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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorpixel sowie einen Sensor zum Detektieren von Infrarotstrahlung, auf ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogramm.
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Infrarotstrahlung kann unter Verwendung eines fotoelektrischen Sensors registriert werden. Um dabei eine ausreichende Bildqualität zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Sensor gekühlt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Sensorpixel und ein Sensor zum Detektieren von Infrarotstrahlung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Sensors, ein entsprechendes Steuergerät sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Infrarotstrahlung kann durch ein Bolometer erfasst werden. Dabei erwärmt die Infrarotstrahlung eine Absorberfläche. Ein Transistor kann als Sensorelement zum Erfassen einer Temperatur der Absorberfläche verwendet werden. Der Transistor kann einfach elektrisch angeschlossen werden, da nur zwei Zuleitungen notwendig sind.
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Es wird ein Sensorpixel für einen Sensor zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei das Sensorpixel ein Sensorelement zum Erfassen einer Temperatur einer Absorberfläche des Sensorpixels aufweist, wobei ein Drainkontakt und ein Gatekontakt des Sensorelements miteinander elektrisch leitend verbunden sind und ein Sourcekontakt und ein Bulkkontakt des Sensorelements miteinander elektrisch leitend verbunden sind, wobei der Drainkontakt und der Gatekontakt über einen ersten Anschluss elektrisch kontaktierbar sind und der Sourcekontakt und der Bulkkontakt über einen zweiten Anschluss elektrisch kontaktierbar sind.
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Unter einem Sensorpixel kann ein Bestandteil eines Bildsensors verstanden werden. Das Sensorpixel ist dazu ausgebildet ein Temperatursignal bereitzustellen, das eine Temperatur der Absorberfläche repräsentiert. Die Absorberfläche kann als Absorptionsfläche bezeichnet werden. Sourcekontakt, Drainkontakt, Gatekontakt und Bulkkontakt sind die elektrischen Anschlüsse eines Transistors.
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Das Sensorelement kann ein MOSFET sein. Ein MOSFET kann als Metalloxid-Feldeffekttransistor bezeichnet werden.
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Das Sensorpixel kann eine Balkenstruktur zum thermischen Entkoppeln der Absorberfläche von einem Substrat des Sensorpixels aufweisen. Der erste Anschluss und der zweite Anschluss können in der Balkenstruktur angeordnet sein. Die Anschlüsse können einfach in jeweils ein Ärmchen der Balkenstruktur integriert werden. Ein Grad der thermischen Entkopplung kann durch eine geeignete Wahl der Ausformung der Balkenstruktur realisiert werden.
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Weiterhin wird ein Sensor zum Detektieren von Infrarotstrahlung vorgestellt, wobei der Sensor die folgenden Merkmale aufweist:
ein Sensorpixel gemäß dem hier vorgestellten Ansatz; und
ein Referenzpixel, das entsprechend einem Sensorpixel gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ausgeführt ist, wobei das Referenzpixel thermisch besser mit einem Substrat des Sensors gekoppelt ist, als das Sensorpixel.
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Unter Verwendung zweier Sensorpixel, die sich in dem Grad der thermischen Kopplung ihrer Absorberflächen mit dem Substrat unterscheiden, können zwei sich unterscheidende Sensorsignale generiert werden. Durch einen Vergleich der Sensorsignale kann auf eine Intensität der Infrarotstrahlung geschlossen werden.
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Zum Betreiben des Sensors kann der Sensor ein geeignetes Steuergerät aufweisen oder mit einem solchen Steuergerät gekoppelt sein.
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Es wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors gemäß dem hier vorgestellten Ansatz vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Sensorbetriebssignals für das Sensorpixel und eines Referenzbetriebssignals für das Referenzpixel;
Einlesen eines resultierenden Sensormesssignals des Sensorpixels und eines resultierenden Referenzmesssignals des Referenzpixels; und
Erfassen eines eine Differenz zwischen dem Sensormesssignal und dem Referenzmesssignal repräsentierenden Differenzsignals, wobei das Differenzsignal eine Strahlungsintensität der Infrarotstrahlung repräsentiert.
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Das Sensorbetriebssignal und das Referenzbetriebssignal können mit einer identischen elektrischen Spannung bereitgestellt werden, um das Sensorpixel und das Referenzpixel in einem gemeinsamen Arbeitspunkt zu betreiben. Durch den gleichen Arbeitspunkt sind das Sensormesssignal und das Referenzmesssignal vergleichbar.
