445g与栅极区耦合。例如，分别经由导体455s1、455s2和455d通过臂435b和435b与源极区和漏极区耦合的TMOS晶体管310的源极端子S和漏极端子D，在框架425中分别接收偏置电压Vs和Vd。
以这种方式，热电偶305用其感测电压Vtc驱动TMOS晶体管 310。因此，TMOS晶体管310提供其在源极端子S和漏极端子D之间流动的感测电流Itm。该配置独立地对不同的感测/参考元件205、 210应用上述优点。
例如，感测/参考元件205、210可以在行级别上连续启用。为此，所有感测/参考元件205、210的源极端子S与参考端子耦合，例如用于接收地电压。阵列的每列的感测/参考元件205、210的漏极端子D 与对应的列线耦合，阵列的每行的感测/参考元件205、210的偏置端子例如与栅极端子G耦合，与对应的行线耦合。在静止状态下，所有行线和列线被偏置到地，使得所有TMOS晶体管310不提供任何电流。在感测操作期间，所有列线被偏置到电压Vd。然后连续地选择行的感测/参考元件205、210。为此，将所选行的行线偏置到电压 Vg。因此，相应的TMOS晶体管310提供沿相应列线流动的它们的感测电流Itm。感测电流Itm例如由相应的感测放大器转换成电压，该电压由热成像传感器105输出。
现在参考图7，示出了根据本公开的实施例的结合了热成像设备 100的系统700的示意性框图。
例如，当热成像设备100分别基于全局或单独操作的热成像传感器时，系统700是热扫描仪或智能电话。系统700包括通过总线结构705(具有一个或多个级别)在它们之间连接的若干单元。例如，微处理器(μP)710或更多提供系统700的逻辑能力；非易失性存储器(ROM)715存储用于系统700的引导的基本代码，而易失性存储器(RAM)720被微处理器710用作工作存储器。该系统具有用于存储程序和数据的大容量存储器725(例如，闪存E2PROM)。此外，系统700包括外围设备730的多个控制器，外围设备730包括上述热成像设备100。例如，在热扫描仪的情况下，热成像设备100 实现红外测温仪(外围设备730进一步包括控制按钮、显示器等)；在智能电话的情况下，取而代之的是，热成像设备100实现红外相机(外围设备730进一步包括电话收发器、Wi-Fi WNIC、触摸屏、 GPS接收机、加速度计等)。
自然，为了满足局部和特定要求，本领域技术人员可以对本公开应用许多逻辑和/或物理修改和改变。更具体地，尽管已经参照本公开的一个或多个实施例以一定程度的特殊性描述了本公开，但应当理解，形式和细节以及其他实施例中的各种省略、替换和改变是可能的。例如，即使没有在前面的描述中阐述的特定细节(例如数值)，也可以实践本公开的不同实施例，以提供对其更透彻的理解；相反，众所周知的特征可以被省略或简化，以便不用不必要的细节来模糊描述。此外，明确的意图是，结合本公开的任何实施例所描述的特定元件和/或方法步骤可以作为一般设计选择的事项结合在任何其他实施例中。此外，在同一组和不同的实施例、示例或备选方案中呈现的项不应被解释为事实上彼此等同(但它们是分离的和自治的实体)。在任何情况下，每个数值都应读作根据适用公差修改；例如，除非另有说明，否则术语“基本上”、“大约”、“约”等应理解为 10％以内，优选为5％，更优选为1％。此外，每一个数值范围都应明确规定在该范围内(包括其终点)沿连续体的任何可能的数字。序号或其他限定符只是用作标签来区分同名元素，但它们本身并不意味着任何优先级、优先权或顺序。术语包括、具有、包含、涉及等应旨在具有开放的、非穷尽的含义(即，不限于所述项)，基于、依赖、根据功能等的术语应旨在作为非排他性关系(即，涉及可能的进一步变量)，术语一/一个应旨在作为一个或多个项(除非另有明确指示)，术语手段(或任何手段加功能表述)应旨在作为适应或配置用于执行相关功能的任何结构。
例如，一个实施例提供了一种用于感测热辐射的热成像传感器。然而，该热成像传感器可用于感测任何热辐射(例如，在红外、太赫兹、微波等频率范围内)用于任何目的(例如，用于测量物体的温度、获取热图图像、检测物体的存在、检测运动等)。
在一个实施例中，热成像传感器包括一个或多个热电偶。然而，热电偶可以是任意数目和以任意方式排列(例如，以二维矩阵、线性向量等)。
在一个实施例中，每个热电偶具有设置成接收热辐射(由此被加热到依赖于热辐射的温度)的热接头和设置成保持在独立于热辐射的温度的冷接头，该冷接头适于提供依赖于热接头的温度与冷接头的温度之间的差的感测电压。然而，热电偶可以是任何类型的(例如，多晶硅/多晶硅、多晶硅/金属、硅/金属等)。
在一个实施例中，热成像传感器包括一个或多个感测晶体管。然而，感测晶体管可以是任意数量和以任意方式布置(例如，相对于热电偶相同或不同)。