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Das Sensorbetriebssignal und das Referenzbetriebssignal können unter Verwendung des Intensitätssignals nachgeführt werden, um einen Arbeitsbereich des Sensors an die Strahlungsintensität anzupassen. Wenn das Differenzsignal einen vorbestimmten Wertebereich überschreitet, können das Sensorbetriebssignal und das Referenzbetriebssignal verstärkt oder abgeschwächt werden, um das Differenzsignal wieder innerhalb des Wertebereichs zu halten.
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Die Schritte des Bereitstellens, des Einlesens und des Erfassens können vorteilhaft unter Verwendung von Stromspiegeln oder ähnlichen Schaltungen ausgeführt werden. Ein Stromspielgel ist dazu ausgebildet, in zwei verschiedenen elektrischen Leitungen den gleichen elektrischen Stromfluss zu bewirken. Dabei wird der Stromfluss in einer der Leitungen als Führungsgröße verwendet, während der Stromfluss in der anderen Leitung angepasst wird, indem eine elektrische Spannung variiert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Sensorbetriebssignal unter Verwendung eines ersten Stromspiegels bereitgestellt werden. Das Referenzbetriebssignal kann unter Verwendung eines zweiten Stromspiegels bereitgestellt werden. Das Sensormesssignal kann unter Verwendung eines dritten Stromspiegels eingelesen werden. Das Referenzmesssignal kann unter Verwendung eines vierten Stromspiegels eingelesen werden. Das Differenzsignal kann unter Verwendung eines fünften Stromspiegels erfasst werden.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine Darstellung eines Prinzips des Auswertekonzepts zur bolometrischen Temperaturmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensors 100 zum Detektieren von Infrarotstrahlung 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 100 ist dazu ausgebildet, eine Strahlungsintensität der Infrarotstrahlung 102 in einem Differenzsignal 104 abzubilden. Dazu weist der Sensor 100 ein Sensorpixel 106, ein Referenzpixel 108 und ein Steuergerät 110 zum Betreiben des Sensors 100 auf.
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Das Sensorpixel 106 weist eine Absorberfläche 112 und ein Sensorelement 114 auf. Die Absorberfläche 112 ist dazu ausgebildet, die Infrarotstrahlung 102 zu absorbieren und in Wärme umzuwandeln. Bei einem Gleichgewicht zwischen der Absorption der Infrarotstrahlung 102 und Wärmeverlusten der Absorberfläche 112 stellt sich eine Gleichgewichtstemperatur der Absorberfläche 112 ein. Das Sensorelement 114 ist thermisch mit der Absorberfläche 112 gekoppelt und weist im Wesentlichen die gleiche Temperatur auf, wie die Absorberfläche 112.
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Das Sensorelement 114 weist einen Sourcekontakt 116, einen Drainkontakt 118, einen Gatekontakt 120 und einen Bulkkontakt 122 auf. Der Sourcekontakt 116 ist elektrisch leitend mit dem Bulkkontakt 122 verbunden. Der Drainkontakt 118 ist elektrisch leitend mit dem Gatekontakt 120 verbunden.
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Das Referenzpixel 108 weist eine Referenzfläche 124 und ein Referenzsensorelement 114 auf. Das Referenzsensorelement 114 entspricht im Wesentlichen dem Sensorelement 114 des Sensorpixels 106. Das Referenzsensorelement 114 ist ebenfalls thermisch mit der Referenzfläche 124 gekoppelt und weist im Wesentlichen die gleiche Referenztemperatur auf, wie die Referenzfläche 124.
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In einem Ausführungsbeispiel entspricht das Referenzsensorelement 114 in Bauart und Verschaltung genau dem Sensorelement 114.
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Das Steuergerät 110 zum Betreiben des Sensors 100 ist mit dem Sensorpixel 106 und dem Referenzpixel 108 verbunden. Das Steuergerät 110 weist eine Einrichtung 126 zum Bereitstellen, eine Einrichtung 128 zum Einlesen und eine Einrichtung 130 zum Erfassen auf.
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Die Einrichtung 126 zum Bereitstellen ist dazu ausgebildet, ein Sensorbetriebssignal 132 für das Sensorpixel 106 bereitzustellen. Weiterhin ist die Einrichtung 126 zum Bereitstellen dazu ausgebildet, ein Referenzbetriebssignal 134 für das Referenzpixel 108 bereitzustellen.