在一个实施例中，感测晶体管被布置成接收热辐射(由此被加热到依赖于热辐射的温度)。然而，感测晶体管可以为此目的以任何方式布置(例如，与相应的热电偶一起，从热电偶分离等等)。
在一个实施例中，感测晶体管与对应的一个或多个热电偶耦合，以便根据对应的感测电压驱动。然而，感测晶体管可以以任何方式与热电偶耦合(例如，与每个感测晶体管耦合的相应热电偶或热电偶组，与所有感测晶体管耦合的所有热电偶等)，以任何方式驱动(例如，直接、经由电压-电流转换器、经由放大器等)。
在一个实施例中，感测晶体管适于根据其温度和相应的感测电压提供感测电信号。然而，感测电信号可以是任何类型的(例如，电流、电压等)。
在一个实施例中，热成像传感器包括一个或多个参考晶体管。然而，参考晶体管可以是任意数目的并且以任意方式排列(例如，相对于感测晶体管，相同或不同，由进一步的热电偶驱动或不驱动，等等)。
在一个实施例中，每个参考晶体管被设置成屏蔽热辐射(从而保持在独立于其的温度)，参考晶体管适于提供依赖于其温度的参考电信号。然而，参考晶体管可以以任何方式被屏蔽(例如，全部一起屏蔽、单独屏蔽等等)，并且每个参考电信号可以是任何类型的(例如，相对于感测电信号相同或不同)。
在一个实施例中，热成像传感器包括用于提供指示热辐射的一个或多个温度电信号的比较电路。然而，温度电信号可以是任意数目的(例如，整个热成像传感器中的单个信号，每个感测晶体管或一组感测晶体管的单个信号等等)。
在一个实施例中，根据感测晶体管的感测电信号和参考晶体管的参考电信号之间的比较来提供温度电信号。然而，可以根据任何比较(例如，通过将所有感测晶体管的公共感测电信号与单个参考电信号进行比较，将每个感测晶体管或感测晶体管组的感测电信号与相应的参考电信号进行比较，等等)来提供温度电信号。
另外的实施例提供附加的有利特征，然而在基本实现中可以完全省略这些特征。
例如，在一个实施例中，热成像传感器包括一个或多个另外的热电偶。然而，进一步的热电偶可以是任意数量和以任意方式排列 (相对于热电偶相同或不同)。
在一个实施例中，每个另外的热电偶具有另外的热接头和另外的冷接头，热接头和冷接头适于根据另外的热接头的温度和另外的冷接头的温度之间的差提供另外的感测电压。然而，进一步的热电偶可以是任何类型的(与热电偶相同或不同)。
在一个实施例中，另外的热电偶被设置成屏蔽热辐射，从而保持在独立于热辐射的温度。然而，进一步的热电偶可以以任何方式被屏蔽(与参考晶体管相同或不同)。
在一个实施例中，参考晶体管中的每一个与相应的一个或多个另外的热电偶耦合，以便根据相应的另外的感测电压而被驱动，从而进一步根据相应的另外的感测电压提供相应的参考电信号。然而，参考晶体管可以以任何方式与其他热电偶耦合，以便以任何方式被驱动(与感测晶体管相同或不同)。
在一个实施例中，热成像传感器包括一个或多个感测元件，每个感测元件包括至少一个热电偶和至少一个感测晶体管。然而，感测元件可以包括任意数量的热电偶(例如，单个热电偶，由多个热电偶串联连接形成的热堆等)和任意数量的感测晶体管(例如，单个感测晶体管，具有由任意数量的单元串联和/或并联连接形成的奇异结构或单元结构，任意数量的感测晶体管串联和/或并联连接，等等)。
在一个实施例中，热成像传感器包括对应的一个或多个参考元件，每个参考元件包括参考晶体管中的至少一个。然而，对应于每个感测元件的参考晶体管可以是任意数量的(例如，相对于感测元件的感测晶体管相同或不同)。
在一个实施例中，感测元件集成在绝缘体型半导体的主体上。然而，主体可以是任何类型(例如，SOI、SOS，更一般地甚至不是绝缘体上的半导体类型，例如具有生长在衬底上的外延层)并且以任何方式提供(例如，以原始晶片形式封装成裸管芯等)。热成像传感器可以用任何技术制造，掩模的数量和类型不同，并且具有不同的工艺步骤/参数。此外，上述解决方案可以是集成器件设计的一部分。该设计也可以用硬件描述语言创建；而且，如果设计者不制造芯片或掩码，设计可能会通过物理手段传递给他人。
在一个实施例中，主体包括衬底。然而，衬底可以是任何类型的(例如，硅、锗、具有任何类型和浓度的掺杂剂，等等)。
在一个实施例中，主体包括半导体材料的功能层。然而，功能层可以是任何类型的(例如，相对于衬底相同或不同)。
在一个实施例中，主体包括插入在衬底和功能层之间的绝缘层。然而，绝缘层可以是任何类型的(例如，氧化硅、氮化硅等)。
在一个实施例中，主体被图案化以限定从衬底悬挂的(功能层和绝缘层的)栅格。然而，栅格可以具有任何形状、大小和结构；该结果可以以任何方式实现(例如，在传感元件集成之后、之前和/ 或期间应用MEMS、NEMS等工艺步骤，等等)。