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Durch das Sensorbetriebssignal 132 wird das Sensorelement 114 des Sensorpixels 106 mit Energie versorgt und bildet die Temperatur der Absorberfläche 112 in einem Sensormesssignal 136 des Sensorpixels 106 ab. Das Sensorbetriebssignal 132 definiert einen Arbeitspunkt des Sensorpixels 106. Das Sensorbetriebssignal 132 kann verändert werden, um einen Messbereich des Sensors 100 an die Strahlungsintensität der Infrarotstrahlung 102 anzupassen.
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Durch das Referenzbetriebssignal 134 wird das Referenzsensorelement 114 des Referenzpixels 106 mit Energie versorgt und bildet die Temperatur der Referenzfläche 124 in einem Referenzmesssignal 138 des Referenzpixels 108 ab. Das Referenzbetriebssignal 134 definiert einen Arbeitspunkt des Referenzpixels 106. Das Referenzbetriebssignal 134 kann verändert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Einrichtung 126 zum Bereitstellen dazu ausgebildet, das Referenzbetriebssignal 134 identisch zu dem Sensorbetriebssignal 132 bereitzustellen. Wenn das Referenzbetriebssignal 134 und das Sensorbetriebssignal 132 gleich sind, wird die Temperatur an dem Sensorelement 114 und die Referenztemperatur an dem Referenzsensorelement 114 unter gleichen und damit vergleichbaren Bedingungen gemessen.
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Insbesondere ist die Einrichtung 126 zum Bereitstellen dazu ausgebildet, das Referenzbetriebssignal 134 mit einer identischen elektrischen Spannung, wie das Sensorbetriebssignal 132 bereitzustellen. Wenn die elektrische Spannung auf das Sensorelement 114 aufgeprägt wird, wird die Temperatur in einem durch das Sensorelement 114 fließenden elektrischen Sensorstrom 136 abgebildet. Wenn die elektrische Spannung auf das Referenzsensorelement 114 aufgeprägt wird, wird die Referenztemperatur in einem durch das Referenzsensorelement 114 fließenden elektrischen Referenzstrom 138 abgebildet.
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Die Einrichtung 128 zum Einlesen ist dazu ausgebildet, das Sensormesssignal 136 von dem Sensorpixel 106 einzulesen. Weiterhin ist die Einrichtung 128 zum Einlesen dazu ausgebildet, das Referenzmesssignal 138 von dem Referenzpixel 108 einzulesen.
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Die Einrichtung 130 zum Erfassen ist dazu ausgebildet, das Differenzsignal 104 unter Verwendung des Sensormesssignals 136 und des Referenzmesssignals 138 zu erfassen. Das Differenzsignal 104 repräsentiert die Strahlungsintensität der Infrarotstrahlung 102 auf das Sensorpixel 106.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 200 zum Betreiben eines Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 200 weist einen Schritt 202 des Bereitstellens, einen Schritt 204 des Einlesens und einen Schritt 206 des Erfassens auf. Das Verfahren 200 kann auf einem Steuergerät, wie es beispielsweise in 1 dargestellt ist, ausgeführt werden. Im Schritt 202 des Bereitstellens werden ein Sensorbetriebssignal für das Sensorpixel und ein Referenzbetriebssignal für das Referenzpixel bereitgestellt. Im Schritt 204 des Einlesens werden ein resultierendes Sensormesssignal des Sensorpixels und ein resultierendes Referenzmesssignal des Referenzpixels eingelesen. Im Schritt 206 des Erfassens wird ein Differenzsignal unter Verwendung des Sensormesssignals und des Referenzmesssignals erfasst, wobei das Differenzsignal eine Strahlungsintensität der Infrarotstrahlung repräsentiert.
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3 zeigt eine Darstellung eines Prinzips des Auswertekonzepts zur bolometrischen Temperaturmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das dargestellte Auswertekonzept ist beispielsweise in dem in 1 dargestellten Steuergerät umgesetzt. Hier ist ein Schaltplan einer Schaltung 300 gemäß dem hier vorgestellten Auswertekonzept dargestellt. Wie in 1 sind ein Sensorpixel 106 und ein Referenzpixel 108 gemäß dem hier vorgestellten Ansatz mit der Schaltung 300 verbunden.
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Die in 3 dargestellten Transistoren sind als normal leitende Transistoren dargestellt. Der Schaltplan stellt jedoch nur eine Prinzipzeichnung dar. Die dargestellte Schaltung kann in entsprechender Weise mit selbstsperrenden Transistoren aufgebaut werden. Somit kann die dargestellte Schaltung inklusiv der Sensor- und Referenzpixel sowohl mit Transistoren vom Anreicherungstyp als auch mit Transistoren vom Verarmungstyp aufgebaut werden. Die dargestellte Topologie kann somit als Prinzipskizze verstanden werden. Alle dargestellten Stromspiegel können auch durch andere Schaltungen ersetzt werden, wie z. B. durch Kaskodenspiegel oder andere geeignete Schaltungen.
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Das Sensorelement 114 des Sensorpixels 106 und das Referenzsensorelement 114 des Referenzpixels 108 sind hier als gleichartige Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren 114 MOSFETs 114 ausgeführt. Wie in 1 ist jeweils der Sourcekontakt mit dem Bulkkontakt kurzgeschlossen und der Drainkontakt mit dem Gatekontakt kurzgeschlossen, sodass jeder MOSFET 114 nur über zwei Anschlüsse 302 angeschlossen ist. Die Absorberfläche 112 des Sensorpixels 106 beziehungsweise die Referenzfläche 124 des Referenzpixels 108 sind hier über spiralförmige Balkenstrukturen 304 mit je zwei Ärmchen an einem nicht dargestellten Substrat des Sensors aufgehängt. Die Anschlüsse 302 verlaufen innerhalb der Balkenstruktur 304. Dabei sind die Ärmchen bei dem Sensorpixel 106 freigestellt, sodass sie nur an gegenüberliegenden Enden ein Materialkontakt zu der Absorberfläche 112 und dem Substrat aufweisen. Bei dem Referenzpixel 108 sind zwischen den Ärmchen und der Referenzfläche 124 Materialbrücken 306 ausgebildet, die eine deutlich bessere thermische Kopplung der Referenzfläche 124 an das Substrat bewirken. Mit anderen Worten ist die Absorptionsfläche 112 des Sensorpixels 106 stärker thermisch von dem Substrat entkoppelt, als die Referenzfläche 124.
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Die Schaltung 300 weist in diesem Ausführungsbeispiel fünf Stromspiegel 308, 310, 312, 314, 316 auf. Die Stromspiegel 308, 310, 312, 314, 316 sind unter Verwendung von zwölf Transistoren T1, T2, T3, T4, T5, T7, T8, T9, T10, T11, T12 aufgebaut. Jeder Transistor T1, T2, T3, T4, T5, T7, T8, T9, T10, T11, T12 weist einen Sourcekontakt, einen Drainkontakt und einen Gatekontakt auf.
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Im ersten Stromspiegel 308 sind der erste Transistor T1 und der fünfte Transistor T5 miteinander verschaltet. Der erste Transistor T1 und der fünfte Transistor T5 sind als N-Kanal Transistoren ausgebildet. Der erste Stromspiegel 308 ist dazu ausgebildet, das Sensorbetriebssignal für das Sensorpixel 106 bereitzustellen.
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Dazu ist das Sensorpixel 106 mit seinen Anschlüssen 302 zwischen dem Drainkontakt des ersten Transistors T1 und ein Massepotenzial geschaltet. Zwischen dem Drainkontakt des fünften Transistors T5 und dem Massepotenzial ist eine Referenzspannungsquelle 318 geschaltet. Die Gatekontakte des ersten Transistors T1 und des fünften Transistors T5 sind miteinander verbunden. Zusätzlich sind die Gatekontakte mit einem Sourcekontakt des fünften Transistors T5 verbunden.
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Die Referenzspannungsquelle 318 stellt eine bekannte Referenzspannung Vref zwischen dem Drainkontakt des fünften Transistors T5 und dem Massepotenzial bereit.
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Im zweiten Stromspiegel 310 sind der sechste Transistor T6 und der neunte Transistor T9 miteinander verschaltet. Der sechste Transistor T6 und der neunte Transistor T9 sind als N-Kanal Transistoren ausgebildet. Der zweite Stromspiegel 310 ist dazu ausgebildet, das Referenzbetriebssignal für das Referenzpixel 108 bereitzustellen. Dazu ist das Referenzpixel 108 mit seinen Anschlüssen 302 zwischen dem Drainkontakt des sechsten Transistors T6 und dem Massepotenzial geschaltet. Zwischen den Drainkontakt des neunten Transistors T9 und dem Massepotenzial ist eine weitere Referenzspannungsquelle 318 geschaltet. Die Gatekontakte des sechsten Transistors T6 und des neunten Transistors T9 sind miteinander verbunden. Zusätzlich sind die Gatekontakte mit einem Sourcekontakt des neunten Transistors T9 verbunden.