在一个实施例中，对于每个感测元件，栅格包括框架、板和从框架支撑板的一个或多个臂。然而，框架和板可以是任何大小和形状(例如，正方形、矩形等，彼此相同或不同)，臂可以是任何数量以及在任何位置(例如，在板的边界、角等处)，它们可以具有任何长度、宽度和形状(例如，U型、S型、直的等)。
在一个实施例中，感测元件的感测晶体管形成在板中。然而，感测晶体管可以以任何方式布置在板中(例如，取大部分，在中心，在侧向部分等)。
在一个实施例中，感测元件的热电偶包括第一导体(由第一导电材料制成)，第一导体从框架中冷接头的第一端子通过臂之一延伸到板。然而，第一导体可以是任何材料(例如，沉积的多晶硅/金属、注入的/扩散的掺杂剂)，并且它可以以任何方式延伸到板中(例如，沿着一个或多个边界，到中心等等)。
在一个实施例中，感测元件的热电偶包括第二导体(由不同于第一导电材料的第二导电材料制成)，第二导体从框架中冷接头的第二端子通过臂之一延伸到板。然而，第二导体可以是任何材料，并且它可以以任何方式延伸到板中(例如，相对于第一导体相同或不同)并穿过任何臂(例如，与第一导体相同或另一个)。
在一个实施例中，第一导体和第二导体在板上短路到热接头中。然而，第一导体和第二导体可以在任何位置(例如，在板的拐角、边界、中心等)和以任何方式(例如，通过任何连接元件，例如金属、多晶硅等，直接等等)短路。
在一个实施例中，热成像传感器包括多个感测元件。然而，感测元件可以是任意数量且以任意方式排列(例如，以二维矩阵、线性向量等)。
在一个实施例中，感测元件的感测晶体管被耦合以基于其感测电信号之和提供公共感测电信号。然而，感测晶体管可以以任何方式耦合(例如，并联以提供公共感测电流，串联以提供公共感测电压等)。
在一个实施例中，感测元件的热电偶串联耦合，以基于其感测电压之和提供用于驱动所有感测晶体管的公共感测电压。然而，公共感测电压可能以任何方式驱动感测晶体管(见上文)。
在一个实施例中，比较电路适于根据公共感测信号和由参考元件提供的公共参考信号之间的比较来提供温度电信号之一。然而，单一温度电信号可以以任何方式提供(见上文)。
在一个实施例中，每个感测晶体管具有第一导电端子和第二导电端子，用于提供相应的感测电信号，该感测电信号是感测电流。然而，第一/第二导电端子可以是任何类型的(例如，MOS晶体管中的源极/漏极端子、BJT晶体管中的发射极/集电极端子等)。
在一实施例中，感测晶体管的第一导电端子和第二导电端子分别并联耦合到公共第一导电端子和公共第二导电端子中，用于提供作为公共感测电流的公共感测电信号。然而，第一/第二导电端子可以以任何方式并联耦合(例如，通过一个或多个导体、通过相同或不同的臂访问它们中的每一个，等等)。
在一个实施例中，每个感测晶体管具有用于控制感测晶体管的控制端子。然而，控制端子可以是任何类型的(例如，MOS晶体管中的栅极端子、BJT晶体管中的基极端子等)。
在一个实施例中，感测晶体管的控制端子并联耦合到用于接收公共感测电压的公共控制端子。然而，控制端子可以以任何方式并联耦合(例如，通过相对于第一/第二导电端子的相同或不同臂、通过一个或多个导体访问它们中的每一个，等等)。
在一个实施例中，与最后一个热电偶不同的每个热电偶的第二端子与对应框架中的下一个热电偶的第一端子耦合。然而，这种连接可以以任何方式进行(例如，用多晶硅、金属和类似物的轨道，直接等等)。
在一个实施例中，热电偶中的第一个的第一端子限定用于接收热成像传感器的偏置电压的偏置端子。然而，第一热电偶和偏置端子可以布置在任何位置(例如，栅极的拐角、边界等)，并且偏置电压可以具有用于以任何方式偏置感测晶体管的任何值(例如，到亚阈值条件、到导通条件等)。
在一个实施例中，最后一个热电偶的第二端子通过相应的一个臂与每个感测晶体管的控制端子耦合。然而，最后一个热电偶可以布置在任何位置(例如，栅极的拐角、边界等)，并且它可以以任何方式与每个感测晶体管的控制端子耦合(例如，通过其第一导体的相同臂和/或通过另一臂以任何数量的导体耦合，等等)。
在一个实施例中，在每个感测元件中，感测晶体管与热电偶耦合，以根据相应的感测电压被驱动。然而，感测电压可能以任何方式驱动感测晶体管(见上文)。
在一个实施例中，比较电路适于根据感测元件的感测晶体管的感测信号与相应参考元件的参考信号之间的比较，为每个感测元件提供相应的温度电信号之一。然而，温度电信号可以以任何方式提供(见上文)。
在一个实施例中，在每个感测元件中，热电偶的第二端子通过臂中的一个与感测晶体管的控制端子耦合。然而，这种耦合可以以任何方式获得(例如，通过热堆的第一导体的相同臂和/或通过另一臂的任何数量的导体，等等)。