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Die weitere Referenzspannungsquelle 318 stellt die bekannte Referenzspannung Vref zwischen dem Drainkontakt des neunten Transistors T9 und dem Massepotenzial bereit.
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Im dritten Stromspiegel 312 sind der zweite Transistor T2, der dritte Transistor T3 und der vierte Transistor T4 miteinander verschaltet. Der zweite Transistor T2, der dritte Transistor T3 und der vierte Transistor T4 sind als P-Kanal Transistoren ausgebildet. Der dritte Stromspiegel 312 ist dazu ausgebildet, das Sensormesssignal von dem Sensorpixel 106 einzulesen. Dazu ist der Drainkontakt des zweiten Transistors T2 mit dem Sourcekontakt des ersten Transistors T1 verbunden. Der Drainkontakt des vierten Transistors T4 ist mit dem Sourcekontakt des fünften Transistors T5 verbunden. Die Gatekontakte der Transistoren T2, T3, T4 sind miteinander verbunden. Zusätzlich ist der Drainkontakt des zweiten Transistors T2 mit den Gatekontakten verbunden. Die Sourcekontakte der Transistoren T2, T3, T4 sind mit einem Spannungspotenzial VDD verbunden.
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Im vierten Stromspiegel 314 sind der siebte Transistor T7, der achte Transistor T8 und der zehnte Transistor T10 miteinander verschaltet. Der siebte Transistor T7, der achte Transistor T8 und der zehnte Transistor T10 sind als P-Kanal Transistoren ausgebildet. Der vierte Stromspiegel 314 ist dazu ausgebildet, das Referenzmesssignal von dem Referenzpixel 108 einzulesen. Dazu ist der Drainkontakt des siebten Transistors T7 mit dem Sourcekontakt des sechsten Transistors T6 verbunden. Der Drainkontakt des achten Transistors T8 ist mit dem Sourcekontakt des neunten Transistors T9 verbunden. Die Gatekontakte der Transistoren T7, T8, T10 sind miteinander verbunden. Zusätzlich ist der Drainkontakt des siebten Transistors T7 mit den Gatekontakten verbunden. Die Sourcekontakte der Transistoren T7, T8, T10 sind mit dem Spannungspotenzial VDD verbunden.
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Im fünften Stromspiegel 316 sind der elfte Transistor T11 und der zwölfte Transistor T12 miteinander verschaltet. Der elfte Transistor T11 und der zwölfte Transistor T12 sind als N-Kanal Transistoren ausgebildet. Die Drainkontakte der Transistoren T11, T12 sind mit dem Massepotenzial verbunden. Der Sourcekontakt des elften Transistors T11 ist mit dem Drainkontakt des zehnten Transistors T10 verbunden. Der Sourcekontakt des zwölften Transistors T12 ist mit dem Drainkontakt des dritten Transistors T3 verbunden. Die Gatekontakte des elften Transistors T11 und des zwölften Transistors T12 sind miteinander verbunden. Zusätzlich ist der Sourceanschluss des elften Transistors T11 mit den Gatekontakten verbunden.
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Zwischen dem Drainkontakt des dritten Transistors T3 und dem Sourcekontakt des zwölften Transistors T12 ist eine Schnittstelle zum Abgreifen des Differenzsignals 104 angeordnet.
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Es wird ein Prinzip 300 für eine ortsaufgelöste Temperaturmessung vorgestellt, das auf dem temperaturabhängigen Drainstrom eines MOSFETs 114 im Subthreshold Betrieb mit Referenz 114 basiert.
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MOSFETs 106, 108 können als temperatursensitive Bauelemente auf Mikrobolometer-Pixeln 106, 108 eingesetzt werden. Vorteile sind eine hohe Temperatursensitivität, die Größenordnungen über resistiven Materialien liegt und über die angelegte Spannung einstellbar ist, sowie ein hohes Miniaturisierungspotenzial.
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Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein Auswerteprinzip 300 zur Temperaturmessung, basierend auf dem bolometrischen Prinzip, bei dem als temperaturempfindliches Bauelement 114 ein MOSFET 114 verwendet wird, der auf dem Pixel 106 so verschaltet ist, dass nur zwei Anschlüsse 302 nach außen geführt werden. Der ASIC 300 kann mit nahezu jedem ASIC Prozess kostengünstig hergestellt werden.
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Bei einem herkömmlichen Mikrobolometer wird z. B. eine Diodenreihenschaltung als temperatursensitives Bauelement verwendet. Dabei ist die Messgröße die Differenzspannung zweier Pixel bei identischer Bestromung. Dabei ist eine Kompensation notwendig, da das Messsignal nur einige mV bei einem Offset von ca. 2.5 V beträgt.
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Bei dem hier vorgestellten Ansatz ist das temperatursensitive Bauelement ein MOSFET 114. Bei dem ersten Pixel 106 handelt es sich um ein aktives Pixel, welches durch eine große thermische Isolation und damit einen hohen Temperaturhub bei Einstrahlung gekennzeichnet ist. Das zweite Pixel 108 ist thermisch deutlich besser an das Substrat angebunden und dient der Kompensation der Eigenerwärmung durch die Bestromung selbst und der Kompensation des hohen Offsets in Folge der Chiptemperatur.
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Der Einsatz von MOSFETs 114 mit der hier vorgestellten Auswerteschaltung 300 resultiert in einer hohen Temperatursensitivität, einer, über eine angelegte Spannung, einstellbaren Temperatursensitivität und einem hohen Miniaturisierungspotenzial. Zusätzlich ist eine Strommessung im Vergleich zur Spannungsmessung immer vorteilhaft.
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Die Messung basiert prinzipiell auf einer Strommessung bei konstanter Spannung. Diese wird über Vref vorgegeben. Der MOSFET 114 ist auf dem Pixel 106, 108 so verschaltet, dass Drainkontakt und Gatekontakt sowie Sourcekontakt und Bulkkontakt jeweils miteinander verbunden sind und dementsprechend lediglich zwei Anschlüsse 302 vom Pixel 106, 108 zur Auswerteschaltung 300 geführt werden.
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Die Ströme von Tpixel und Tref werden mehrfach in Stromspiegeln 308, 310, 312, 314, 316 gespiegelt (T2, T3, T4), (T7, T8, T10), (T11, T12). Die eingezeichneten Stromspiegel 318, 310, 312, 314, 316 sind beispielhaft und können durch andere, genauere Stromspiegel ersetzt werden, wie z. B. Kaskodenstromspiegel oder geregelte Stromspiegel.
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Der Differenzstrom zwischen den Transistoren T3 und T12 bildet das Ausgangssignal Iout = Ipixel – Iref.
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Der Arbeitspunkt der Transistoren 114 wird über die Transistoren T1, T5 bzw. T6, T9 auf die Referenzspannung Vref eingestellt. Da durch T1 und T5 sowie durch T6 und T9 derselbe Strom fließt, stellt sich an ihrem Source auch die gleiche Spannung ein. Ähnliche Schaltungen werden bei geregelten Stromspiegeln eingesetzt.
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Über eine Änderung der Referenzspannung Vref kann der Arbeitsbereich des Transistors 114 eingestellt werden, beispielsweise um seine Grundempfindlichkeit an die Anwendung anzupassen. Vorteilhafterweise liegt der Arbeitspunkt im Bereich maximaler Temperaturempfindlichkeit bei ca. 0.5 V.
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Das Ausgangssignal 104 kann auf verschiedene Arten ausgewertet werden. Ist die an Iout 104 angeschlossene Schaltung hochohmig, so stellt sich ein Ausgangsspannungssignal ein und T3 und T12 arbeiten als Ausgangsstufe eines Verstärkers. Ist die Schaltung niederohmig, so fließt der Ausgangsstrom Iout 104 in sie hinein und kann gemessen werden. Die analoge Differenzbildung verkleinert den notwendigen Wertebereich der nachfolgenden Digitalisierungsstufen bzw. Auswertestufen.
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Typische Grundströme liegen zwischen 0 und 2 µA. Die zu messenden Ströme aufgrund eingestrahlter Leistung liegen im Bereich 0 bis 1 nA und sollten mit einer Auflösung von ca. 1 pA digitalisiert werden.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