在一个实施例中，感测晶体管是TMOS晶体管。然而，TMOS 晶体管可以是任何类型的(例如，NMOS，PMOS等)。
一个实施例提供了一种热成像设备。然而，热成像设备可以是任何类型的(例如，热扫描仪、相机、运动传感器等)。
在一个实施例中，热成像设备包括上述热成像传感器和信号处理电路，信号处理电路与热成像传感器耦合以处理温度信号。然而，信号处理电路可以应用任何数量和类型的处理操作(例如，相对于上面提到的处理操作，部分的、不同的和附加的处理操作)；此外，信号处理电路可以是任何类型的(例如，集成在任何类型的单独主体上，相对于热成像传感器之一相同或不同，以及相同主体中的热成像传感器，等等)，热成像传感器和处理电路可以以任何方式耦合 (例如，在公共封装中、公共芯片上、PCB上等等)。
一个实施例提供了一种包括上述至少一个热成像设备的系统。然而，该系统可以包括任何数量的热成像设备，并且它可以是任何类型的(例如，用于确保社交距离、控制空调、监控食物运输、检测热点、帮助人们、控制访问等等)。
通常，如果热成像传感器、热成像设备和系统各自具有不同的结构或包括等效部件(例如，不同材料)或具有其他操作特性，则适用类似的考虑。在任何情况下，它的每一个组成部分都可以被分离成更多的元件，或者两个或更多的元件可以组合在一起成为单个元件；此外，可以复制每个组件以支持并行执行相应的操作。此外，除非另有说明，不同组件之间的任何交互通常不需要是连续的，它可以是直接的，也可以是通过一个或多个中介间接的。
一种用于感测热辐射的热成像传感器(105)，其中，所述热成像传感器(105)可以概括为包括一个或多个热电偶(305s)，每个热电偶具有设置成接收热辐射从而被加热到与其相关的温度的热接头(H)和设置成保持在与之无关的温度的冷接头(P-N)，所述冷接头(P-N)适于根据所述热接头(H)的温度和所述冷接头(P-N) 的温度之间的差提供感测电压；一个或多个感测晶体管(310s)，每个感测晶体管被布置成接收热辐射，从而被加热到依赖于热辐射的温度，并与相应的一个或多个热电偶(305s)耦合，以根据相应的感测电压被驱动，感测晶体管(310s)适于根据其温度和相应的感测电压提供感测电信号；一个或多个参考晶体管(310r)，每一个都被设置成屏蔽热辐射，从而保持在与之无关的温度，参考晶体管(310r)适于提供依赖于其温度的参考电信号；以及比较电路(215)，用于根据感测晶体管(310s)的感测电信号和参考晶体管(310r)的参考电信号之间的比较来提供指示热辐射的一个或多个温度电信号。
所述热成像传感器(105)可以包括一个或多个另外的热电偶 (305r)，每个热电偶具有另外的热接头(H)和另外的冷接头(P-N)，所述热电偶适合于根据所述另外的热接头(H)的温度和所述另外的冷接头(P-N)的温度之间的差提供另外的感测电压，另外的热电偶(305r)被设置成被屏蔽而不受热辐射的影响，从而保持在独立于热辐射的温度，并且每个参考晶体管(310r)可以与相应的一个或多个另外的热电偶(305r)耦合，以便根据相应的另外的感测电压被驱动，从而提供进一步依赖于相应的另外的感测电压的相应的参考电信号。
热成像传感器(105)可以包括一个或多个感测元件(205)，每个感测元件包括至少一个热电偶(305s)和至少一个感测晶体管 (310s)，并且热成像传感器(105)可以包括对应的一个或多个参考元件(210)，每个参考元件包括至少一个参考晶体管(310r)。
感测元件(205)可以集成在绝缘体型半导体的主体(220)上，其中，所述主体(220)可以包括衬底(405)、功能层(410)和绝缘层(415)，所述绝缘层介于所述衬底(405)和所述功能层(410) 之间，所述主体(220)被图案化以限定从所述衬底(405)悬挂的所述功能层(410)和所述绝缘层(415)的栅格(420)，其中对于每个感测元件(205)，栅格(420)可以包括框架(425)、板(430) 和从框架(425)支撑板(430)的一个或多个臂(435a、435b)，其中感测元件(205)的感测晶体管(310s)形成在板(430)中，并且其中感测元件(205)的热电偶(305s)可以包括第一导电材料的第一导体(440P)和与第一导电材料不同的第二导电材料的第二导体(440n)，第一导体从框架(425)中的冷接头的第一端子(P)通过臂(435a、435b)之一延伸到板(430)，第二导体从框架(425) 中的冷接头的第二端子(N)通过臂(435a、435b)之一延伸到板(430)，第一导体(440p)和第二导体(440N)在板(430)处短路到热接头(H)中。
热成像传感器(105)可以包括多个感测元件(205)，感测元件 (205)的感测晶体管(310s)被耦合以基于其感测电信号之和提供公共感测电信号，感测元件(205)的热电偶(305s)被串联耦合以基于其感测电压之和提供公共感测电压，用于驱动所有感测晶体管(310s)，比较电路(215)可适于根据公共感测信号与由参考元件(210)提供的公共参考信号之间的比较来提供温度电信号之一。
每个感测晶体管(310s)可以具有第一导电端子(S)和第二导电端子(D)，用于提供相应的感测电信号，该感测电信号是感测电流，感测晶体管(310s)的第一导电端子(S)和第二导电端子(D) 分别并联耦合到公共第一导电端子(S)和公共第二导电端子(D)，以提供作为公共感测电流的公共感测电信号，并且每个感测晶体管 (310s)可以具有用于控制感测晶体管(310s)的控制端子(G)，感测晶体管(310s)的控制端子(G)并联耦合到用于接收公共感测电压的公共控制端子(G)。
不同于热电偶(305s)中最后一个热电偶的每个热电偶(305s) 的第二端子(N)可以与对应框架(425)中的热电偶(305s)中的下一个热电偶的第一端子(P)耦合，热电偶(305s)中的第一热电偶的第一端子(P)限定用于接收热成像传感器(105)的偏置电压 (Vg)的偏置端子，最后一个热电偶(305s)的第二端子(N)通过臂(435a、435b)中的相应一个臂与每个感测晶体管(310s)的控制端子(G)耦合。
热成像传感器(105)可以包括多个感测元件(205)，在每个感测元件(205)中，感测晶体管(310s)与热电偶(305s)耦合，以便根据相应的感测电压被驱动，并且比较电路(215)可以适于根据感测元件(205)的感测晶体管(310s)的感测信号和相应的参考元件(210)的参考信号之间的比较，为每个感测元件(205)提供相应的温度电信号之一。
在每个感测元件(205)中，热电偶(305s)的第二端子(N) 可以通过臂(435a、435b)之一与感测晶体管(310s)的控制端子(G) 耦合。
感测晶体管(310s)可以是TMOS晶体管(310s)。
热成像设备(100)可以概括为包括热成像传感器(105)和信号处理电路(110)，信号处理电路(110)与热成像传感器(105) 耦合用于处理温度信号。
一种系统(700)可以概括为包括至少一个热成像设备(100)。
以上描述的各种实施例可以组合以提供进一步的实施例。如果需要，可以修改实施例的方面，以采用各种实施例的概念来提供又一实施例。
可以根据上述详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制到说明书和权利要求中公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求有权享有的等效物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.一种热成像传感器，用于感测热辐射，其特征在于，所述热成像传感器包括：
一个或多个热电偶，每个热电偶具有热接头和冷接头，所述热接头被配置为响应于所述热辐射被加热到一温度，所述冷接头被配置为保持在与所述热辐射无关的温度，每个热电偶被配置为基于所述热接头的温度和所述冷接头的温度之间的差提供感测电压；
一个或多个感测晶体管，每个感测晶体管被配置为响应于所述热辐射被加热到一温度，并且与所述热电偶中被配置为基于对应的感测电压被驱动的对应的一个或多个热电偶耦合，每个感测晶体管被配置为基于所述感测晶体管的温度和所述对应的感测电压提供感测电信号；
一个或多个参考晶体管，每个参考晶体管被配置为与所述热辐射屏蔽并且具有与所述热辐射无关的温度，每个参考晶体管被配置为基于所述参考晶体管的温度提供参考电信号；以及
比较电路，被配置为基于所述一个或多个感测晶体管的感测电信号与所述一个或多个参考晶体管的参考电信号之间的比较来提供一个或多个温度电信号，所述一个或多个温度电信号指示所述热辐射。
2.根据权利要求1所述的热成像传感器，其特征在于，所述热成像传感器包括一个或多个参考热电偶，每个参考热电偶具有热接头和冷接头，所述参考热电偶被配置为基于所述参考热电偶的所述热接头的温度和所述参考热电偶的所述冷接头的温度之间的差提供感测电压，所述参考热电偶被配置为与所述热辐射屏蔽，并且具有与所述热辐射无关的温度，并且所述参考晶体管中的每个参考晶体管与一个或多个参考热电偶耦合，并且被配置为根据所述一个或多个参考热电偶的对应的感测电压被驱动，并且基于所述一个或多个参考热电偶的参考感测电压提供参考电信号。
3.根据权利要求1所述的热成像传感器，其特征在于，所述热成像传感器包括一个或多个感测元件，每个感测元件包括所述一个或多个热电偶中的至少一个热电偶和所述一个或多个感测晶体管中的至少一个感测晶体管，并且其中所述热成像传感器包括一个或多个参考元件，所述一个或多个参考元件与所述一个或多个感测元件相对应，每个参考元件包括所述一个或多个参考晶体管中的至少一个参考晶体管。
4.根据权利要求3所述的热成像传感器，其特征在于，所述感测元件被集成在主体上，所述主体具有衬底、功能层和绝缘层，所述绝缘层介于所述衬底和所述功能层之间，所述主体被图案化以限定从所述衬底悬挂的所述功能层和所述绝缘层的栅格，其中对于所述一个或多个感测元件中的每个感测元件，所述栅格包括框架、板和一个或多个臂，所述一个或多个臂将所述板与所述框架耦接，其中所述感测元件的所述感测晶体管被形成在所述板中，并且其中所述感测元件的所述热电偶包括第一导电材料的第一导体和与所述第一导电材料不同的第二导电材料的第二导体，所述第一导体从所述框架中的所述冷接头的第一端子通过所述臂中的一个臂延伸到所述板，所述第二导体从所述框架中的所述冷接头的第二端子通过所述臂中的一个臂延伸到所述板，所述第一导体和所述第二导体在所述板处被短路到所述热接头中。
5.根据权利要求3所述的热成像传感器，其特征在于，所述热成像传感器包括多个感测元件，所述感测元件的所述感测晶体管被耦合以基于所述多个感测元件的所述感测电信号之和提供公共感测电信号，并且所述多个感测元件的所述热电偶被串联耦合，以基于所述热电偶的所述感测电压之和提供公共感测电压，用于驱动所有的所述感测晶体管，并且其中所述比较电路被配置为基于所述公共感测信号之间的比较提供温度电信号。
6.根据权利要求5所述的热成像传感器，其特征在于，所述感测晶体管中的每个感测晶体管具有第一导电端子和第二导电端子，用于提供对应的感测电流作为感测电信号，所述感测晶体管的所述第一导电端子和所述第二导电端子被分别并联耦合到公共第一导电端子和公共第二导电端子中，用于提供公共感测电流作为所述公共感测电信号，并且其中所述感测晶体管中的每个感测晶体管具有控制端子，所述控制端子用于控制所述感测晶体管，所述感测晶体管的所述控制端子被并联耦合到公共控制端子中，所述公共控制端子被耦合以接收所述公共感测电压。
7.根据权利要求4所述的热成像传感器，其特征在于，第一热电偶的第二端子与对应的框架中的第二热电偶的第一端子耦合，所述第一热电偶的第一端子是偏置端子，所述偏置端子用于接收所述热成像传感器的偏置电压，并且所述第二热电偶的第二端子通过所述臂中的对应的一个臂与所述感测晶体管中的每个感测晶体管的控制端子耦合。
8.根据权利要求4所述的热成像传感器，其特征在于，所述热成像传感器包括多个感测元件，在所述感测元件中的每个感测元件中，所述感测晶体管与热电偶耦合以基于所述热电偶的感测电压被驱动，并且其中所述比较电路被配置为根据所述感测元件的所述感测晶体管的所述感测信号与对应的参考元件的参考信号之间的比较，为所述感测元件中的每个感测元件提供所述温度电信号中对应的一个温度电信号。
9.根据权利要求8所述的热成像传感器，其特征在于，在所述感测元件中的每个感测元件中，所述热电偶的第二端子通过所述臂中的一个臂与所述感测晶体管的控制端子耦合。
10.根据权利要求1所述的热成像传感器，其特征在于，所述感测晶体管是热绝缘MOS晶体管。
11.一种热成像传感器，其特征在于，包括：
主体，包括膜和第一腔，所述膜位于所述主体的第一表面上，所述第一腔位于所述主体中并且位于所述膜下方，所述膜包括：
框架部、板部、第一臂部和第二臂部，所述第一臂部将所述板部耦接到所述框架部，所述第二臂部将所述板部耦接到所述框架部；
第一导电轨道，从所述框架部上的第一接头通过所述第一臂部延伸到所述板部上的第二接头；
第二导电轨道，从所述框架部上的第三接头通过所述第二臂部延伸到所述板部上的所述第二接头，所述第一导电轨道和所述第二导电轨道通过所述第二接头彼此耦合；
晶体管，位于所述板部上，所述晶体管包括源极区、漏极区和沟道区；
第三导电轨道，从所述框架上的第一点通过所述第一臂部延伸到所述晶体管的所述源极区；
第四导电轨道，从所述框架上的第二点通过所述第二臂部延伸到所述晶体管的所述漏极区。
12.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述晶体管的所述源极区、所述漏极区和所述沟道区位于所述板部的被配置为接收热辐射的区域中。
13.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述第二接头位于所述板部的被配置为接收热辐射的区域上。
14.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，包括第五导电轨道，所述第五导电轨道从所述框架上的第三点通过所述第一臂部或所述第二臂部中的一个臂部延伸到所述晶体管的所述沟道区。
15.根据权利要求14所述的传感器，其特征在于，所述框架上的所述第三点被耦合到所述框架上的所述第一接头或所述第三接头中的一个接头。
16.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述沟道区包括蜂窝结构。
17.根据权利要求11所述的传感器，其特征在于，所述晶体管是热绝缘MOS晶体管。
18.一种热成像传感器，其特征在于，包括：
第一主体，包括：
第一膜和第二膜，位于所述第一主体的第一表面上，所述第一膜包括第一热电偶和第一热绝缘MOS晶体管，所述第二膜包括第二热电偶和第二热绝缘MOS晶体管；以及
第一腔和第二腔，分别位于所述第一主体中并且位于所述第一膜和所述第二膜的下方，所述第一腔与所述第二腔分离；
第二主体，由所述第一主体的所述第一表面耦接到所述第一主体，所述第二主体具有第三腔和第四腔，所述第三腔面向所述第一膜，所述第四腔面向所述第二膜，所述第三腔与所述第四腔分离；以及
屏蔽层，位于所述第二主体上，远离所述第一主体，并且与所述第四腔交叠，所述屏蔽层被配置为防止热辐射到达所述第二膜。
19.根据权利要求18所述的传感器，其特征在于，包括第三主体，所述第三主体由所述第一主体的第二表面耦接到所述第一主体，所述第二表面与所述第一表面相对，其中所述第一腔和所述第二腔中的每一个腔延伸到所述第三主体中。
20.根据权利要求19所述的传感器，其特征在于，包括比较电路装置，所述比较电路装置被配置为将所述第一热绝缘MOS晶体管的电信号与所述第二热绝缘MOS晶体管的电信号进行比较。
CN202122969410.5U 2020-11-30 2021-11-30 热成像传感器 Active CN218297395U (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT202000029141 2020-11-30
IT102020000029141 2020-11-30
US17/537,074 2021-11-29
US17/537,074 US20220170795A1 (en) 2020-11-30 2021-11-29 Thermographic sensor with thermal transistors driven by thermo-couples

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN218297395U true CN218297395U (zh) 2023-01-13

Family

ID=74557204

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202122969410.5U Active CN218297395U (zh) 2020-11-30 2021-11-30 热成像传感器
CN202111442689.XA Pending CN114577342A (zh) 2020-11-30 2021-11-30 热电偶驱动的具有热晶体管的热成像传感器

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111442689.XA Pending CN114577342A (zh) 2020-11-30 2021-11-30 热电偶驱动的具有热晶体管的热成像传感器

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20220170795A1 (zh)
EP (1) EP4006509B1 (zh)
CN (2) CN218297395U (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11725990B2 (en) 2020-11-30 2023-08-15 Stmicroelectronics S.R.L. Thermographic sensor with thermo-couples on a suspended grid and processing circuits in frames thereof
US20240293001A1 (en) * 2023-03-03 2024-09-05 Globalmedia Group, Llc Portable medical devices, systems, and methods of operation

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10128302B2 (en) 2016-01-28 2018-11-13 Ams Sensors Uk Limited IR detector array device

Also Published As

Publication number Publication date
US20220170795A1 (en) 2022-06-02
EP4006509A1 (en) 2022-06-01
CN114577342A (zh) 2022-06-03
EP4006509B1 (en) 2023-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN218297395U (zh) 热成像传感器
Tanaka et al. Infrared focal plane array incorporating silicon IC process compatible bolometer
US7385199B2 (en) Microbolometer IR focal plane array (FPA) with in-situ mirco vacuum sensor and method of fabrication
US8232525B2 (en) Device for the detection of an electromagnetic radiation and electromagnetic radiation detector comprising such devices
KR100205384B1 (ko) 적외선 센서 및 그의 온도 보상방법
US20100038542A1 (en) Wideband Semiconducting Light Detector
JP5530274B2 (ja) 温度センサ
KR100313909B1 (ko) 적외선 센서 및 그 제조방법
CN104412082A (zh) Ir热电堆探测器
KR102039275B1 (ko) 저-드리프트 적외선 검출기
US12055441B2 (en) Thermographic sensor with thermo-couples on a suspended grid and processing circuits in frames thereof
US20140284483A1 (en) High responsivity device for thermal sensing in a terahertz radiation detector
CN112119290A (zh) 热电堆自测试和/或自校准
US8373561B2 (en) Infrared detector
Fujisawa et al. Development of shutter-less SOI diode uncooled IRFPA for compact size and low power consumption
JPH09325073A (ja) 赤外線カメラ
KR20170135153A (ko) 비접촉식 적외선 온도 센서 모듈
US8212214B2 (en) Solid-state imaging element
Camargo et al. Miniaturized InSb photovoltaic infrared sensor operating at room temperature
Hanaoka et al. 80× 32 SOI diode-based uncooled IRFPAs for thermal detectors
Malyarov Uncooled thermal IR arrays
Liddiard Novel concepts for low-cost IR security sensors
Teranishi Thermoelectric uncooled infrared focal plane arrays
Schimert et al. Low-cost low-power uncooled a-Si-based micro infrared camera
Hay et al. Uncooled focal plane array detector development at InfraredVision Technology Corp.

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant