MEMSセンサは、干渉に対処する必要がある。ボロメータの例では、干渉は、圧倒的である場合がある。ボロメータ干渉は、周囲条件での変化および抵抗要素(例えば、回路での抵抗器、ボロメータピクセル自体)の自己発熱から生じる、アレイでのすべてのピクセルに共通の大きな周囲干渉として現れ得る。これらのコモンモード変化は、典型的に、所与のピクセル上の検出可能な最小の熱画像信号(例えば、約0.5mK)と比較して、(例えば、最大+/-50K)大きい。言い換えれば、ボロメータノイズは、何桁もの大きさで、意図された信号を支配する。
センサノイズは、センサ画像の鮮明度に影響を及ぼし得る。ボロメータアレイでのノイズは、時間的にパターン化されたノイズおよび空間的にパターン化されたノイズの両方を含み得る。ノイズの例としては、1/fノイズ、熱ノイズ、およびプロセス依存変化が挙げられる。アレイでの信号が、列および行で配設された回路によって読み出されると、読み出しでの変化は、行間および列間の可視的なストライプにつながり得る。
従来の構成下では、コモンモード変化は、測定にとって望ましくなく出力され、その後の測定またはサンプリング段階のダイナミックレンジを低減させる。いくつかの既知のソリューションは、測定において望ましくないコモンモード効果を低減させるための回路を加えるが、欠点の例をいくつか挙げると、これらのソリューションは、適用可能性の環境範囲が小さく、反復性が乏しく、手動でのトリミングまたは較正を必要とし、複雑性、サイズ、およびコストを増加させ、より寄生的および未知のものを導入し、より多くの電力を消費する。
本開示の例は、本明細書で明らかにされた問題点を克服するMEMSセンサ読み出し回路および方法を対象とする。いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路は、基準センサと、アクティブセンサと、電流源と、電圧ドライバと、読み出し要素と、を含む。いくつかの実施形態では、方法は、電流を基準センサに提供することと、アクティブセンサに電気的に結合されたコモンモード追跡バイアス電圧を発生させることと、読み出し要素で電流変化を測定することと、を含む。
例示的な利点として、開示される回路および方法は、追加の回路のコストおよび複雑性がなく、コモンモード効果を低減させる。本明細書で提示される回路は、センサアレイでコモンモード変化を効率的かつコンパクトに追跡し得る。したがって、測定された熱画像信号の精度が向上し得、補償のための追加の構成要素なしで、その後のアナログ-デジタル変換器(ADC)の入力範囲要件が低減され得る。列電圧は、公称固定電圧であり、列寄生要素の影響を受けないため、コモンモード変化をバイアス電圧で追跡することによって、速度および精度が向上し得る。
いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路は、読み出し要素と、第1の電流源と、第2の電流源と、電圧ドライバと、基準センサと、アクティブセンサと、を含む。読み出し要素は、入力を含む。電圧ドライバは、出力を含む。基準センサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第1の電流源に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバの出力に電気的に結合されている。アクティブセンサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第2の電流源および読み出し要素の入力に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバの出力に電気的に結合されている。アクティブセンサは、センサ画像への曝露のために構成されている。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、一定の源である。
いくつかの実施形態では、電圧ドライバは、アクティブセンサに対するバイアス電圧を発生させる。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するようにさらに構成されている。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサのインピーダンスを変更するようにさらに構成されている。
いくつかの実施形態では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。
いくつかの実施形態では、回路は、第2の基準センサと、第2のアクティブセンサと、第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチと、をさらに含む。第2の基準センサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第1の電流源に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバに電気的に結合されている。第2のアクティブセンサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第2の電流を出力する第2の電流源に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバの出力に電気的に結合されている。第2のアクティブセンサは、第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するように構成されている。第1のスイッチは、基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第2のスイッチは、アクティブセンサを第2の源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第3のスイッチは、第2の基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第4のスイッチは、第2のアクティブセンサを第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、回路は、オフセットを除去するように構成された相関2重サンプリング(CDS)回路をさらに含む。
いくつかの実施形態では、読み出し要素の電圧は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する。
いくつかの実施形態では、回路は、基準センサの第2の端子に電気的に結合されたオペアンプの出力をさらに含む。
いくつかの実施形態では、回路は、基準センサの第1および第2の端子に電気的に結合されたフィードバック要素をさらに含む。
いくつかの実施形態では、回路は、第3の基準センサと、第3の電流源と、をさらに含む。第3の基準センサは、第1の端子と、電圧ドライバの出力に電気的に結合された第2の端子と、を含む。第3の電流源は、第3の基準センサの第1の端子に電気的に結合されており、かつ第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する第7の電流を出力するように構成されている。第2の電流の値は、第7の電流に従って調整される。
いくつかの実施形態では、回路は、第1の端子から読み出し要素の入力への電流の変化をサンプリングするように構成されたADCをさらに含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、容量性トランスインピーダンス増幅器(CTIA)を含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される。
いくつかの実施形態では、読み出し回路の非センサ要素は、実質的にアサーマルであり、および/または自己発熱の効果を最小化するように設計されている。
いくつかの実施形態では、回路は、基準センサの第2の端子に出力する増幅器をさらに含む。基準センサの第1の端子は、増幅器の負の入力に電気的に結合している。第1の電流源は、負の入力および出力にわたって電圧降下を発生させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、LWIR放射を検出するように構成されたボロメータピクセルである。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含む。
いくつかの実施形態では、シグマ-デルタADCの第1の段階は、CTIAを含む。
いくつかの実施形態では、基準センサは、センサ画像からシールドされている。
いくつかの実施形態では、回路は、電圧ドライバの出力とアクティブセンサの第2の端子との間で電気的に結合された電圧フォロワをさらに含む。
いくつかの実施形態では、回路は、2つ以上の電流バッファをさらに含み、2つ以上の電流バッファは、第1の電流源と基準センサとの間で電気的に結合された第1の電流バッファと、第2の電流源とアクティブセンサとの間で電気的に結合された第2の電流バッファと、を含む。
いくつかの実施形態では、回路は、アクティブセンサを電圧ドライバに選択的に電気的に結合させるように構成された第5のスイッチをさらに含む。
いくつかの実施形態では、センサ読み出しの方法は、第1の電流を基準センサの第1の端子に提供することと、基準センサの第2の端子において第1の電流から電圧を発生させることと、第2の電流をアクティブセンサの第1の端子に提供することと、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動することと、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への第3の電流を測定することと、を含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流および第2の電流は、一定である。
いくつかの実施形態では、電圧は、アクティブセンサに対するバイアス電圧である。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、第3の電流を変更することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、アクティブセンサのインピーダンスを変更することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第4の電流を第2の基準センサの第1の端子に提供することと、第2の基準センサの第2の端子において第4の電流から第2の電圧を発生させることと、第5の電流を第2のアクティブセンサの第1の端子に提供することと、第2の電圧で第2のアクティブセンサの第2の端子を駆動することと、第2のアクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、第2のアクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への第6の電流を測定することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第1の電流を提供する第1の電流源を基準センサから電気的に結合解除させることと、第4の電流を提供する第1の電流源を第2の基準センサに結合させることと、第2の電流を提供する第2の電流源をアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、第5の電流を提供する第2の電流源を第2のアクティブセンサに結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、読み出し要素の入力によって生成されるオフセットを決定することと、読み出し要素の入力への電流を測定する前に、オフセットをキャンセルすることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、読み出し要素の出力での電圧は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する。
いくつかの実施形態では、電圧は、オペアンプによって駆動され、基準センサの第1の端子は、オペアンプの負の入力に電気的に結合されている。
いくつかの実施形態では、本方法は、基準センサの第2の端子から基準センサの第1の端子にフィードバックすることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第7の電流を第3の基準センサの第1の端子に提供することであって、第7の電流が、第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する、提供することと、第7の電流に従って、第2の電流の値を調整することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、読み出し要素の入力への電流によって生成される電圧をサンプリングすることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流および第2の電流は、基準センサおよびアクティブセンサのそれぞれの第1の端子に対して等しい大きさであり、かつ同じ方向にある。
いくつかの実施形態では、本方法は、第3の電流を読み出し要素の読み出し電圧に変換することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流を提供することおよび第2の電流を提供することは各々、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される少なくとも1つを提供することを含む。
いくつかの実施形態では、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動することは、電圧ドライバの出力から基準センサの第2の端子およびアクティブセンサの第2の端子を駆動することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第1の電流から基準センサにわたって電圧降下を生じさせることと、基準センサの第2の端子に出力する増幅器を使用して電圧を発生させることと、基準センサの第1の端子を増幅器の負の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、アクティブセンサをLWIR放射に曝露することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含む。
いくつかの実施形態では、シグマ-デルタADCの第1の段階は、CTIAを含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、基準センサを、基準センサおよびアクティブセンサに共通の周囲条件に曝露することと、センサ画像から基準センサをシールドすることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動することは、アクティブセンサの第2の端子と、電圧を提供する電圧源との間でバッファリングすることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第1の電流をバッファリングすることと、第2の電流をバッファリングすることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路の製造の方法は、入力を含む読み出し要素を提供することと、第1の電流源を提供することと、第2の電流源を提供することと、出力を含む電圧ドライバを提供することと、第1の端子および第2の端子を含む基準センサを提供することと、基準センサの第1の端子を第1の電流源に電気的に結合させることと、基準センサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることと、第1の端子および第2の端子を含むアクティブセンサを提供することであって、アクティブセンサが、センサ画像への曝露のために構成されている、提供することと、アクティブセンサの第1の端子を第2の電流源および読み出し要素の入力に電気的に結合させることと、アクティブセンサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることと、を含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、定電流源である。
いくつかの実施形態では、電圧ドライバは、アクティブセンサに対するバイアス電圧を発生させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するようにさらに構成されている。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサのインピーダンスを変更するようにさらに構成されている。
いくつかの実施形態では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、第1の端子および第2の端子を含む第2の基準センサを提供することと、第2の基準センサの第1の端子を第1の電流源に電気的に結合させることと、第2の基準センサの第2の端子を電圧ドライバに電気的に結合させることと、第1の端子および第2の端子を含む第2のアクティブセンサを提供することであって、第2のアクティブセンサが、センサ画像への曝露のために構成されている、提供することと、アクティブセンサの第1の端子を第2の電流源に電気的に結合させることと、アクティブセンサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることであって、第2のアクティブセンサが、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するように構成されている、結合させることと、基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第1のスイッチを提供することと、アクティブセンサを第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第2のスイッチを提供することと、第2の基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第3のスイッチを提供することと、第2のアクティブセンサを第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第4のスイッチを提供することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、オフセットを除去するように構成されたCDS回路を提供することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する電圧を発生させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、オペアンプを提供することと、オペアンプの出力を基準センサの第2の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、フィードバック要素を提供することと、フィードバック要素を基準センサの第1および第2の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、第1の端子および第2の端子を含む第3の基準センサを提供することと、第3の基準センサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることと、第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する第7の電流を出力するように構成された、第3の電流源を提供することであって、第2の電流の値が、第7の電流に従って調整される、提供することと、第3の電流源を第3の基準センサの第1の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、第1の端子から読み出し要素の入力への電流の変化をサンプリングするように構成されたADCを提供することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、CTIAを含む。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、基準センサの第2の端子に出力する増幅器を提供することと、基準センサの第1の端子を増幅器の負の入力に電気的に結合させることと、をさらに含み、第1の電流源は、負の入力および出力にわたって電圧降下を発生させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、LWIR放射を検出するように構成されたボロメータピクセルである。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含む。
いくつかの実施形態では、シグマ-デルタADCの第1の段階は、CTIAを含む。
いくつかの実施形態では、基準センサは、センサ画像からシールドされている。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、電圧フォロワを提供することと、電圧ドライバの出力とアクティブセンサの第2の端子との間で電圧フォロワを電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、製造の方法は、第1の電流バッファおよび第2の電流バッファを含む2つ以上の電流バッファを提供することと、第1の電流源と基準センサとの間で第1の電流バッファを電気的に結合させることと、第2の電流源とアクティブセンサとの間で第2の電流バッファを電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、較正センサの電圧を測定することと、測定された較正センサ電圧に基づいて、較正された読み出し電圧を計算することと、を含む。いくつかの実施形態では、本方法は、較正電流源に電気的に結合された読み出し要素の読み出し電圧を測定することと、較正電流によって生じる読み出し電圧に基づいて、出力を計算することと、を含む。いくつかの実施形態では、本方法は、シャッターが閉じられるときに、およびシャッターが開けられるときに読み出し電圧を測定することと、読み出し電圧間の差を計算することと、を含む。
いくつかの例では、行間パターンノイズは、センサの行に対して共通であり得る、バイアス電圧でのノイズによって生じ得る。したがって、バイアス電圧のノイズは、センサの行全体に対して観測される。いくつかの例では、列間パターンノイズは、センサの特定の列に関連するスキミング電流およびADCのミスマッチおよび1/fノイズによって生じ得る。
本開示の例は、本明細書で明らかにされた問題点(例えば、パターンノイズ)を克服するMEMSセンサ較正回路および方法を対象とする。いくつかの実施形態では、センサ較正回路は、較正センサと、較正読み出し要素と、を含む。いくつかの実施形態では、センサ較正回路は、較正電流源を含む。いくつかの実施形態では、シャッターは、センサ較正回路に含まれる。
例示的な利点として、開示される回路および方法は、低減されたコストでノイズを除去する。本明細書で提示される回路は、センサアレイでノイズを効率的かつコンパクトに除去する。したがって、測定されたセンサ画像の鮮明度が向上し得る。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、センサ画像に曝露され、かつバイアス電圧ノードを共有する、複数のアクティブセンサと、較正読み出し要素と、センサ画像からシールドされており、かつバイアス電圧ノードに電気的に結合された第1の端子、および較正読み出し要素に電気的に結合された第2の端子を含む、較正センサと、を含む。
いくつかの実施形態では、較正センサのインピーダンスは、複数のアクティブセンサのアクティブセンサのインピーダンスと同じであり、較正センサの電気キャリアカウントは、アクティブセンサの電気キャリアカウントよりも大きい。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のアクティブセンサのアクティブセンサに対応し、かつアクティブセンサの読み出し電圧を測定するように構成された、読み出し要素をさらに含み、較正読み出し要素は、較正センサの読み出し電圧を測定するように構成されており、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、プロセッサに、アクティブセンサの読み出し電圧を受信することと、較正センサの読み出し電圧を受信することと、(1)アクティブセンサの読み出し電圧と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、較正センサの読み出し電圧との間の差を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
いくつかの実施形態では、比は、1である。
いくつかの実施形態では、比は、温度非依存型である。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のアクティブセンサのアクティブセンサに対応し、かつアクティブセンサの読み出し電圧を測定するように構成された、読み出し要素をさらに含み、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、1つ以上のプロセッサに、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を受信することと、開いたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を受信することと、(1)第1の読み出し電圧と、(2)第2の読み出し電圧との間でセンサ画像によって生じるアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
いくつかの実施形態では、複数の読み出し要素は、複数のADCを含む。
いくつかの実施形態では、較正センサおよび複数のアクティブセンサは、同じ熱抵抗係数(TCR)を有する材料から作製される。
いくつかの実施形態では、複数のアクティブセンサは、複数の列のアクティブセンサを含み、回路は、複数の電流源であって、複数の電流源の電流源が、較正センサの第2の端子および較正読み出し要素に電気的に結合されている、複数の電流源と、複数の読み出し要素であって、複数の列のアクティブセンサの各々が、対応する読み出しノードでの複数の電流源の対応する電流源、および対応する読み出しノードでの複数の読み出し要素の対応する読み出し要素に電気的に結合されている、複数の読み出し要素と、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、較正読み出し要素は、アナログ-デジタル変換器(ADC)を含む。
いくつかの実施形態では、複数のアクティブセンサおよび較正センサは、ボロメータであり、センサ画像は、熱画像である。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、較正電流を提供する較正電流源と、アクティブセンサと、読み出し要素と、アクティブセンサを読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第1のスイッチと、較正電流源を読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第2のスイッチと、を含む。
いくつかの実施形態では、第2のスイッチは、第1のスイッチがアクティブセンサを読み出し要素に電気的に結合させるときに、第1の読み出し要素から較正電流源を電気的に結合解除させるように構成されており、第1のスイッチは、第2のスイッチが較正電流を読み出し要素に電気的に結合させるときに、第1の読み出し要素からアクティブセンサを電気的に結合解除させるように構成されており、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、プロセッサに、アクティブセンサの第1の読み出し電圧を受信することと、較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を受信することと、(1)第1の読み出し電圧、および(2)第2の読み出し電圧に基づいて、アクティブセンサの読み出し電流に比例する出力を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、アクティブセンサを含む複数のアクティブセンサと、第1および第2の読み出し要素を含む複数の読み出し要素であって、複数の読み出し要素の各々が、複数のアクティブセンサのそれぞれのアクティブセンサに電気的に結合されている、複数の読み出し要素と、をさらに含み、本方法は、複数の読み出し要素の読み出し要素からそれぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧を受信することと、それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を受信することと、(1)それぞれのセンサの読み出し電圧、および(2)それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、それぞれのアクティブセンサの読み出し電流に比例するそれぞれの出力を計算することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、第1のアクティブセンサと同じ列に属する第2のアクティブセンサをさらに含み、本方法は、第1の出力を計算した後、第2のアクティブセンサの第3の読み出し電圧を受信することと、(1)第3の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、第4のアクティブセンサの読み出し電流に比例する第2の出力を計算することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、較正電流によって生じる同じ列上の第2の読み出し電圧の連続受信の間の時間は、較正期間である。
いくつかの実施形態では、較正期間は、1秒である。
いくつかの実施形態では、較正期間は、読み出し要素のドリフトに基づいている。
いくつかの実施形態では、異なる行は、第2の読み出し電圧の連続受信中に読み出される。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、第2の較正電流源と、第1の較正電流源を読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第3のスイッチと、第2の較正電流源を読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第4のスイッチと、をさらに含み、第3のスイッチが、第1の較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させるときに、第4のスイッチは、読み出し要素を第2の較正電流源に電気的に結合させるように構成されており、かつ方法は、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を受信することをさらに含み、出力は、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧にさらに基づいている。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCを含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、1つ以上のプロセッサに、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を受信することと、開いたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を受信することと、(1)第1の読み出し電圧と、(2)第2の読み出し電圧との間でセンサ画像によって生じる第1のアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、熱シーンに曝露されるボロメータである。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、センサ画像に曝露され、バイアス電圧ノードを複数のアクティブセンサと共有し、センサ回路は、第2の読み出し要素と、センサ画像からシールドされており、かつバイアス電圧ノードに電気的に結合された第1の端子、および第2の読み出し要素に電気的に結合された第2の端子を含む、較正センサと、をさらに含む。
いくつかの実施形態は、上記の回路の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路で較正された電圧を計算する方法は、較正センサの第1の端子を、複数のアクティブセンサによって共有されるバイアス電圧ノードに電気的に結合させることと、較正センサの第2の端子を較正読み出し要素に電気的に結合させることと、複数のアクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、センサ画像から較正センサをシールドすることと、複数のアクティブセンサのアクティブセンサの読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、較正センサの読み出し電圧を較正読み出し要素で測定することと、(1)アクティブセンサの読み出し電圧と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、較正センサの読み出し電圧との間の差として、較正された電圧を計算することと、を含む。
いくつかの実施形態では、較正センサのインピーダンスは、アクティブセンサのインピーダンスと同じであり、較正センサの電気キャリアカウントは、アクティブセンサの電気キャリアカウントよりも大きい。
いくつかの実施形態では、比は、1である。
いくつかの実施形態では、比は、温度非依存型である。
いくつかの実施形態では、較正センサおよびアクティブセンサは、同じTCRを有する材料から作製される。
いくつかの実施形態では、本方法は、複数の電流源の電流源を、較正センサの第2の端子および較正読み出し要素に電気的に結合させることと、複数の列のアクティブセンサの列を読み出し要素に電気的に結合させることであって、アクティブセンサの列が、アクティブセンサを含む、結合させることと、複数の電流源の第2の電流源を読み出し要素に電気的に結合させることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、シャッターを閉じることと、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、閉じたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を較正読み出し要素で測定することと、較正された電圧を計算した後、(1)較正された電圧の間の第2の差、および(2a)第1の読み出し電圧と、(2b)比によって重み付けされる第2の読み出し電圧との間の差を計算することであって、第2の差が、シャッター較正電圧である、計算することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、較正読み出し要素は、ADCを含む。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCを含む。
いくつかの実施形態では、複数のアクティブセンサおよび較正センサは、ボロメータであり、センサ画像は、熱画像である。
いくつかの実施形態では、センサ回路で出力を計算する方法は、読み出し要素をアクティブセンサに電気的に結合させることと、アクティブセンサの第1の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、読み出し要素をアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、較正電流を読み出し要素に電気的に結合させることと、較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、(1)第1の読み出し電圧、および(2)第2の読み出し電圧に基づいて、出力を計算することであって、出力が、アクティブセンサの読み出し電流に比例する、計算することと、を含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、複数のアクティブセンサのそれぞれのアクティブセンサを複数の読み出し要素の読み出し要素に電気的に結合させることと、それぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧をそれぞれの読み出し要素で測定することと、それぞれの読み出し要素をそれぞれのアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、較正電流をそれぞれの読み出し要素に電気的に結合させることと、それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧をそれぞれの読み出し要素で測定することと、(1)それぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、それぞれのアクティブセンサの読み出し電流に比例する出力を計算することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、第1の出力を計算した後、読み出し要素から較正電流源を電気的に結合解除させることと、読み出し要素を第2のアクティブセンサに電気的に結合させることであって、第2のアクティブセンサが、第1のアクティブセンサと同じ列に属する、結合させることと、第2のアクティブセンサの第3の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、(1)第3の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、第2のアクティブセンサの読み出し電流に比例する第2の出力を計算することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、較正電流によって生じる同じ列上の第2の読み出し電圧の連続測定の間の時間は、較正期間である。
いくつかの実施形態では、較正期間は、1秒である。
いくつかの実施形態では、較正期間は、読み出し要素のドリフトに基づいている。
いくつかの実施形態では、異なる行は、第2の読み出し電圧の連続測定中に読み出される。
いくつかの実施形態では、本方法は、第1の較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させることと、読み出し要素を第2の較正電流源に電気的に結合させることと、読み出し要素上で第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を読み出し要素で測定することであって、出力が、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧にさらに基づいている、測定することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCを含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、シャッターを閉じることと、閉じたシャッターに対応する出力を計算することと、(1)開いたシャッターに対応する出力と、(2)閉じたシャッターに対応する出力との間でセンサ画像によって生じるアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、熱シーンに曝露されるボロメータである。
いくつかの実施形態では、本方法は、較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させることと、第2の読み出し要素を較正電流源に電気的に結合させることと、較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を第2の読み出し要素で測定することと、較正電流源から第2の読み出し要素を電気的に結合解除させることと、較正センサの第1の端子を、複数のアクティブセンサおよびアクティブセンサによって共有されるバイアス電圧ノードに電気的に結合させることと、較正センサの第2の端子を第2の読み出し要素に電気的に結合させることと、複数のアクティブセンサおよびアクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、センサ画像から較正センサをシールドすることと、較正センサの第4の読み出し電圧を第2の読み出し要素で測定することと、第3の読み出し電圧および第4の読み出し電圧に基づいて、第2の出力を計算することと、(1)第1の出力と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、第2の出力との間の差を計算することと、をさらに含む。
本開示の例は、本明細書で明らかにされた問題点(例えば、電力課題、領域課題)を克服するセンサ回路および方法を対象とする。いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサピクセルと、シグマ-デルタADCと、複数のスイッチと、を含む。いくつかの実施形態では、センサ回路は、センサの列を含み、センサの列の異なる部分は、同時に読み出されている。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、電荷を格納するように各々構成された複数のセンサピクセルと、各センサの電荷を受信するように構成されたシグマ-デルタADCと、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次結合させるように構成された複数のスイッチであって、各スイッチが、複数のセンサピクセルのそれぞれ1つに対応する、複数のスイッチと、を含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まない。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられた可変抵抗器をさらに含み、複数のスイッチは、複数のセンサピクセルの各々を可変抵抗器に順次結合させるように構成されている。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウ中に直線的に減少する抵抗を有し、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの終わりで最も低い抵抗にあり、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの始まりと終わりとの間で最も低い抵抗よりも高い抵抗を有する。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器は、MOSトランジスタであり、MOSトランジスタの初期抵抗、直線的に減少する抵抗、および最も低い抵抗は、MOSトランジスタに電気的に結合された制御電圧で制御される。
いくつかの実施形態では、放電時間ウィンドウは、10マイクロ秒~1ミリ秒である。
いくつかの実施形態では、第1の放電時間ウィンドウ中に、第1のスイッチは、第1のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCを電気的に結合させ、第2の放電時間ウィンドウ中に、第2のスイッチは、第2のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCを電気的に結合させ、第1および第2の放電時間ウィンドウは、第1および第2のセンサピクセルの読み出し時間に対応する。
いくつかの実施形態では、放電時間ウィンドウ中に、可変抵抗器の定電流は、可変抵抗器の初期電圧を初期抵抗で除算したものである。
いくつかの実施形態では、スイッチは、それぞれの放電時間ウィンドウ中に、それぞれのセンサピクセルおよび可変抵抗器を電気的に結合させ、放電時間ウィンドウは、可変抵抗器の初期抵抗を乗算したセンサピクセルの静電容量に等しい。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器は、抵抗器の重み付けされたバンクを含み、抵抗器の重み付けされたバンクは、並列または直列に選択的に電気的に結合された複数の抵抗器を含み、選択的に電気的に結合された抵抗器の組み合わせの抵抗は、放電時間ウィンドウの始まりでの初期抵抗と、直線的に減少する抵抗と、最も低い抵抗と、を含む。
いくつかの実施形態では、センサピクセルは、X線センサフォトダイオードを含み、電荷は、X線センサフォトダイオードのX線への曝露を示す。
いくつかの実施形態では、センサピクセルは、電荷を格納するストレージコンデンサを含み、センサピクセルのX線への曝露は、ストレージコンデンサで格納される電荷を生成する。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、第2の複数のセンサピクセルと、第2のシグマ-デルタADCと、をさらに含み、第2の複数のセンサピクセルは、第2のシグマ-デルタADCに順次結合するように構成されており、第1および第2の複数のセンサピクセルは、同じ列に属する。
いくつかの実施形態では、第1および第2の複数のセンサピクセルの数は、等しい。
いくつかの実施形態では、第1の行時間で、第1の複数のセンサピクセルの第1のセンサピクセル、および第2の複数のセンサピクセルの第2のセンサピクセルは、同時に読み出される。
いくつかの実施形態では、シグマ-デルタADCへの入力電流は、一定である。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、シグマ-デルタADCから信号を受信するように構成されたデジタルフィルタをさらに含む。
いくつかの実施形態は、上記の回路の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサピクセルと、シグマ-デルタADCと、複数のスイッチと、を含み、各スイッチが、複数のセンサピクセルのそれぞれ1つに対応し、センサ回路の読み出しの方法は、複数のセンサピクセルの各々にそれぞれの電荷を格納することと、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることと、シグマ-デルタADCで、各センサピクセルのそれぞれの電荷を順次受信することと、を含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まず、各センサピクセルのそれぞれの電荷が、CTIAによって受信されない。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられた可変抵抗器をさらに含み、本方法は、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることをさらに含み、それは、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々を可変抵抗器に順次電気的に結合させることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、本方法は、放電時間ウィンドウ中に、可変抵抗器の抵抗を直線的に減少させることをさらに含み、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの終わりで最も低い抵抗にあり、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの始まりと終わりとの間で最も低い抵抗よりも高い抵抗を有する。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器は、制御電圧に電気的に結合されたMOSトランジスタであり、可変抵抗器の抵抗を直線的に減少させることは、初期抵抗、直線的に減少する抵抗、および最も低い抵抗を生成するように、制御電圧でMOSトランジスタを駆動することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、放電時間ウィンドウは、10マイクロ秒~1ミリ秒である。
いくつかの実施形態では、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることは、第1の放電時間ウィンドウ中に、第1のスイッチを第1のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCに電気的に結合させることと、第2の放電時間ウィンドウ中に、第2のスイッチを第2のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCに電気的に結合させることと、をさらに含み、第1および第2の放電時間ウィンドウは、第1および第2のセンサピクセルの読み出し時間に対応する。
いくつかの実施形態では、放電時間ウィンドウ中に、可変抵抗器の定電流は、可変抵抗器の初期電圧を初期抵抗で除算したものである。
いくつかの実施形態では、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることは、それぞれの放電時間ウィンドウ中に、スイッチをそれぞれのセンサピクセルおよび可変抵抗器に電気的に結合させることをさらに含み、放電時間ウィンドウは、可変抵抗器の初期抵抗を乗算したセンサピクセルの静電容量に等しい。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器は、抵抗器の重み付けされたバンクを含み、抵抗器の重み付けされたバンクは、並列または直列に選択的に電気的に結合された複数の抵抗器を含み、本方法は、抵抗器を選択的に電気的に結合させることによって、放電時間ウィンドウの始まりでの初期抵抗から放電時間ウィンドウの終わりでの最も低い抵抗に、複数の抵抗器の組み合わせの抵抗を直線的に減少させることをさらに含む。
いくつかの実施形態では、センサピクセルは、X線センサフォトダイオードを含み、電荷は、X線センサフォトダイオードのX線への曝露を示す。
いくつかの実施形態では、複数のセンサピクセルの各々にそれぞれの電荷を格納することは、複数のセンサピクセルの各々をX線に曝露し、それぞれの電荷を生成することと、複数のセンサピクセルの各々のストレージコンデンサでそれぞれの電荷を格納することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、センサ回路は、第1の複数のセンサピクセルと同じ列に属する第2の複数のセンサピクセルと、第2の複数のスイッチと、第2のシグマ-デルタADCと、をさらに含み、本方法は、第2の複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々を第2のシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることと、第2のシグマ-デルタADCで、第2の複数のセンサピクセルの各センサピクセルのそれぞれの電荷を順次受信することと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、第1および第2の複数のセンサピクセルの数は、等しい。
いくつかの実施形態では、第1の行時間で、第1のシグマ-デルタADCは、第1の複数のセンサピクセルの第1のセンサピクセルの第1のそれぞれの電荷を受信し、かつ第2のシグマ-デルタADCは、第2の複数のセンサピクセルの第2のセンサピクセルの第2のそれぞれの電荷を受信する。
いくつかの実施形態では、シグマ-デルタADCは、定電流を受信する。
[本発明1001]
入力を含む読み出し要素と、
第1の電流源と、
第2の電流源と、
出力を含む電圧ドライバと、
第1の端子および第2の端子を備える基準センサであって、前記第1の端子が、前記第1の電流源に電気的に結合されており、前記第2の端子が、前記電圧ドライバの前記出力に電気的に結合されている、基準センサと、
第1の端子および第2の端子を備えるアクティブセンサであって、前記第1の端子が、前記第2の電流源および前記読み出し要素の前記入力に電気的に結合されており、前記第2の端子が、前記電圧ドライバの前記出力に電気的に結合されている、アクティブセンサと
を備え、
前記アクティブセンサが、センサ画像への曝露のために構成されている、
センサ読み出し回路。
[本発明1002]
前記第1の電流および前記第2の電流が、一定である、本発明1001の回路。
[本発明1003]
前記電圧ドライバが、前記アクティブセンサに対するバイアス電圧を発生させる、本発明1001の回路。
[本発明1004]
前記アクティブセンサが前記センサ画像に曝露されるときに、前記アクティブセンサの前記第1の端子から前記読み出し要素の前記入力への電流を変更するように、前記アクティブセンサがさらに構成されている、本発明1001の回路。
[本発明1005]
前記アクティブセンサが前記センサ画像に曝露されるときに、前記アクティブセンサのインピーダンスを変更するように、前記アクティブセンサがさらに構成されている、本発明1001の回路。
[本発明1006]
前記基準センサが、基準ボロメータピクセルであり、前記アクティブセンサが、アクティブボロメータピクセルである、本発明1001の回路。
[本発明1007]
第1の端子および第2の端子を備える第2の基準センサであって、前記第1の端子が、前記第1の電流源に電気的に結合されており、前記第2の端子が、前記電圧ドライバに電気的に結合されている、第2の基準センサと、
第1の端子および第2の端子を備える第2のアクティブセンサであって、前記第1の端子が、前記第2の電流を出力する前記第2の電流源に電気的に結合されており、前記第2の端子が、前記電圧ドライバの前記出力に電気的に結合されており、前記第2のアクティブセンサが、前記第1の端子から前記読み出し要素の前記入力への前記電流を変更するように構成されている、第2のアクティブセンサと、
前記基準センサを前記第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第1のスイッチと、
前記アクティブセンサを前記第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第2のスイッチと、
前記第2の基準センサを前記第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第3のスイッチと、
前記第2のアクティブセンサを前記第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第4のスイッチと
をさらに備える、本発明1001の回路。
[本発明1008]
オフセットを除去するように構成された相関2重サンプリング(CDS)回路をさらに備える、本発明1001の回路。
[本発明1009]
前記読み出し要素の電圧が、前記基準センサと前記アクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する、本発明1001の回路。
[本発明1010]
前記基準センサの前記第2の端子に電気的に結合されたオペアンプの出力をさらに含む、本発明1001の回路。
[本発明1011]
前記基準センサの前記第1および第2の端子に電気的に結合されたフィードバック要素をさらに備える、本発明1001の回路。
[本発明1012]
第1の端子および前記電圧ドライバの前記出力に電気的に結合された第2の端子を備える第3の基準センサと、
前記第3の基準センサの前記第1の端子に電気的に結合されており、かつ前記第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する第7の電流を出力するように構成された、第3の電流源であって、前記第2の電流の値が、前記第7の電流に従って調整される、第3の電流源と
をさらに備える、本発明1001の回路。
[本発明1013]
前記第1の端子から前記読み出し要素の前記入力への前記電流の変化をサンプリングするように構成されたADCをさらに備える、本発明1001の回路。
[本発明1014]
前記第1の電流源および前記第2の電流源が、前記それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている、本発明1001の回路。
[本発明1015]
前記読み出し要素が、容量性トランスインピーダンス増幅器(CTIA)を備える、本発明1001の回路。
[本発明1016]
前記第1の電流源および前記第2の電流源が、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される、本発明1001の回路。
[本発明1017]
前記基準センサの前記第2の端子に出力する増幅器をさらに備え、前記基準センサの前記第1の端子が、前記増幅器の負の入力に電気的に結合しており、前記第1の電流源が、前記負の入力および前記出力にわたって電圧降下を発生させるように構成されている、本発明1001の回路。
[本発明1018]
前記基準センサが、基準ボロメータピクセルであり、前記アクティブセンサが、長波長赤外線(「LWIR」)放射を検出するように構成されたボロメータピクセルである、本発明1001の回路。
[本発明1019]
前記読み出し要素が、シグマ-デルタADCを備える、本発明1001の回路。
[本発明1020]
前記シグマ-デルタADCの第1の段階が、CTIAを含む、本発明1019の回路。
[本発明1021]
前記基準センサが、センサ画像からシールドされている、本発明1001の回路。
[本発明1022]
前記電圧ドライバの前記出力と前記アクティブセンサの前記第2の端子との間で電気的に結合された電圧フォロワをさらに備える、本発明1001の回路。
[本発明1023]
2つ以上の電流バッファをさらに備え、前記2つ以上の電流バッファが、前記第1の電流源と前記基準センサとの間で電気的に結合された第1の電流バッファと、前記第2の電流源と前記アクティブセンサとの間で電気的に結合された第2の電流バッファと、を含む、本発明1001の回路。
[本発明1024]
前記アクティブセンサを前記電圧ドライバに選択的に電気的に結合させるように構成された第5のスイッチをさらに備える、本発明1001の回路。
例示的態様の詳細な説明
実施形態の以下の説明では、本明細書の一部を形成し、実践することができる具体的な実施形態の例示によって示される、添付図面が参照される。開示される実施形態の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用することができ、構造的な変更を行うことができることを理解されたい。
本開示の例は、本明細書で明らかにされた問題点を克服するMEMSセンサ読み出し回路および方法を対象とする。いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路は、基準センサと、アクティブセンサと、電流源と、電圧ドライバと、読み出し要素と、を含む。いくつかの実施形態では、方法は、電流を基準センサに提供することと、アクティブセンサに電気的に結合されたコモンモード追跡バイアス電圧を発生させることと、読み出し要素で電流変化を測定することと、を含む。
例示的な利点として、開示される回路および方法は、追加の回路のコストおよび複雑性がなく、コモンモード効果を低減させる。本明細書で提示される回路は、センサアレイでコモンモード変化を効率的かつコンパクトに追跡し得る。したがって、測定された熱画像信号の精度が向上し得、補償のための追加の構成要素なしで、その後のアナログ-デジタル変換器(ADC)の入力範囲要件が低減され得る。列電圧は、公称固定電圧であり、列寄生要素の影響を受けないため、コモンモード変化をバイアス電圧で追跡することによって、速度および精度が向上し得る。
図1は、一実施形態による、センサ読み出し回路100を例示する。センサ読み出し回路100は、読み出し要素102と、第1の電流源104と、第2の電流源106と、電圧ドライバ108と、基準センサ110と、アクティブセンサ112と、を含む。いくつかの実施形態は、センサ読み出し回路100の製造の方法を含む。
読み出し要素は、入力103を含む。電圧ドライバは、出力109を含む。基準センサ110は、第1の端子110aと、第2の端子110bと、を含み、第1の端子110aは、第1の電流源104に電気的に結合されており、第2の端子110bは、電圧ドライバ108の出力109に電気的に結合されている。アクティブセンサ112は、第1の端子112aと、第2の端子112bと、を含み、第1の端子112aは、第2の電流源106および読み出し要素102の入力103に電気的に結合されており、第2の端子112bは、電圧ドライバ108の出力109に電気的に結合されている。アクティブセンサ112は、センサ画像への曝露のために構成されている。
いくつかの実施形態では、電圧フォロワ(図示せず)は、出力109と第2の端子112bとの間で電気的に結合され得る。電圧フォロワは、容量負荷の効果から出力109での電圧を好都合にバッファリングし得る。
簡略化されたトポロジーは、図1で例証されるように、バイアス電圧を提供する1つの電圧ドライバを必要とする。望ましくないコモンモード効果を低減させるための回路を加えることなく、トポロジーは、複雑性、サイズ、およびコストを増加させることなく、より寄生的および未知のものを導入することなく、より多くの電力を消費することなく、ノイズ誘発構成要素を加えることなく、望ましくないコモン効果を低減させ得る。
いくつかの実施形態では、基準センサ110は、センサ画像からシールドされている。基準センサ110は、基準センサおよびアクティブセンサに共通の周囲条件に曝露され得る。例えば、基準センサは、周囲温度に曝露されるが熱シーンに曝露されない基準またはブラインドボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、周囲温度および熱シーンの両方に曝露されるアクティブボロメータピクセルである。一般に、センサは、2つの端子を含み、センサ画像に依存する2つの端子間の可変インピーダンス値を有し得る。抵抗器および可変抵抗器記号は、本開示でセンサを表すために使用されるが、センサ特性および構成要素は、2つの端子間の抵抗要素に限定されないことが理解される。
「ボロメータ」という用語は、開示されるセンサを例証するために使用されるが、「ボロメータ」という用語は、単一のピクセルまたは単一のデバイスに限定されないことが理解される。ボロメータは、曝露された放射に応じて出力特性を変更するように構成された任意の要素であり得る。いくつかの例では、ボロメータは、1つ以上のピクセルであり得る。他の例では、ボロメータは、1つ以上のデバイスであり得る。「ボロメータピクセル」という用語は、開示されるセンサを例証するために使用されるが、開示されるセンサは、本開示の範囲から逸脱することなく、2つ以上のボロメータピクセルを含み得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、基準センサ110は、周囲条件および自己発熱の両方を追跡する出力109での調整可能なバイアス電圧を発生させる。そのような例では、読み出し回路は、他の読み出し回路の定電圧モードと比較して、定電流モードで動作する。言い換えれば、第1の電流源104によって提供される第1の電流は、一定である。第1の電流源と基準センサとの間で他の分岐が接続されていないため、基準センサを横切る電流はまた、第1の電流の値で一定である。
基準センサが周囲条件に曝露されるため、基準センサのインピーダンスは、曝露された周囲条件を反映する値に応じて安定する。センサのインピーダンスは、安定した状態で実質的に固定されるが、基準センサのインピーダンスは、周囲条件に応じて変化し得ることが理解される。第1の電流および基準センサインピーダンスにより、第1の端子110aと第2の端子110bとの間で電圧降下が生成される。電圧降下により、第2の端子110bでの電圧は、第1の端子110aでの電圧と、2つの端子にわたる電圧降下との間の差によって生成される。
第2の端子110bでの電圧は、出力109で電圧ドライバ108によって駆動される。一実施形態では、電圧ドライバ108は、理想的な電圧源として実質的に作用し得る。言い換えれば、電圧ドライバ108は、生成された電圧を第2の端子110bで維持するように、出力109で必要な電流を提供(または吸収)し得る。
電圧ドライバ108を例示する記号は、例示の目的のためだけに使用される。当業者には、異なる方法および回路が、第2の端子110bで電圧を駆動するために利用され得ることが明らかである。例示の電圧ドライバ108の入力は、フローティングとして示されるが、入力は、単に代表的なものであり、出力電圧を維持するための読み出し回路の好適な要素に接続され得ることが理解される。
第2の端子110bでの電圧は、基準センサ110によって観測される自己発熱および周囲条件などのコモンモード効果を反映するため、重要である。バイアス電圧がコモンモード条件を反映するため、アクティブセンサ112の第2の端子112bを駆動し、この電圧でバイアスすることによって、(その後の段階のダイナミックな範囲を不都合に低減させ得る)コモンモード効果が効果的に補償されている。
いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路100は、対称的に構成されている。言い換えれば、アクティブセンサ112は、基準センサ110と実質的に同じであり、第2の電流源106は、第1の電流源104と実質的に同じ電流を提供し得る。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている。一例では、第1および第2の電流源によって提供される電流は、基準電位120に向かって流れ得る。いくつかの実施形態では、基準電位120は、基準電圧である。別の実施形態では、基準電位120は、接地である。
いくつかの例では、読み出し要素102の入力103は、電荷増幅器の入力などの低入力抵抗を有し得る。これらの例では、基準センサおよびアクティブセンサが実質的に同じ条件に曝露され、第1および第2の電流源が実質的に同じ電流を提供する場合、アクティブセンサ112を横切る電流が第2の電流源106によって提供される電流と同じであるため、入力103に入る電流または入力103から出る電流がない。この条件の例は、曝露されたセンサ画像が周囲条件自体である場合である。
逆に、基準センサおよびアクティブセンサが異なる条件に曝露される(すなわち、曝露されたセンサ画像が周囲条件とは異なる)場合、アクティブセンサ112のインピーダンスが基準センサ110のインピーダンスとは異なり、提供された電流の値は、曝露後に同じままであるため、電流は、入力103に入るかまたは入力103から出る。入力103に入るかまたは入力103から出る電流または総電荷は、読み出し要素102で捕捉され、測定される。
自己発熱および周囲条件などのコモンモード効果は、バイアス電圧によって補償されているため、測定された電流または電荷は、これらのコモンモード構成要素とは独立している。その結果、その後の段階のダイナミックな範囲が低減され得る。
測定された電流または電荷は、望ましくないコモンモード構成要素とは独立しているため、これらのコモンモード構成要素は、測定の一部ではない。例示的な利点として、開示される回路および方法は、追加の回路のコストおよび複雑性がなく、コモンモード効果を除去する。本明細書で提示される回路は、センサアレイでコモンモード変化を効率的かつコンパクトに追跡する。したがって、測定された熱画像信号の精度が向上し得、補償のための追加の構成要素なしで、その後のADCの入力範囲要件が低減され得る。
さらに、開示される読み出し回路および方法は、回路要素のより大きい変化を許容し得る。例えば、コモンモード効果が除去されるため、トランジスタおよび抵抗構成要素の熱依存性は、無視され得る。
この機構を利用して、アクティブセンサのアレイが測定され得る。捕捉または測定された電流または電荷に基づいて、センサ画像が計算され得る。測定および計算を実行する例示的な方法および回路は、本開示において後で考察される。
一実施形態では、アクティブセンサは、熱シーンに曝露されるアクティブボロメータピクセルであり、基準センサは、周囲温度に曝露されるが、熱シーンに曝露されないブラインドまたは基準ボロメータピクセルである。いくつかの実施形態では、アクティブボロメータピクセルは、LWIR放射に曝露される。基準ボロメータピクセルは、コモンモード効果を補償するバイアス電圧を決定する。熱シーンでの変化に応じて、アクティブボロメータピクセルのインピーダンスは、変化し得、結果として生じる電流の変化は、熱シーンに関連する熱画像を決定するように測定または捕捉される。測定された電流は、コモンモード効果に対して補償される。
いくつかの実施形態では、電流源104および106によって提供される第1の電流および第2の電流は、一定である。例えば、電流源は、アサーマルである。電流の値は、実質的に温度の影響を受けない。さらにまたは代替的に、電流源は、実質的に、理想的な電流源のように作用し得る。例えば、電流源によって提供される電流の値は、対応する電流源の出力電圧に関係なく固定される。本明細書で使用するとき、「定電流」は、他のパラメータ(例えば、温度、電流源の出力電圧、駆動負荷、駆動速度)とは独立している電流を意味する。当業者は、「定電流」が常に同じ値を必要としないことを理解するであろう。例えば、電流は、読み出し時間中に第1の固定値を有し得、非読み出し期間中に第2の固定値を有し得る(例えば、較正、スリープ、低電力、電源オフ)。別の例では、電流は、第1の読み出し時間中に第3の固定値を有し得、第2の読み出し時間中に第4の固定値を有し得る。
いくつかの実施形態では、第1の電流バッファは、基準センサと第1の電流源との間で結合されており、第2の電流バッファは、アクティブセンサと読み出し要素の入力との間で結合されている。いくつかの実施形態では、電流バッファは、基準センサおよびアクティブセンサによって生成される信号から、入力ノード(例えば、読み出し要素の入力、電圧ドライバの入力)での望ましくない効果をシールドしている。例えば、望ましくない電流が入力ノード内に注入され得、これらのノードで電圧を変調し得る。電流バッファは、信号電流が望ましくない注入電流の影響を受けることを防止する。
電流源記号は、本開示で電流源を例示するために使用されるが、電流源は、定電流および/またはアサーマル電流を提供し得る任意の1つ以上の回路要素であり得ることが理解される。いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーのうちの1つ以上である。
例示的な利点として、定電流源およびアサーマル電流源は、読み出し回路の電流を提供するために使用され得るため、電流源の出力インピーダンスは、センサと比較して高くなり得る。したがって、基準センサおよびアクティブセンサによって形成される抵抗分割器によって分割される代わりに、より多くの信号電流が読み出し要素に入るため、回路の効率が増加する。
いくつかの実施形態では、読み出し回路は、較正回路に電気的に結合されている。較正回路は、1つ以上の較正電流源と、1つ以上の第4の基準センサと、較正読み出し要素と、を含む。1つ以上の較正電流源は、1つ以上の較正電流を、電気的に結合された列のアクティブセンサおよび基準センサ、ならびに較正読み出し要素に提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、較正電流源は、固定電流源である。1つ以上の第4の基準センサは、バイアス電圧および較正読み出し要素に電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、較正読み出し要素は、較正ADCである。いくつかの実施形態では、1つ以上の第4の基準の各々は、読み出し回路の基準センサより物理的により大きく、読み出し回路の基準センサと同じインピーダンスを有する。物理的により大きい第4の基準センサは、読み出し回路の基準センサよりもノイズが少ない。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCであり、ADCは、アクティブセンサまたは基準センサの列に関連する。ADCのゲインミスマッチ、ノイズ、および/またはオフセットなどの非理想性は、較正モードで較正される。いくつかの例では、非理想性は、望ましくない固定パターンを生じさせ、センサ画像を歪ませる。較正モードでは、各行の読み出し中に、一部または全部の電圧ドライバおよび読み出し要素入力は、それぞれ、読み出し回路の基準センサおよびアクティブセンサから電気的に切離されている。1つ以上の較正電流は、読み出し回路の基準センサおよびアクティブセンサ、ならびに較正読み出し要素から電気的に切離されている、電圧ドライバおよび読み出し要素入力に電気的に結合されている。各行の読み出し中に、較正読み出し要素の測定された値は、1つ以上の較正電流に電気的に結合された読み出し要素入力の1つ以上の測定された値から引かれ得る。いくつかの実施形態では、1つ以上の較正電流は、各行読み出し期間で、1つ以上の異なる読み出し要素入力に電気的に結合している。
「電気的に結合された」および「結合された」は、本開示で読み出し回路の2つの要素間の電気的接続を説明するために使用されるが、電気的接続は、一緒に結合されている構成要素の端子間の直接接続を必ずしも必要としないことが理解される。記載した構成要素の異なる組み合わせおよび接続は、本開示の範囲から逸脱することなく、定電流および調節可能なバイアス電圧読み出し回路を達成し得る。例えば、電気的ルーティングは、一緒に電気的に結合されている構成要素の端子間で接続する。別の例では、閉じた(導電)スイッチは、一緒に結合されている構成要素の端子間で接続されている。さらに別の例では、追加の要素は、回路の定電流特性に影響を及ぼすことなく、一緒に結合されている構成要素の端子間で接続する。例えば、読み出し回路の特性に影響を及ぼすことなく、本開示の範囲から逸脱することなく、バッファ、増幅器、およびパッシブ回路要素が加えられ得る。
いくつかの実施形態では、2つの電気的に結合された構成要素は、トポロジカルに結合され得る。本明細書で使用するとき、2つの構成要素は、トポロジーまたはトポロジーの同じ部分内で互いに電気的影響を及ぼす場合、「トポロジカルに結合されている」。例えば、開示される読み出し回路の基準センサおよび第1の電流源は、読み出し回路の同じ基準分岐上で電気的に結合されている。
同様に、「電気的に結合解除された」は、本開示で読み出し回路の2つの要素間の電気的切断を説明するために使用されるが、電気的切断は、切り換えられている構成要素の端子間で物理的に開くことを必ずしも必要としないことが理解される。また、「結合解除された」は、2つの要素間の電気的エネルギー移動の防止を意味するように限定されないことが理解される。例えば、高インピーダンス要素が、結合解除されている構成要素の端子間で接続されている。別の例では、開いた(非導電)スイッチは、結合解除されている構成要素の端子間で接続されており、構成要素を効果的に結合解除している。
図で使用される矢印は、例示の目的のためである。電流の流れの方向は、図面上に示される方向に限定されないことが理解される。説明のために、「入る」および「出る」などの用語が、電流の流れを説明するために使用される。当業者は、電流の流れの方向または電圧の極性が説明または例示される方向または極性に限定されないことを認識するであろう。いくつかの実施形態では、電圧極性は、電流方向、および電流が横切る構成要素の有効なインピーダンスによって決定される。他の実施形態では、電流方向は、電圧極性、および電流が横切る構成要素の有効なインピーダンスによって決定される。さらに他の実施形態では、電流方向は、電流源によって決定され、電圧極性は、電圧源によって決定される。
図2は、一実施形態による、センサ読み出しの方法200を例示する。方法200は、第1の電流を基準センサの第1の端子に提供すること(ステップ202)を含む。例えば、図1を参照すると、第1の電流源104は、第1の電流を基準センサ110の第1の端子110aに提供し得る。
方法200は、基準センサの第2の端子において第1の電流から電圧を発生させること(ステップ204)を含む。例えば、第1の電流および基準センサのインピーダンスにより、基準センサ110にわたる電圧降下および第2の端子110bでの電圧が生成される。
方法200は、第2の電流をアクティブセンサの第1の端子に提供すること(ステップ206)を含む。例えば、第2の電流源106は、第2の電流をアクティブセンサ112の第1の端子112aに提供し得る。
いくつかの実施形態では、第1の電流および第2の電流は、一定である。いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている。例えば、第1の電流源104および第2の電流源106によって提供される電流は、基準電位120に向かって流れ得る。いくつかの実施形態では、基準電位120は、電圧源によって駆動される基準電圧である。別の実施形態では、基準電位120は、接地である。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される。
方法200は、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動すること(ステップ208)を含む。例えば、基準センサ110の第2の端子110bは、アクティブセンサ112の第2の端子112bに電気的に結合されており、このノードでの電圧は、出力109で電圧ドライバ108によって駆動される。いくつかの実施形態では、電圧は、アクティブセンサに対するバイアス電圧である。例えば、先に説明したように、バイアス電圧は、コモンモード効果を反映する。電圧でアクティブセンサをバイアスすることによって、これらのコモンモード効果が補償され得る。
いくつかの実施形態では、電圧フォロワは、出力109と第2の端子112bとの間で電気的に結合され得る。電圧フォロワは、容量負荷の効果から出力109での電圧を好都合にバッファリングし得る。
方法200は、アクティブセンサをセンサ画像に曝露すること(ステップ210)を含む。例えば、アクティブセンサ112は、センサ画像に曝露される。いくつかの実施形態では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、アクティブセンサのインピーダンスを変更することをさらに含む。例えば、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。アクティブボロメータピクセルは、熱シーンに曝露される。アクティブボロメータピクセルのインピーダンスは、熱シーンへの曝露に応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、アクティブセンサをLWIR放射に曝露することを含む。
方法200は、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への第3の電流を測定すること(ステップ212)を含む。例えば、読み出し要素102の入力103に入るかまたは入力103から出る電流が測定される。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、第3の電流を変更することをさらに含む。例えば、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。アクティブボロメータピクセルは、熱シーンに曝露される。熱シーンへの曝露に応じて、読み出し要素102の入力103に入るかまたは入力103から出る電流は変化し得る。
いくつかの実施形態では、方法200は、基準センサを、基準センサおよびアクティブセンサに共通の周囲条件に曝露することと、センサ画像から基準センサをシールドすることと、をさらに含む。一例では、センサは、ボロメータピクセルであり、共通条件は、自己発熱および周囲温度である。基準ボロメータピクセルは、共通条件に曝露されるが、熱シーンからシールドされている。
方法200のいくつかの実施形態では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。一実施形態では、アクティブセンサは、熱シーンに曝露されるアクティブボロメータピクセルであり、基準センサは、周囲温度に曝露されるが、熱シーンに曝露されないブラインドまたは基準ボロメータピクセルである。基準ボロメータピクセルは、コモンモード効果を補償するバイアス電圧を決定し得る。熱シーンの変化に応じて、アクティブボロメータピクセルのインピーダンスは変化し得、結果として生じる電流の変化は、熱シーンに関連する熱画像を決定するように測定または捕捉される。測定された電流は、コモンモード効果に対して補償される。
いくつかの実施形態では、第1の電流バッファは、基準センサと第1の電流源との間で結合されており、第2の電流バッファは、アクティブセンサと読み出し要素の入力との間で結合されている。いくつかの実施形態では、電流バッファは、基準センサおよびアクティブセンサによって生成される信号から、入力ノード(例えば、読み出し要素の入力、電圧ドライバの入力)での望ましくない効果をシールドしている。例えば、望ましくない電流が入力ノード内に注入され得、これらのノードで電圧を変調し得る。電流バッファは、信号電流が望ましくない注入電流の影響を受けることを防止する。
図3は、一実施形態による、センサ読み出し回路を例示する。読み出し回路300は、図1で説明されるものに実質的に類似する構成要素を含む。図3の同様の構成要素は、図1での対応する構成要素(例えば、読み出し要素102および読み出し要素302)のように同様の数字が与えられる。簡潔のために、図3に関して、それらの同様の構成要素を再び説明しない。いくつかの実施形態は、読み出し回路300の製造の方法を含む。
回路300は、第2の基準センサ320と、第2のアクティブセンサ322と、第1のスイッチ330と、第2のスイッチ332と、第3のスイッチ334と、第4のスイッチ336と、電圧フォロワ318と、をさらに含む。第2の基準センサ320は、第1の端子320aと、第2の端子320bと、を含み、第1の端子320aは、第1の電流源304に電気的に結合されており、第2の端子320bは、電圧ドライバ308の出力309に電気的に結合されている。第2のアクティブセンサ322は、第1の端子322aと、第2の端子322bと、を含み、第1の端子322aは、第2の電流を出力する第2の電流源306に電気的に結合されており、第2の端子322bは、電圧フォロワ318に電気的に結合されている。第2のアクティブセンサ322は、第1の端子322から読み出し要素302の入力303への電流を変更するように構成されている。
電圧フォロワ318は、出力309とアクティブセンサ312の第2の端子312bとの間で電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、電圧フォロワ318は、電圧バッファとして作用する。電圧フォロワ318は、電圧ドライバ308の出力負荷を低減させ得る。いくつかの実施形態では、アクティブ列は、2つ以上のアクティブセンサ(下で考察される本構成)を含む。いくつかの実施形態では、バイアス電圧は、2つ以上のアクティブ列に駆動される。アクティブバイアス電圧ノードでの負荷(例えば、容量負荷)は、列のサイズおよび/または駆動されている列の数が増加するにつれて増加する。電圧フォロワ318は、電圧ドライバ308のサイズおよび所望のアクティブバイアス電圧応答を維持し得る。
電圧フォロワ318は、電圧ドライバ308とアクティブセンサ312との間で電気的に結合されているように例示されるが、本開示の範囲から逸脱することなく、読み出し回路300は、電圧フォロワを含まなくてもよく(例えば、電圧ドライバ308は、第2の端子310bおよび312bの両方に電気的に結合されており、アクティブバイアス電圧を提供する)、または2つ以上の電圧フォロワ(例えば、多段階電圧バッファ、並列電圧フォロワ)を含んでもよいことが理解される。
電圧フォロワ318を例示する記号は、例示の目的のためだけに使用される。当業者には、異なる方法および回路が、第2の端子312bで電圧を駆動するために利用され得ることが明らかである。
第1のスイッチ330は、基準センサ310を第1の電流源304に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第2のスイッチ332は、アクティブセンサ312を第2の電流源306に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第3のスイッチ334は、第2の基準センサ320を第1の電流源304に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第4のスイッチは、第2のアクティブセンサ322を第2の電流源306に選択的に電気的に結合させるように構成されている。スイッチは、回路要素を選択的に電気的に結合させ得る任意の好適な構成要素であり得る。例えば、スイッチは、トランジスタである。スイッチは、読み出しスキームに基づいて適切なスイッチを閉じるコントローラに電気的に結合し得る。
回路300は、2つ以上の行を含むセンサアレイの読み出し動作のために構成され得る。例えば、基準センサ310およびアクティブセンサ312は、センサアレイの第1の行に関連し、第2の基準センサ320および第2のアクティブセンサ322は、センサアレイの第2の行に関連する。アレイの読み出し中に、第1の行が読み出しのために選択される。第1の行が読み出しのために選択されると、第1のスイッチ330および第2のスイッチ332が閉じられ(導電)、それぞれ、基準センサ310を第1の電流源304に、アクティブセンサ312を第2の電流源306に結合させる。この時間中に、第3のスイッチ334および第4のスイッチ336が開かれ(非導電)、第2の基準センサおよびアクティブセンサがそれらそれぞれの電流源から電気的に結合解除されたままである。
第1の行が読み出しのために第2の行に移行すると、第1のスイッチ330および第2のスイッチ332が開かれ(非導電)、それぞれ、基準センサ310を第1の電流源304に、アクティブセンサ312を第2の電流源306に電気的に結合解除させる。この時間中に、第3のスイッチ334および第4のスイッチ336が閉じられ(導電)、それぞれ、第2の基準センサ320を第1の電流源304に、第2のアクティブセンサ322を第2の電流源306に結合させる。
本開示で説明する機構は、読み出し要素302の入力303に入るかまたは入力303から出る電流を生じさせ得る。したがって、現在選択されているアクティブセンサの読み出しデータは、その後処理され得る。このプロセスは、センサアレイ全体がスキャンされるまで、または意図された行がスキャンされるまで、その後の行に対して繰り返され得る。
アクティブセンサ列に対する行間読み出し動作が説明されるが、動作は1列に限定されないことが理解される。動作は、1つ以上の列の基準センサを使用して、1つ以上の列のアクティブセンサに対して順番にまたは同時に実行され得る。
スイッチは例示されるように構成されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、スイッチは、異なる方法で好適に接続され得ることも理解される。
例えば、いくつかの実施形態では、追加のスイッチが、第2の端子と電圧フォロワまたはバイアス電圧ノードとの間で電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、電圧フォロワは、第2の端子と電圧ドライバとの間で電気的に結合された追加のスイッチで補われ得るか、またはそれによって置き換えられ得る。追加のスイッチが第2の端子と電圧ドライバとの間で結合されているときに、1つ以上のアクティブセンサの第2の端子は、(電圧フォロワを有するかまたは有しない)回路で同じノードではない。これらの実施形態では、選択された行のそれぞれの追加スイッチは、選択されていない行の他の追加スイッチが開いている(非導電)間に閉じられる(導電)。これらの実施形態では、選択されていないアクティブセンサの第2の端子の負荷が効果的に除去されるため、選択されたアクティブセンサの第2の端子での負荷が低減される。これらの実施形態は、複数の列から選択されたアクティブセンサが同時に駆動され、複数の列から選択されたアクティブセンサの第2の端子での負荷が回路応答に影響を及ぼす場合に特に有益である。
いくつかの実施形態では、電圧ドライバ308は、オペアンプである。オペアンプ308の出力309は、基準センサの第2の端子に電気的に結合されている。オペアンプの負の入力は、基準センサの第1の端子に電気的に結合し得る。
選択された基準センサおよびオペアンプは、反転増幅器を形成し得る。増幅器は、バイアス電圧を基準センサの第2の端子に出力し得る。出力バイアス電圧は、本開示の他の場所で説明されるバイアス電圧と実質的に同じであり得る。基準センサの第1の端子は、増幅器の負の入力に電気的に結合している。第1の電流源304は、第1の電流を第1の端子に提供するため、負の入力および出力にわたる電圧降下が生成され、適切なバイアス電圧が電圧降下に基づいて増幅器によって駆動される。基準電圧は、オペアンプの正の端子に電気的に結合し得る。例えば、基準電圧は、定電圧または接地電圧である。
フィードバック要素338は、基準センサの第1および第2の端子に電気的に結合されている。言い換えれば、フィードバック要素は、追加の負のフィードバック経路をオペアンプ308に提供し得る。一実施形態では、フィードバック要素は、コンデンサである。別の実施形態では、フィードバック要素は、基準センサに実質的に類似のセンサである。フィードバック要素338は、行移行中に電圧ドライバのフィードバックループを閉じたままにし得、したがって、電圧ドライバ308が開ループ状況で仕切るかまたは飽和することを防止する。コンデンサは、出力309での電圧が次の行の読み出しの開始時に所望の電圧であるような適切なサイズであり得る。当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、他の好適なフィードバック要素が使用され得ることを認識するであろう。
いくつかの実施形態では、第1の電流バッファは、基準センサと第1の電流源との間で結合されており、第2の電流バッファは、アクティブセンサと読み出し要素の入力との間で結合されている。いくつかの実施形態では、電流バッファは、基準センサおよびアクティブセンサによって生成される信号から、入力ノード(例えば、読み出し要素の入力、電圧ドライバ308の負の端子)での望ましくない効果をシールドしている。例えば、望ましくない電流が入力ノード内に注入され得、これらのノードで電圧を変調し得る。電流バッファは、信号電流が望ましくない注入電流の影響を受けることを防止する。
図4は、一実施形態による、センサ読み出しの方法400を例示する。いくつかの実施形態では、方法400は、方法200と併せて使用される。いくつかの実施形態では、方法400は、本開示で説明される読み出し回路を使用して実行される。方法400は、第4の電流を第2の基準センサの第1の端子に提供すること(ステップ402)を含む。例えば、図3を参照すると、第1の電流源304は、第4の電流を第2の基準センサ320の第1の端子320aに提供し得る。いくつかの実施形態では、第1の電流および第4の電流は、同じ大きさを有する。
方法400は、第1の電流を提供する第1の電流源を基準センサから電気的に結合解除させることと、第4の電流を提供する第1の電流源を第2の基準センサに結合させることと、をさらに含み得る。例えば、第1のスイッチ330は開き得(非導電)、基準センサ310を第1の電流源304に電気的に結合解除させる。第2のスイッチ332は閉じ得(導電)、第2の基準センサ320を第1の電流源304に結合させる。
方法400は、第2の基準センサの第2の端子において第4の電流から第2の電圧を発生させること(ステップ404)を含む。例えば、第4の電流および第2の基準センサ320のインピーダンスにより、第2の基準センサ320にわたる電圧降下および第2の端子320bでの電圧が生成される。
方法400は、第5の電流を第2のアクティブセンサの第1の端子に提供すること(ステップ406)を含む。例えば、第2の電流源306は、第5の電流を第2のアクティブセンサ322の第1の端子322aに提供し得る。いくつかの実施形態では、第2の電流および第5の電流は、同じ値を有し得る。
方法400は、第2の電流を提供する第2の電流源をアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、第5の電流を提供する第2の電流源を第2のアクティブセンサに結合させることと、をさらに含み得る。例えば、第3のスイッチ334は開き得(非導電)、アクティブセンサ312を第2の電流源306に電気的に結合解除させる。第4のスイッチ336は閉じ得(導電)、第2のアクティブセンサ322を第2の電流源306に結合させる。
いくつかの実施形態では、第4の電流および第5の電流は、一定である。いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている。例えば、第1の電流源304および第2の電流源306によって提供される電流は、基準電位に向かって流れ得る。いくつかの実施形態では、基準電位は、電圧源によって駆動される基準電圧である。別の実施形態では、基準電位は、接地である。
いくつかの実施形態では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される。
例示的な利点として、定電流源およびアサーマル電流源は、読み出し回路の電流を提供するために使用され得るため、電流源の出力インピーダンスは、センサと比較して高くなり得る。したがって、基準センサおよびアクティブセンサによって形成される抵抗分割器によって分割される代わりに、より多くの信号電流が読み出し要素に入るため、回路の効率が増加する。
方法400は、第2の電圧で第2のアクティブセンサの第2の端子を駆動すること(ステップ408)を含む。例えば、第2の基準センサ320の第2の端子320bは、第2のアクティブセンサ322の第2の端子322bに電気的に結合されており、このノードでの第2の電圧は、出力309で電圧ドライバ308によって駆動される。いくつかの実施形態では、第2の電圧は、第2のアクティブセンサに対するバイアス電圧である。例えば、先に説明したように、バイアス電圧は、コモンモード効果を反映する。電圧で第2のアクティブセンサをバイアスすることによって、これらのコモンモード効果が補償され得る。
いくつかの実施形態では、第2の電圧は、オペアンプによって駆動され、基準センサの第1の端子は、オペアンプの負の入力に電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、本方法は、フィードバック要素を使用して、基準センサの第2の端子から基準センサの第1の端子にフィードバックすることをさらに含む。
いくつかの例では、第4の電流は、第2の基準センサにわたって電圧降下を生じさせ、第2の電圧は、第2の基準センサの第2の端子に出力する増幅器で生成され、第2の基準センサの第1の端子は、増幅器の負の端子に電気的に結合されている。
方法400は、第2のアクティブセンサをセンサ画像に曝露すること(ステップ410)を含む。例えば、第2のアクティブセンサ322は、センサ画像に曝露される。いくつかの実施形態では、第2のアクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、第2のアクティブセンサのインピーダンスを変更することをさらに含む。例えば、第2のアクティブセンサは、第2のアクティブボロメータピクセルである。第2のアクティブボロメータピクセルは、熱シーンに曝露される。第2のアクティブボロメータピクセルのインピーダンスは、熱シーンへの曝露に応じて変化し得る。いくつかの実施形態では、第2のアクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、第2のアクティブセンサをLWIR放射に曝露することを含む。
方法400は、第2のアクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への第6の電流を測定すること(ステップ412)を含む。例えば、読み出し要素302の入力303に入るかまたは入力303から出る電流が測定される。いくつかの実施形態では、第6の電流は、本開示で説明される機構によって生じる。
したがって、現在選択されているアクティブセンサの読み出しデータは、その後処理され得る。このプロセスは、センサアレイ全体がスキャンされるまで、または意図されたセンサがスキャンされるまで、その後の行に対して繰り返され得る。
アクティブセンサ列に対する行間読み出し動作が説明されるが、動作は1列に限定されないことが理解される。動作は、2つ以上の列の基準センサを使用して、2つ以上の列のアクティブセンサに対して順番にまたは同時に実行され得る。
図5は、一実施形態による、センサ読み出し回路を例示する。読み出し回路500は、図1および図3で説明されるものに実質的に類似する構成要素を含む。図5の同様の構成要素は、図1および図3での対応する構成要素のように同様の数字が与えられる。簡潔のために、図5に関して、それらの同様の構成要素を再び説明しない。いくつかの実施形態では、回路500の構成要素は、本開示の他の場所で説明される読み出し回路と併せて利用される。いくつかの実施形態は、読み出し回路500の製造の方法を含む。
回路500は、本開示で説明される読み出し要素に実質的に類似し得る読み出し要素の段階530をさらに含む。いくつかの実施形態では、読み出し要素の段階は、CTIAである。いくつかの実施形態では、基準センサおよびアクティブセンサ分岐の間の対称構成のため、入力503での電圧は、基準センサ510およびアクティブセンサ512が同じインピーダンスを有するときに(例えば、センサが両方とも周囲条件のみに曝露されるときに)、正の端子534の電圧と理想的に等しくなり得る。いくつかの実施形態では、正の端子534での電圧は、基準電圧である。いくつかの実施形態では、正の端子534での電圧は、接地電圧である。
第1の電流バッファ550は、基準センサと第1の電流源504との間で結合されている。第2の電流バッファ552は、アクティブセンサと入力503との間で結合されている。いくつかの実施形態では、電流バッファは、基準センサおよびアクティブセンサによって生成される信号から、入力ノード(例えば、入力503、電圧ドライバ508の負の端子)でのフィードバックの効果をシールドしている。例えば、望ましくない電流が入力ノード内に注入され得、これらのノードで電圧を変調し得る。電流バッファは、信号電流が望ましくない注入電流の影響を受けることを防止する。
電流バッファは、基準およびアクティブ分岐に対して各々例示されるが、本開示の範囲から逸脱することなく、読み出し回路は、電流バッファを含まなくてもよく(例えば、電流源は、基準センサおよびアクティブセンサに電気的に結合されている)、または2つ以上の電流バッファ(例えば、並列電流バッファ、各分岐に対する電流バッファ)を含んでもよいことが理解される。
電流バッファ550および552を例示する記号は、例示の目的のためだけに使用される。記号は、電流バッファリングがドライバまたは増幅器のみを使用して実行されることを必ずしも意味するわけではない。当業者には、異なる方法および回路が、センサと電流源との間で電流をバッファリングするために利用され得ることが明らかである。
いくつかの実施形態では、CTIAの出力での電圧は、センサの読み出し中の基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する。例えば、CTIAの出力536での電圧はVであり、CTIAの入力503での電圧はV
nであり、CTIAの入力での有効な静電容量はC
pであり、CTIAの開ループゲインはAであり、CTIAのフィードバックコンデンサはC
CTIAの値を有し得、基準センサ510のインピーダンスはZ
refであり、アクティブセンサ512のインピーダンスはZ
activeであり、アクティブセンサ512のバイアス電圧(すなわち、第2の端子512bでの電圧)はV
biasであり、第1の電流源504はI
1の電流を提供し得、第2の電流源506はI
2の電流を提供し得、基準電位520での電圧はV
refである。Vを計算するために、以下の式が使用され得る。
上記の変数の極性は、回路パラメータを解くためにのみ示される。回路での電流は任意の方向であり得、回路での電圧は任意の極性であり得ることが理解される。
CTIAは、効果的に理想的な積分器であり得る。言い換えれば、開ループは、ゲイン係数の他の変数と比較して実質的に大きくなり得る。これらの事例では、変数Aは、効果的に無限大に近づき得る。いくつかの例では、開ループゲインAは、20よりも大きい。したがって、ゲイン係数は、近似され得る。
CTIAの有効な積分静電容量は、次のとおりである。
CTIAが効果的に理想的な積分器であると仮定すると、
CTIAは、効果的に理想的な積分器であり得るため、以下の関係がVに対して導出される。
基準センサ510およびアクティブセンサ512は、構造において同一である。言い換えれば、2つのセンサは、同じ条件に曝露されるときに、同じインピーダンスを有し得る。したがって、Vは、さらに簡略化され得る。
ここで、ΔZは、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差である。用語I
1およびξは、読み出し時間中に効果的に一定であるため、Vは、任意の他のパラメータとは独立してΔZに比例する。
本開示で説明される読み出し回路を使用して、センサ画像は、任意の他のパラメータとは独立して、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差にのみ基づいて計算され得る。測定からコモンモード効果を除去することに加えて、開示される定電流読み出し回路および方法はまた、上記に示される素晴らしい結果をもたらすことに留意されたい。
上記の導出から、開示される回路および方法の例示的な利点は、読み出し回路の出力電圧が、基準センサおよびアクティブセンサのインピーダンス差に実質的に比例し得ることが分かり得る。定電流モードでの読み出しの結果として、上記の導出での近似およびキャンセルのいくつかが行われ得、センサ画像は、単に比例関係に基づいて計算され得る。いくつかの例では、単純な比例関係は、センサ画像がより容易に計算され得ることを可能にする。その結果、より少ない処理が必要とされる。他の例では、単純な比例関係は、(式および回路上で)より少ない変化および未知の要素を含む。その結果、センサ画像はより精確である。
比例という用語は、出力電圧とセンサインピーダンス差との間の関係を説明するために使用されるが、「比例」という用語は、正確な線形関係に限定されないことが理解される。本開示の範囲から逸脱することなく、「比例」という用語は、2つの量の間のおよその線形関係を説明するために使用され得る。「比例」という用語はまた、スケーリング係数によって異なる2つの量の間の関係を説明するために使用され得る。
上記の近似は上記の仮定で行われるが、回路において仮定が満たされると、上記変数がその近似値に近づき得ることが理解される。近似値は、計算の目的のために、任意の予期しない結果を伴わずに式で置き換えられ得る。
回路500は、追加の負荷を有し得る。追加の負荷は、段階530の入力532でコンデンサ540によって表され得る。代表的なコンデンサ540は例示的であり、接地に電気的に結合された実際のコンデンサまたは容量性構成要素ではないことが理解される。いくつかの実施形態では、代表的なコンデンサ540は、入力503ノードでの有効な静電容量であり、それは、回路の非理想的な静電容量(例えば、センサ負荷静電容量、電流源静電容量、ミスマッチ、配線静電容量、寄生的なもの)を表す。
望ましくない追加の負荷を除去するために、読み出し回路は、CDS回路を含み得る。いくつかの実施形態では、CDS回路は、CTIAの一部として含まれる。追加の負荷を除去するために、選択されたセンサを読み出す前に、追加の負荷によって生じる回路上の効果が決定される。例えば、有効な代表的な追加の負荷(例えば、静電容量540)によって生じる有効な電荷がサンプリングされる。追加の負荷の効果は、選択されたセンサを読み出す前にキャンセルされる。
いくつかの実施形態では、追加の非理想性は、(記号的に表されない)読み出し回路の要素によって生じる電圧および電流の非理想性を含み得る。いくつかの実施形態では、CDS回路は、追加の非理想性、および回路での非理想的な静電容量の効果を除去する。
センサ読み出しの方法は、読み出し要素に入力される電流を読み出し要素の読み出し電圧に変換することを含み得る。例えば、CTIAは、電流を読み出し要素の読み出し電圧に変換し得る。いくつかの実施形態では、CTIAの出力での電圧は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する。
読み出し回路は、CDS回路をさらに含み得る。CDS回路は、読み出し回路でのオフセットを除去し得る。いくつかの実施形態では、CDS回路は、CTIAの一部として含まれる。
いくつかの実施形態では、本方法は、読み出し要素の入力によって生成されるオフセットを決定することと、読み出し要素の入力への電流を測定する前に、オフセットをキャンセルすることと、をさらに含む。
いくつかの実施形態では、回路は、(記号的に表されない)読み出し回路の要素によって生じる電圧および電流の非理想性などの追加の非理想性を含み得る。いくつかの実施形態では、CDS回路は、追加の非理想性、および回路でのオフセットを除去する。
図6は、一実施形態による、センサ読み出し回路を例示する。読み出し回路600は、図1、図3、および図5で説明されるものに実質的に類似する構成要素を含み得る。簡潔のために、図6に関して、それらの同様の構成要素を再び説明しない。いくつかの実施形態では、回路600の構成要素は、本開示の他の場所で説明される読み出し回路と併せて利用される。いくつかの実施形態は、読み出し回路600の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、読み出し回路600は、第3の基準センサ630と、第3の電流源608と、を含む。第3の基準センサ630は、第1の端子630aと、電圧ドライバ(図示せず)に電気的に結合された第2の端子630bと、を含む。第3の電流源608は、第3の基準センサ630の第1の端子630aに電気的に結合されており、かつ第3の基準センサ630によって生成される自己発熱を反映する第7の電流を出力するように構成されている。第2の電流源606によって提供される第2の電流の値は、第7の電流に従って調整される。一例では、第2の電流源は、本開示で説明される第2の電流に実質的に類似し、第3の基準センサは、基準またはブラインドボロメータピクセルである。
一実施形態では、第7の電流は、制御された電流源によって提供される。制御された電流源は、フィードバックループ616を使用して制御され、それは、第3の基準センサ630の第1の端子630aでの電圧、したがって、その自己発熱を追跡する。現在選択されている行のセンサに対して、第7の電流は、第3の基準センサ630の追跡された自己発熱により変化し得、それは、アクティブセンサによって経験される自己発熱を反映する。第1の端子630aでの電圧は、負のフィードバック構成でのフィードバックループ616のオペアンプによって一定に保持される。オペアンプの出力電圧は、自己発熱による電流の変化を追跡するように更新する。第7の電流は、第2の電流源606にミラーリングされ、それは、選択されたアクティブセンサの自己発熱を補償するようにアクティブセンサ612に電気的に結合されている。
負のフィードバック増幅器は、単に例示的な目的のために示される。本発明の範囲から逸脱することなく、他の構成要素および方法が、電流606および608を追跡および制御し得ることが理解される。電圧ドライバは、バイアス電圧を駆動するように示されないが、本開示で説明されるように、電圧ドライバは、バイアス電圧を駆動するように基準センサにわたって電気的に結合され得ることが理解される。1つの基準列および1つのアクティブ列が例示されるが、1つ以上の基準列が自己発熱を追跡し得、1つ以上のアクティブ列が自己発熱を補償され得ることが理解される。
図7は、一実施形態による、電流調整の方法700を例示する。例えば、アクティブボロメータピクセルに提供される電流は、ブラインドボロメータピクセルを追跡することによって自己発熱を補償される。
方法700は、第7の電流を第3の基準センサの第1の端子に提供すること(ステップ702)であって、第7の電流が、第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する、提供することと、第7の電流に従って、第2の電流の値を調整すること(ステップ704)と、を含む。方法700は、読み出し回路600または他の好適な自己発熱補償構成要素を使用して達成され得る。例えば、第7の電流は、第3の電流源608によって提供され、フィードバックループ616によって追跡される。追跡された電流は、アクティブセンサに提供される電流(例えば、第2の電流源606によって提供される電流)にミラーリングされる。
代替的に、一実施形態では、基準センサにわたる電圧は、一定のままである。言い換えれば、第3の基準センサ630は、周囲条件に曝露されず、第3の基準センサ630に並列に電気的に結合された電圧ドライバはない。本実施形態では、第3の基準センサは、バイアス電圧を生成せず、周囲変化を追跡するように平均バイアス電流を調整しない。しかしながら、ピクセル応答での一定のゲインを維持するために、周囲条件に関して、バイアス電圧を生成しバイアス電流を調整することが必要である。
図8は、一実施形態による、センサバイアス回路を例示する。読み出し回路800は、図1、図3、図5、および図6で説明されるものに実質的に類似する構成要素を含み得る。簡潔のために、図8に関して、それらの同様の構成要素を再び説明しない。いくつかの実施形態では、回路800の構成要素は、本開示の他の場所で説明される読み出し回路と併せて利用される。いくつかの実施形態は、回路800の製造の方法を含む。
センサバイアス回路800は、周囲条件を別々に追跡し、説明された自己発熱補償構成要素とは独立する。回路800は、基準センサ840と、電流源810と、電圧ドライバ808と、を含む。例えば、基準センサ802は、熱ショート(ブラインドまたは基準)ボロメータピクセルである。いくつかの実施形態では、電流源810および電圧ドライバ808は、本開示で説明される第1の電流源および電圧ドライバと実質的に同じである。周囲条件を追跡するバイアス電圧は、本開示で説明されるのと実質的に同じ方法で生成される。バイアス電圧出力809は、アクティブセンサバイアス電流を発生させるように、本開示で説明される読み出し回路のバイアス電圧ノードに電気的に結合されている。
自己発熱補償から周囲条件追跡を分離することによって、より速い自己発熱補償が達成され得る。補償応答は、バイアス電圧ノードで比較的大きい負荷を駆動するようにグローバル増幅器を使用する代わりに、各それぞれの列で電流ミラーを調整することによってより速くなり得る。バイアス電圧ノードでの負荷によって回路サイズが制限されることが少ないため、より大きい範囲のピクセルアレイサイズが、同じ周辺回路と互換性があり得る。言い換えれば、読み出し回路は、よりスケーラブルであり得る。1つの電圧ドライバおよび1つのバイアス回路が図で例示されるが、例示された構成要素のうちの1つ以上が、1つ以上のセンサバイアス回路を形成するために使用され得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、電圧フォロワは、本明細書で説明する電圧フォロワに類似の方法で、バイアス電圧ノードと1つ以上のアクティブセンサの第2の端子との間で電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、電圧フォロワは、電圧バッファとして作用する。電圧フォロワは、電圧ドライバ808の出力負荷を低減させ得る。いくつかの実施形態では、アクティブ列は、2つ以上のアクティブセンサを含む。いくつかの実施形態では、バイアス電圧は、2つ以上のアクティブ列に駆動される。アクティブバイアス電圧ノードでの負荷(例えば、容量負荷)は、列のサイズおよび/または駆動されている列の数が増加するにつれて増加する。電圧フォロワは、電圧ドライバ808のサイズおよび所望のアクティブバイアス電圧応答を維持し得る。
図9は、一実施形態による、センサ読み出しシステムを例示する。センサ読み出しシステム900は、センサ読み出し回路902と、ADC904と、を含む。センサ読み出し回路902は、本開示で説明される読み出し回路であり得る。センサ読み出し回路902は、ADC904に電気的に結合し得る。いくつかの実施形態は、回路900の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、ADCは、本開示で説明されるように、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流または電荷をサンプリングし得る。いくつかの実施形態では、ADC904は、1つ以上のシグマ-デルタADCを含む。いくつかの例では、ADCの第1の段階は、CTIAである。これらの例では、読み出し回路とADCとの間の共通の構成要素(例えば、CTIA)は好都合に共有され、システム領域および電力を最適化する。
いくつかの実施形態では、センサ読み出しの方法は、読み出し要素の入力への電流または電荷によって生成される電圧をサンプリングすることを含む。例えば、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含み得、サンプリングされている電圧は、CTIAによって生成される。いくつかの実施形態では、第1の電流バッファは、基準センサと第1の電流源との間で結合されている。第2の電流バッファは、アクティブセンサと、シグマ-デルタADCの入力との間で結合されている。いくつかの実施形態では、電流バッファは、基準センサおよびアクティブセンサによって生成される信号から、入力ノード(例えば、シグマ-デルタADCの入力)でのフィードバックの効果をシールドしている。例えば、望ましくない電流が入力ノード内に注入され得、これらのノードで電圧を変調し得る。電流バッファは、信号電流上の望ましくない注入電流の効果を低減させる。
CTIAの入力電流は、熱シーンに曝露されるアクティブボロメータピクセルによって生成される差である。いくつかの例では、CTIAは、シグマ-デルタADCの第1の段階である。
本開示の例は、本明細書で明らかにされた問題点を克服するMEMSセンサ較正回路および方法を対象とする。いくつかの実施形態では、センサ較正回路は、較正センサと、較正読み出し要素と、を含む。いくつかの実施形態では、センサ較正回路は、較正電流源を含む。いくつかの実施形態では、シャッターは、センサ較正回路に含まれる。
いくつかの実施形態では、本方法は、較正センサの電圧を測定することと、測定された較正センサ電圧に基づいて、較正された読み出し電圧を計算することと、を含む。いくつかの実施形態では、本方法は、較正電流源に電気的に結合された読み出し要素の読み出し電圧を測定することと、読み出し電圧に基づいて、出力を計算することと、を含む。いくつかの実施形態では、本方法は、シャッターが閉じられるときに、およびシャッターが開けられるときに読み出し電圧を測定することと、読み出し電圧間の差を計算することと、を含む。
例示的な利点として、開示される回路および方法は、低減されたコストでノイズを除去する。本明細書で提示される回路は、センサアレイでノイズを効率的かつコンパクトに除去する。したがって、測定されたセンサ画像の鮮明度が向上し得る。
図10は、一実施形態による、センサ読み出し回路1000を例示する。センサ読み出し回路1000は、読み出し要素1002aおよび1002bと、電流源1004a~1004cと、電圧ドライバ1006と、基準センサ1008aおよび1008bと、アクティブセンサ1010a~1010dと、スイッチ1016a~1016hと、を含む。いくつかの実施形態は、センサ読み出し回路1000の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路1000の要素は、センサ読み出し回路100の要素に対応する。いくつかの実施形態では、読み出し要素1002aは読み出し要素102に対応し、電流源1004aは第2の電流源106に対応し、電流源1004cは第1の電流源104に対応し、電圧ドライバ1006は電圧ドライバ108に対応し、基準センサ1008aは基準センサ110に対応し、アクティブセンサ1010aはアクティブセンサ112に対応する。
トポロジーは、図10で例証されるように、バイアス電圧を提供する1つの電圧ドライバを使用する。望ましくないコモンモード効果を低減させるための回路を加えることなく、トポロジーは、複雑性、サイズ、およびコストを増加させることなく、より寄生的および未知のものを導入することなく、より多くの電力を消費することなく、ノイズ誘発構成要素を加えることなく、望ましくないコモン効果を低減させ得る。
いくつかの実施形態では、基準センサ1008aおよび1008bは、センサ画像からシールドされており、アクティブセンサ1010a~1010dは、センサ画像に曝露される。基準センサは、基準センサおよびアクティブセンサに共通の周囲条件に曝露され得る。例えば、基準センサは、周囲温度に曝露されるが熱シーンに曝露されない基準またはブラインドボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、周囲温度および熱シーンの両方に曝露されるアクティブボロメータピクセルである。一般に、センサは、2つの端子を含み、センサ画像に依存する2つの端子間の可変インピーダンス値を有し得る。ブロック記号は、本開示でセンサを表すために使用されるが、説明されるセンサ特性および構成要素が例示的であることが理解される。
いくつかの実施形態では、センサ読み出し中に、各行は、順次読み出される。例えば、第1の行読み出し時間で、行制御1014aは、対応する行のスイッチ(例えば、スイッチ1016a~1016d)をオンにする電圧によって駆動されるが、一方、行制御1014bは、対応する行のスイッチ(例えば、スイッチ1016e~1016h)をオフにする電圧によって駆動される。第2の行読み出し時間で、行制御1014bは、対応する行のスイッチ(例えば、スイッチ1016e~1016h)をオンにする電圧によって駆動されるが、一方、行制御1014aは、対応する行のスイッチ(例えば、スイッチ1016a~1016d)をオフにする電圧によって駆動される。対応する行のスイッチがオンにされるときに、対応する行のアクティブセンサおよび基準センサは、バイアス電圧ノード1012および対応する電流源に電気的に結合されているが、一方、他の行のセンサは、バイアス電圧ノード1012および対応する電流源から電気的に結合解除されている。説明された読み出し動作は例示的であることが理解される。
いくつかの実施形態では、選択された基準センサは、周囲条件および自己発熱の両方を追跡する、バイアス電圧ノード1012での調整可能なバイアス電圧を発生させる。そのような例では、読み出し回路は、定電流モードで動作する。電流源1004cと選択された基準センサとの間で電気的に結合された他の分岐がないため、選択された基準センサを通る電流は一定である。
基準センサが周囲条件に曝露されるため、基準センサのインピーダンスは、周囲条件を反映する値に安定する。センサのインピーダンスは、安定した状態で実質的に固定され得るが、基準センサのインピーダンスは、周囲条件に応じて変化し得ることが理解される。電流および基準センサインピーダンスにより、基準センサにわたって電圧降下が生成される。バイアス電圧ノード1012での電圧は、電圧降下によって表される。
バイアス電圧ノード1012での電圧は、電圧ドライバ1006によって駆動される。一実施形態では、電圧ドライバ1006は、理想的な電圧源として実質的に作用し得る。言い換えれば、電圧ドライバ1006は、生成された電圧をバイアス電圧ノード1012で維持するように、必要な電流を提供(または吸収)し得る。
電圧ドライバ1006を例示する記号は、例示の目的のためだけに使用される。当業者には、異なる方法および回路が、バイアス電圧を駆動するために利用され得ることが明らかである。
バイアス電圧は、基準センサによって観測される、自己発熱および周囲条件などのコモンモード効果を反映するため、重要であり得る。したがってバイアス電圧がコモンモード条件を反映するため、選択されたアクティブセンサがバイアス電圧でバイアスされ、(その後の段階のダイナミックな範囲を不都合に低減させ得る)コモンモード効果が効果的に補償されている。
いくつかの実施形態では、アクティブセンサは、基準センサと実質的に同じであり、電流源1004a~1004cは、実質的に同じ電流を提供する。
いくつかの例では、読み出し要素は、電荷増幅器の入力などの低入力抵抗を有し得る。これらの例では、基準センサおよびアクティブセンサが実質的に同じ条件に曝露され、電流源が実質的に同じ電流を提供する場合、それぞれの選択されたアクティブセンサを横切る電流がそれぞれの電流源によって提供される電流と同じであるため、読み出し要素の入力に入る電流または入力から出る電流がない。この条件の例は、曝露されたセンサ画像が周囲条件自体である場合である。
逆に、基準センサおよびアクティブセンサが異なる条件に曝露される(すなわち、曝露されたセンサ画像が周囲条件とは異なる)場合、それぞれの選択されたアクティブセンサのインピーダンスが選択された基準センサのインピーダンスとは異なり、提供された電流の値は、曝露後に同じままであるため、電流は、読み出し要素の入力に入るかまたは入力から出る。それぞれの読み出し要素に入るかまたはそこから出る電流または総電荷が捕捉され、測定される。
自己発熱および周囲条件などのコモンモード効果は、バイアス電圧によって補償されているため、測定された電流または電荷は、これらのコモンモード構成要素とは独立している。その結果、その後の段階のダイナミックな範囲が低減され得る。測定された電流または電荷は、望ましくないコモンモード構成要素とは独立しているため、これらのコモンモード構成要素は、測定の一部ではない。
いくつかの実施形態では、センサは、ガラス基板上に配置されている。いくつかの実施形態では、ガラス基板は、センサアレイのためのスイッチ(例えば、スイッチ1016a~1016h)として使用される複数のTFTを含む。いくつかの実施形態では、アレイから離れた非センサおよび非スイッチング要素(例えば、読み出し要素、電圧ドライバ、電流源)は、アレイから離れた1つ以上のチップ上で実装される。
図10は、2×2のアクティブセンサアレイ、2つの基準センサ、および他の説明された要素を有するものとしてセンサ読み出し回路を例示するが、開示されるセンサ読み出し回路が例示的であることが理解される。
測定された電流または電荷は、コモンモード効果とは独立しているが、ノイズの影響を受けやすい場合があり、それは、センサ画像測定の精度およびセンサ画像の鮮明度に影響を及ぼす。一例として、ボロメータノイズは圧倒的であり得、熱画像は、ノイズにより歪み得る。ボロメータアレイでのノイズは、パターン化されていないノイズと、パターン化されたノイズと、を含み得る。パターン化されていないノイズの例としては、ピクセルでの1/fノイズ、熱ノイズ、およびプロセス依存ノイズが挙げられる。パターン化されたノイズの例としては、行間パターンおよび列間パターンが挙げられる。
図11は、一実施形態による、センサ較正回路を例示する。一実施形態では、センサ較正回路1100は、較正センサ1102と、較正読み出し要素1104と、電流源1106と、を含む。いくつかの実施形態では、較正読み出し要素1104は、読み出し要素1002aまたは1002bのうちの1つと実質的に同じである。いくつかの実施形態では、電流源1106は、電流源1004a、1004b、または1004cのうちの1つと実質的に同じである。いくつかの実施形態は、センサ較正回路1100の製造の方法を含む。
較正センサ1102は、2つの端子、すなわち、センサ読み出し回路1110のバイアス電圧ノード1108に電気的に結合された第1の端子と、較正読み出し要素1104および電流源1106に電気的に結合された第2の端子と、を含み得る。
例えば、センサ読み出し回路1110は、センサ読み出し回路1000と実質的に同じである。バイアス電圧ノード1108は、センサ読み出し回路1110のアクティブセンサによって共有され得る。いくつかの実施形態では、較正センサは、センサ読み出し回路1110のアクティブセンサ要素に曝露されるセンサ画像からシールドされている。
別の例として、センサ読み出し回路1110は、熱画像を測定するボロメータ読み出し回路であり、ボロメータ読み出し回路は、全アレイのボロメータと、関連する行および列読み出し回路と、を含む。この例では、ボロメータ読み出し回路に電気的に結合された較正センサは、較正ボロメータである。
センサ読み出し回路1000は、単に例示的である。本開示の範囲から逸脱することなく、センサ読み出し回路1110は、異なる構成および構成要素を有し得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、較正センサ1102のインピーダンスは、センサ読み出し回路1110でのアクティブセンサの公称インピーダンスと実質的に同じである。言い換えれば、2つのセンサのインピーダンス比は、1である。いくつかの実施形態では、インピーダンス比は、温度非依存型である。いくつかの実施形態では、センサの公称インピーダンスは、センサがセンサ画像に曝露されないときのセンサのインピーダンスである。いくつかの例では、アクティブセンサの公称インピーダンスは、10キロオーム~100メガオームの範囲である。
いくつかの実施形態では、較正センサ1102は、センサ読み出し回路1110でのアクティブセンサ(例えば、アクティブセンサ1010a~1010dのうちの1つ)の電気キャリアカウントよりも高い電気キャリアカウントを有する。一例として、較正センサは、較正センサがアクティブセンサと比較してより多くの量の導電性材料を有する場合、アクティブセンサの電気キャリアカウントよりも高い電気キャリアカウントを有する。
例えば、較正センサおよびアクティブセンサは、同じインピーダンスを有し得るが、一方、較正センサおよびアクティブセンサが同じアスペクト比(例えば、両方とも正方形である)を有するが、較正センサの物理的寸法がアクティブセンサのものよりも大きいときに、較正センサは、より高い電気キャリアカウントを有する。いくつかの実施形態では、較正センサは、2つ以上のセンサによって形成されており、センサは、アクティブセンサと実質的に同じ総インピーダンスを達成するように直列および並列に接続されている。較正センサは、より高い電気キャリアカウントを有するため、較正センサは、アクティブセンサと比較して、より少ない1/fノイズを有する。
いくつかの実施形態では、較正センサおよびアクティブセンサは、同じ温度抵抗係数(TCR)を有する材料から製造される。いくつかの実施形態では、較正センサおよびアクティブセンサは、アモルファスシリコン、酸化バナジウム、プラチナ、チタン、酸化チタン、酸化タングステン、およびモリブデンのうちの1つ以上から作成される。いくつかの例では、較正センサおよびアクティブセンサは、実質的に同じ材料から製造される。
いくつかの実施形態では、較正読み出し要素は、アナログ-デジタル変換器(ADC)である。例えば、較正読み出し要素は、アクティブセンサの列に電気的に結合されたADCと実質的に同じであるADCである。
いくつかの実施形態では、センサ較正回路1100は、アクティブセンサの測定でノイズに対して較正するために使用される。具体的には、センサ較正回路1100は、行間パターンノイズに対して測定を較正するために使用され、それは、行ごとに変動するノイズである。
例示的なセンサ較正では、読み出し時間中に、選択されたアクティブセンサ(例えば、選択された行のセンサ)の読み出し電圧および較正センサの読み出し電圧は、それぞれの読み出し要素で測定される。説明されるように、選択されたアクティブセンサの読み出し電圧は、アクティブセンサのセンサ画像への露光によって生じる電流によって生成される。いくつかの実施形態では、較正センサの読み出し電圧は、較正センサの第1の端子と第2の端子との間を横切る電流によって作成され、較正読み出し要素1104によって測定される。電流は、電流源1106から生成される。
選択されたアクティブセンサの読み出し電圧および較正センサの読み出し電圧が測定された後、第i番目の行が測定されている間、第j番目の列に対して、較正された読み出し電圧が計算され得る。
インデックス(i、j)は、選択されたセンサの特定のアクティブセンサに関連する。例えば、第i番目の行のセンサは読み出しのために選択され、選択されたセンサの各々は第j番目の列に対応する。インデックス(i、j)は、例示的なセンサを説明するために使用されるが、任意のアクティブセンサを説明するために、添字が使用され得ることが理解される。
量Acal,ijは、センサ(i、j)のセンサ画像への曝露に関連する、較正された読み出し電圧である。量As,ijは、第j番目の列のそれぞれの読み出し要素でのセンサ(i、j)の(較正されていない)読み出し電圧である。量AiMは、バイアス電圧ノードが、第i番目の行の基準センサに関連するバイアス電圧(例えば、第i番目の行のコモンモード条件に関連するバイアス電圧)で駆動されるときの較正センサの読み出し電圧である。ZMは較正センサのインピーダンスであり、Zsijは(例えば、センサ画像からシールドされているときの)センサ(i、j)の公称インピーダンスである。いくつかの実施形態では、2つのインピーダンスは、実質的に等しいため、係数(ZM/Zsij)は、1である。
較正センサのインピーダンスおよびその読み出し電圧などの単純なパラメータを含むことによって、式(14)は、アクティブセンサ読み出し電圧から、バイアス電圧でのノイズなどの望ましくない行間パターンノイズを除去する。較正センサ、関連する読み出し要素、および関連する電流源を含むことは、行間パターンノイズがない測定値を導出するために重要であり得る。ピクセル自己発熱により、バイアス電圧は、ADC変換時間中の時間変化電圧であるため、これらの要素および式(14)がなければ、バイアス電圧は直接測定されない場合があり、バイアス電圧ノイズの効果は正確に捕捉されない場合がある。望ましくないバイアス電圧効果が、各行に対して除去され得るため、スキミング電流源を較正する必要性が排除され得、読み出し回路の複雑性を低減させる。
例示的なセンサ較正は、読み出し中の選択された行のセンサが較正センサで較正され得る方法を示し、バイアス電圧ノイズなどの望ましくない行間パターンノイズを除去する。いくつかの実施形態では、説明された方法は、読み出し中に、他の選択された行に対して繰り返される。例えば、選択された第1の行のセンサが、第1の行の基準センサ(例えば、基準センサ1008a)に電気的に結合された較正センサ(すなわち、第1の行のコモンモード条件に関連するバイアス電圧)で較正された後、第1の行のセンサは選択解除され、第2の行のセンサは読み出しのために選択される。選択された第2の行のセンサは、較正センサで較正され、それは、ここで、第2の行の基準センサ(例えば、基準センサ1008b)に電気的に結合されている(すなわち、第2の行のコモンモード条件に関連するバイアス電圧)。第2の列に関連するバイアス電圧ノイズなどの行間パターンノイズは、説明されるのと類似の方法で除去され得る。
2行以上のセンサが読み出し中に較正され得、すべての行のセンサが読み出し中に較正され得るが、較正はセンサアレイ全体に必要でない場合がある。例えば、すべての行のサブセットは、較正センサで較正され得る。較正センサでの較正の頻度は、システムまたは環境のノイズ特性に依存し得る。
図12は、一実施形態による、センサ較正の方法1200を例示する。方法1200は、較正センサの第1の端子を、複数のアクティブセンサによって共有されるバイアス電圧ノードに電気的に結合させること(ステップ1202)を含む。例えば、図11を参照すると、較正センサ1102は、バイアス電圧ノード1108に電気的に結合されている。
方法1200は、較正センサの第2の端子を較正読み出し要素に電気的に結合させること(ステップ1204)を含む。例えば、図11を参照すると、較正センサ1102は、較正読み出し要素1104に電気的に結合されている。
方法1200は、複数のアクティブセンサをセンサ画像に曝露すること(ステップ1206)を含む。例えば、図11を参照すると、センサ読み出し回路1110での複数のアクティブセンサがセンサ画像に曝露される。
方法1200は、センサ画像から較正センサをシールドすること(ステップ1208)を含む。例えば、図11を参照すると、較正センサ1102は、センサ画像からシールドされている。
方法1200は、複数のアクティブセンサのアクティブセンサの読み出し電圧を読み出し要素で測定すること(ステップ1210)を含む。例えば、図11を参照すると、Asij、センサ(i、j)の較正されていない読み出し電圧が測定される。
方法1200は、較正センサの読み出し電圧を較正読み出し要素で測定すること(ステップ1212)を含む。例えば、図11を参照すると、較正読み出し要素1104の読み出し電圧が測定される。
方法1200は、較正された電圧を計算すること(ステップ1214)を含む。例えば、(1)アクティブセンサの読み出し電圧と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、較正センサの読み出し電圧との間の差として、較正された電圧が計算される。例えば、図11および式(14)を参照すると、量Acal,ijは、測定された量およびセンサインピーダンスに基づいて計算される。
いくつかの実施形態では、較正センサのインピーダンスは、アクティブセンサのインピーダンスと同じであり、較正センサの電気キャリアカウントは、アクティブセンサの電気キャリアカウントよりも大きい。いくつかの実施形態では、比は、1である。いくつかの実施形態では、比は、温度非依存型である。
いくつかの実施形態では、較正センサおよびアクティブセンサは、同じTCRを有する材料から作製される。
いくつかの実施形態では、方法1200は、複数の電流源の電流源を、較正センサの第2の端子および較正読み出し要素に電気的に結合させることと、複数の列のアクティブセンサの列を読み出し要素に電気的に結合させることであって、アクティブセンサの列が、アクティブセンサを含む、結合させることと、複数の電流源の第2の電流源を読み出し要素に電気的に結合させることと、を含む。例えば、図10および図11を参照すると、電流源1106は、較正読み出し要素1104に電気的に結合されており、アクティブセンサの列は、センサ読み出し回路1000での読み出し要素に電気的に結合されており、電流源は、センサ読み出し回路1000での読み出し要素に電気的に結合されている。
いくつかの実施形態では、方法1200は、シャッターを閉じることと、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、閉じたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を較正読み出し要素で測定することと、較正された電圧を計算した後、(1)較正された電圧の間の第2の差、および(2a)第1の読み出し電圧と、(2b)比によって重み付けされる第2の読み出し電圧との間の差を計算することであって、第2の差が、シャッター較正電圧である、計算することと、を含む。式(22)および(23)を参照して、これらの実施形態の例が下で説明される。
いくつかの実施形態では、較正読み出し要素は、ADCを含む。いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCを含む。
いくつかの実施形態では、複数のアクティブセンサおよび較正センサは、ボロメータであり、センサ画像は、熱画像である。
図13は、一実施形態による、センサ較正回路を例示する。一実施形態では、センサ較正回路1300は、較正電流源1302aおよび1302bと、スイッチ1304a~1304fと、を含む。いくつかの実施形態は、センサ較正回路1300の製造の方法を含む。
センサ較正回路1300は、セクション1310aおよび1310bを含むセンサ読み出し回路1310に電気的に結合されている。いくつかの例では、センサ読み出し回路1310は、センサ読み出し回路1000である。
スイッチ1304cおよび1304dは、第1の列1312aのアクティブセンサに関連する。スイッチ1304eおよび1304fは、第1の列とは異なる第2の列1312bのアクティブセンサに関連する。スイッチ1304cおよび1304eは、較正電流源および列の読み出し要素を電気的に結合させるかまたは電気的に結合解除させ得る。スイッチ1304dおよび1304fは、それらのそれぞれの列のアクティブセンサ、および列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002aおよび1002b)を電気的に結合させるかまたは電気的に結合解除させ得る。いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCである。
センサ読み出し回路1000は単に例示的であり、任意の列の数および任意のスイッチの数は、較正電流源またはアクティブセンサおよびアクティブセンサ列を電気的に結合させるかまたは電気的に結合解除させ得ることが理解される。センサの列は、センサ読み出し回路1310を表すボックスで記号的に含まれ、センサ較正回路1300は、代表的なボックスの外側で記号的に例示されるが、「列」という用語は必ずしも直線で配設されていないことが理解される。いくつかの実施形態では、センサの列は、1つの読み出し要素に関連する。本開示の範囲から逸脱することなく、センサの列は、任意の形状または形態になり得る。
スイッチ1304aおよび1304bはそれぞれ、電流源1302aおよび1304b、ならびに較正中の列を電気的に結合させ得る。一実施形態では、スイッチ1302aおよび1304bは、一度に電流源およびセンサ列のうちの1つを電気的に結合させる。
トランジスタ記号がスイッチを視覚的に表すために使用されるが、本開示の範囲から逸脱することなく、スイッチングの他の実装態様が存在し得ることが理解される。
図13は、2つの電流源および2つの関連するスイッチを有するものとしてセンサ較正回路1300を例示するが、本開示の範囲から逸脱することなく、任意の数の較正電流源および関連するスイッチが存在し得ることが理解される。別の実施形態では、センサ較正回路1300は、1つの較正電流源および1つの関連するスイッチを有する。
例示的なセンサ較正では、第1の列は、較正モードにあり、第1の列の読み出し要素は、較正電流源の第1の較正電流源に電気的に結合されている。
例えば、第1の列1312aは、第1の行のセンサが読み出されている間に較正中である。スイッチ1304cは閉じられ(導電)、スイッチ1304dは開けられる(非導電)。較正電流源(例えば、スイッチ1304aを通る較正電流源1302aまたはスイッチ1304bを通る較正電流源1302b)の第1の較正電流は、第1の列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002a)に電気的に結合されている。
第1の列が較正中の間、較正中でない列は読み出しモードにある。読み出しモードでの列の読み出し要素は、それぞれの列の選択されたアクティブセンサに電気的に結合されている。
例えば、第2の列1312bは、第1の行のセンサが読み出されている間に読み出しモードにある。スイッチ1304eは開けられ(非導電)、スイッチ1304fは閉じられる(導電)。現在選択されているアクティブセンサ(例えば、アクティブセンサ1010b)は、列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002b)に電気的に結合されている。
列(すなわち、読み出しモードでの列および較正での列)の読み出し電圧が測定される。第1の較正電流によって生じる読み出し電圧(例えば、較正電流源1302aまたは較正電流源1302bに電気的に結合された列の読み出し電圧、読み出し要素1002aの読み出し電圧)は、A1j(t)として示され得る。
第1の行の読み出し中に、第2の時間で、第1の列は依然として較正中であり得、他の列は依然として読み出しモードにあり得る。このとき、第1の列の読み出し要素は、第1の較正電流源から電気的に結合解除され、較正電流源の第2の電流源に電気的に結合されている。
例えば、この第2の時間で、第1の列1312aは、第1の行のセンサが読み出されている間に較正中である。スイッチ1304cは閉じられ(導電)、スイッチ1304dは開けられる(非導電)。較正電流源(例えば、スイッチ1304bを通る較正電流源1302bまたはスイッチ1304aを通る較正電流源1302a)の第2の較正電流は、第1の列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002a)に電気的に結合されている。(例えば、較正電流源1302aまたは較正電流源1302bからの)第2の較正電流によって生じる読み出し電圧は、A2j(t)として示され得る。いくつかの実施形態では、第1および第2の較正電流の値が既知であるため、値A1j(t)およびA2j(t)は、それぞれの読み出し要素(例えば、読み出し要素1002a)のドリフトを捕捉する。
A1j(t)およびA2j(t)の測定で、較正された列での任意のアクティブセンサの読み出し電圧が較正され得る。アクティブセンサの読み出し電圧は、第i番目の行および第j番目の列に関連するアクティブセンサが測定されているAsij(t)として示され得る。
この特定の例では、この特定の時間中に、較正された列の選択されたアクティブセンサ(例えば、アクティブセンサ1010a)が読み出し要素に電気的に結合されていないため、このセンサの現在の読み出し電圧は測定されない(例えば、アクティブセンサ1010aに関連する読み出し電圧)。いくつかの実施形態では、Asij(t)に対して、Asijの以前の値または隣接するセンサに基づく補間された値が使用される。
他の実施形態では、電流読み出し電圧Asij(t)は、列が較正されているときでさえ測定され、較正電流源は、読み出し要素から電気的に結合解除され、アクティブセンサは、読み出し要素に電気的に結合されており、アクティブセンサの電流読み出し電圧が測定される。
用語A
sij(t)、A
1j(t)、およびA
2j(t)の測定で、第i番目の行が測定されている間に、列第j番目に対して、出力D
sij(t)が計算され得る。
ここで、量D
sij(t)は、列jの読み出し要素内への電流(例えば、説明されるように、センサ画像によって生じる電流)に線形である用語である。式(15)が読み出し要素でのドリフトを説明するため、用語は、ADCゲイン、オフセット、スキミング電流、およびそれぞれの読み出し要素内への電流であるI(t)を除く任意の時間変化量などの効果とは独立している。いくつかの実施形態では、量D
sij(t)は、安定化デジタル出力であり、それは、読み出し要素(例えば、ADC)の出力の安定化バージョンである。
ここで、
I
1は第1の較正電流である。I
2は第2の較正電流である。
いくつかの実施形態では、列が較正されているため、その後の行読み出し(例えば、読み出しに対する第2の行の選択)で、量A1j(t)およびA2j(t)は、列が再び較正される(すなわち、A1j(t)およびA2j(t)が更新される)まで、読み出される列のその後の行に対応するその後の出力を計算するために使用される。
例えば、第2の行(例えば、アクティブセンサ1010c~1010d)が読み出しのために選択されており、第1の列はもはや較正されていない(第1の列に対応する量A1j(t)およびA2j(t)が測定されているため)。この例では、第1の列1312aは、センサの第2の行が読み出されている間に読み出しモードにある。スイッチ1304cは開けられ(非導電)、スイッチ1304dは閉じられる(導電)。現在選択されているアクティブセンサ(例えば、アクティブセンサ1010c)は、列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002a)に電気的に結合されている。したがって、第2の行読み出し時間中に、用語Asij(t)は、アクティブセンサ1010cの読み出し電圧である。用語Asij(t)、A1j(t)、およびA2j(t)の測定で、出力Dsij(t)が、第1の列および第2の行のアクティブセンサに対して計算され得る。一般に、A1j(t)およびA2j(t)の量が測定された後、出力Dsij(t)が、それぞれのセンサが読み出されているときに式(15)を使用して、列の任意のアクティブセンサに対して計算され得る。
較正電流源を含み、列の読み出し電圧を測定することによって、出力Dsij(t)が計算される。量Dsij(t)は、任意の他の時間変化ノイズパラメータまたは列依存ノイズパラメータなしで、アクティブセンサ電流(すなわち、センサ画像によって生じる電流)に直線的に比例し得る。式(15)は、スキミング電流、ADCゲイン、およびADCオフセットの間のミスマッチなどの望ましくない列間パターンノイズを除去する。さらに、これらの望ましくないノイズは、アクティブセンサが読み出している間に除去され得る。言い換えれば、図4に関して説明される構成は、較正および読み出しが並列に実行されることを可能にし得る。したがって、この構成下では、専用の較正時間(すなわち、較正が実行されている間に読み出しがない)は必要とされなくてもよく、より多くの行が所与の時間の間に読み出され得、読み出し回路の性能および精度を向上させる。
較正電流(例えば、較正電流源1302aおよび1302b)ならびに関連するスイッチ(例えば、スイッチ1304a、1304b、1304c、および1304e)を含むことは、読み出しが同時に実行されている間に、列間パターンノイズを含み得ない量(例えば、出力)を導出するために使用され得る。これらの要素および式(15)がなければ、スキミング電流ミスマッチ、ADCゲインミスマッチ、およびADCオフセットミスマッチなどの列依存ノイズがセンサ画像上で反映され得、センサ画像の鮮明度を歪ませ、または専用の較正時間がこれらのノイズを除去するために必要とされ、読み出し回路の性能を低下させる。
いくつかの実施形態では、2つの較正電流源の代わりに、1つの較正電流源(例えば、較正電流源1302aまたは1302b)が、較正のために使用される。これらの実施形態では、第1の較正電流源に関連するステップのみが実行される(すなわち、1つの較正電流源で、行読み出し時間の第2の時間に関連するステップは実行されない)。例えば、列が1つの較正電流源で較正中であるときに、列の読み出し要素は、較正電流源のうちの1つのみに電気的に結合されている。
例えば、第1の列1312aは、第1の行のセンサが読み出されている間に較正モードにある。スイッチ1304cは閉じられ(導電)、スイッチ1304dは開けられる(非導電)。較正電流源(例えば、スイッチ1304aを通る較正電流源1302aまたはスイッチ1304bを通る較正電流源1302b)の第1の較正電流は、第1の列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002a)に電気的に結合されている。
列が較正中の間、較正モードにない列は読み出しモードにある。読み出しモードでの列の読み出し要素は、それぞれの列の選択されたアクティブセンサに電気的に結合されている。
例えば、第2の列1312bは、第1の行のセンサが読み出されている間に読み出しモードにある。スイッチ1304eは開けられ(非導電)、スイッチ1304fは閉じられる(導電)。現在選択されているアクティブセンサ(例えば、アクティブセンサ1010bまたは1010d)は、列の読み出し要素(例えば、読み出し要素1002b)に電気的に結合されている。
この時間中に、列(すなわち、読み出しモードでの列および較正での列)の読み出し電圧が測定される。較正電流によって生じる読み出し電圧(例えば、較正電流源1302aまたは較正電流源1302bに電気的に結合された列の読み出し電圧、読み出し要素1002aの読み出し電圧)は、Aj(t)として示され得る。Asij(t)は、説明されるのと同じ方法で測定され得る(すなわち、それぞれの列が較正中のときに、隣接するセンサで補間され得るか、または以前の測定で推定され得、それぞれの列が読み出しモードにあるときに、アクティブセンサ読み出し電圧が測定される)。
1つの較正電流を使用して、用語A
sij(t)およびA
j(t)の測定で、第i番目の行が測定されている間に、列第j番目に対して、出力D
sij(t)が計算され得る。
式(19)に関連する方法は、式(15)に関連する方法と比較して、より単純な方法(例えば、より少ない測定、より少ない必要な要素、より単純な計算)でADCミスマッチの効果を除去する。
較正電流(複数可)での上記の較正方法は、読み出し中にセンサ読み出し回路全体を通して実行され得る。例示的な方法は、異なる列を較正に入れることによって繰り返され得る。
例えば、読み出し時間中に、第1の行が読み出しのために選択される。説明されるように、第1の列は較正モードにあるが、一方、残りの列は読み出しモードにあり、第1列に関連する量A1j(t)およびA2j(t)が測定され、列のアクティブセンサに関連する出力D(t)が、説明されるような方法を使用して計算され得る。
第1の行の読み出しが完了した後、第2の行が、読み出しのために選択される。第2の列は較正中であり、それは、説明されるように、第1の列が較正される方法に類似する。残りの列(例えば、第2の列以外の列)は、読み出しモードにあり、それは、説明される方法のものに類似する。
第2の列の較正中に、第2の列に関連する量A1j(t)およびA2j(t)が測定され(例えば、読み出し要素1002b上の第1の較正電流および第2の較正電流によって生じる読み出し電圧)、第2の列のアクティブセンサに関連する出力D(t)は、説明されるような方法を使用して計算され得る(すなわち、それぞれの列が較正中のときに、隣接するセンサで補間され得るか、または以前の測定で推定され得、それぞれの列が読み出しモードにあるときに、アクティブセンサ読み出し電圧が測定される)。
いくつかの実施形態では、一般に、列が較正された(すなわち、列に関連する量A1j(t)およびA2j(t)が測定された)後、列のアクティブセンサに関連する出力D(t)は、説明されるような方法を使用して計算され得る(すなわち、それぞれのアクティブセンサ読み出し電圧(例えば、Asij(t))が測定され、A1j(t)およびA2j(t)は、較正後に既知であるため、用語は、対応する出力Dsij(t)をもたらし得る)。
この例では、異なる列は、その後の行読み出し中に較正される。しかしながら、同じ列が繰り返し較正され得ることが理解される。較正がすべての行の読み出し中に必要でない場合があることも理解される。本開示の範囲から逸脱することなく、較正モード有効化の頻度は、システム要件またはノイズ環境に依存し得ることが理解される。1列が各行読み出し時間中に較正されているが、本開示の範囲から逸脱することなく、2つ以上の列が較正され得ることが理解される。例えば、量A1j(t)およびA2j(t)は、行読み出し時間中に複数の列に対して測定され得、複数の列は、1行読み出し時間中に較正される。
いくつかの実施形態では、較正モードは、周期的に有効にされる。いくつかの実施形態では、特定の列に対して、較正期間は、特定の列の第1の較正と、特定の列のその後の較正との間の時間(すなわち、特定の列に対するA1jおよび/またはA2jの更新の間の時間)によって画定される。いくつかの実施形態では、較正期間は、読み出し要素のドリフトによって決定される。例えば、読み出し要素が迅速にドリフトする場合、較正期間は短い。別の例では、読み出し要素がゆっくりドリフトする場合、較正期間は長い。
いくつかの実施形態では、特定の列の連続較正中に、列は、異なる行が読み出されているときに較正される。例えば、第1の較正時間中に、第1の列は、第1の行が読み出されているときに較正され、第2の較正時間中に、第1の列は、第2の行が読み出されているときに較正される。この方法では、同じアクティブセンサの実際の読み出し電圧が常に無視されるわけではない(例えば、以前の値または補間された値で常に推定されているわけではない)。例えば、第1の列が第1の行読み出し時間中に常に較正されている場合、第1の列および第1の行のアクティブセンサの電流読み出し電圧は、常に、隣接するアクティブセンサで補間されるか、または以前の読み出し電圧で推定される。
いくつかの実施形態では、較正モードは、1秒ごとに有効にされる。いくつかの実施形態では、較正モード頻度は、センサ読み出し回路のノイズ特性によって決定される。いくつかの実施形態では、較正モードのために選択される列は、センサ読み出し回路のノイズ特性に基づいている。
図14は、一実施形態による、センサ較正の方法1400を例示する。方法1400は、読み出し要素をアクティブセンサに電気的に結合させること(ステップ1402)を含む。例えば、図13を参照すると、センサ読み出し回路410の読み出し要素は、センサ読み出し回路1310のアクティブセンサに電気的に結合されている。
方法1400は、アクティブセンサの第1の読み出し電圧を読み出し要素で測定すること(ステップ1404)を含む。例えば、図13ならびに式(15)および(19)を参照すると、第1の読み出し電圧(例えば、Asij(t))が読み出し要素で測定される。
方法1400は、読み出し要素をアクティブセンサから電気的に結合解除させること(ステップ1406)を含む。例えば、図13を参照すると、センサ読み出し回路1310の読み出し要素は、センサ読み出し回路1310のアクティブセンサから電気的に結合解除されている。
方法1400は、較正電流を読み出し要素に電気的に結合させること(ステップ1408)を含む。例えば、図13を参照すると、較正電流1302aまたは較正電流1302bは、センサ読み出し回路1310のアクティブセンサに電気的に結合されている。
方法1400は、較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を読み出し要素で測定すること(ステップ1410)を含む。例えば、図13ならびに式(15)および(19)を参照すると、第2の読み出し電圧(例えば、Aj(t)、A1j(t))が読み出し要素で測定される。
方法1400は、(1)第1の読み出し電圧、および(2)第2の読み出し電圧に基づいて出力を計算すること(ステップ1412)を含む。いくつかの例では、出力は、アクティブセンサの読み出し電流に比例する。例えば、式(15)および(19)を参照すると、出力D(t)は、第1および第2の読み出し電圧に基づいて計算される。
いくつかの実施形態では、方法1400は、複数のアクティブセンサのそれぞれのアクティブセンサを複数の読み出し要素のそれぞれの読み出し要素に電気的に結合させることと、それぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧をそれぞれの読み出し要素で測定することと、それぞれの読み出し要素をそれぞれのアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、較正電流をそれぞれの読み出し要素に電気的に結合させることと、それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧をそれぞれの読み出し要素で測定することと、(1)それぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、それぞれのアクティブセンサの読み出し電流に比例する出力を計算することと、を含む。例えば、図4を参照すると、第2の列1312bは、第1の列1312aが較正された(すなわち、第1の列1312aに関連するAj(t)が測定され、列のドリフトが測定された)後、較正される(すなわち、第2の列1312bに関連するAj(t)が測定され、列のドリフトが測定される)。
いくつかの実施形態では、方法1400は、第1の出力を計算した後、読み出し要素から較正電流源を電気的に結合解除させることと、読み出し要素を第2のアクティブセンサに電気的に結合させることであって、第2のアクティブセンサが、第1のアクティブセンサと同じ列に属する、結合させることと、第2のアクティブセンサの第3の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、(1)第3の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、第2のアクティブセンサの読み出し電流に比例する第2の出力を計算することと、を含む。例えば、図13を参照すると、出力D(t)が列1312a上の第1の行に対して計算された(すなわち、列のドリフトが測定された)後、列1312a上の第2の行に関連する出力D(t)が、第2の行上のアクティブセンサのAj(t)および読み出し電圧に基づいて計算され得る。
いくつかの実施形態では、較正電流によって生じる同じ列上の第2の読み出し電圧の連続測定の間の時間は、較正期間である。いくつかの実施形態では、較正期間は、1秒である。いくつかの実施形態では、較正期間は、読み出し要素のドリフトに基づいている。
いくつかの実施形態では、異なる行は、第2の読み出し電圧の連続測定中に読み出されている。例えば、図13を参照すると、量Aj(t)は、第1の行が読み出されるときに、列1312aに対して第1の時間で測定される。その後の時間で、第1の行とは異なる第2の行が読み出されるときに、量Aj(t)が、列1312aに対して測定される。
いくつかの実施形態では、方法1400は、第1の較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させることと、読み出し要素を第2の較正電流源に電気的に結合させることと、読み出し要素上で第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を読み出し要素で測定することであって、出力が、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧にさらに基づいている、測定することと、を含む。例えば、図13および式(15)を参照すると、較正電流1302aおよび1302bの両方が、量A1j(t)およびA2j(t)を測定するために使用され、出力D(t)は、量A1j(t)およびA2j(t)に基づいている。
いくつかの実施形態では、読み出し要素は、ADCを含む。
いくつかの実施形態では、方法1400は、シャッターを閉じることと、閉じたシャッターに対応する出力を計算することと、(1)開いたシャッターに対応する出力と、(2)閉じたシャッターに対応する出力との間でセンサ画像によって生じるアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、を含む。式(22)および(23)を参照して、これらの実施形態の例が下で説明される。
いくつかの実施形態では、第1のアクティブセンサは、熱シーンに曝露されるボロメータである。
図15は、一実施形態による、センサ較正回路を例示する。較正回路1500は、較正センサ回路1520と、較正電流回路1530と、を含む。いくつかの実施形態では、較正回路1500は、説明されるような較正方法を実行する、組み合わされた回路である。例えば、較正センサ回路1520は、センサ較正回路1100に類似し得る。較正電流回路1530は、センサ較正回路1300に類似し得る。較正回路1500は、センサ読み出し回路1510に電気的に結合されている。いくつかの実施形態では、センサ読み出し回路1510は、センサ読み出し回路1000に実質的に類似し得る。本開示の範囲から逸脱することなく、センサ読み出し回路1510は、任意のサイズのセンサアレイおよび対応する読み出し回路を含み得ることが理解される。いくつかの実施形態は、較正回路1500の製造の方法を含む。
図16は、一実施形態による、センサ較正回路を例示する。例えば、センサ較正回路1600は、センサ較正回路1500の一実施形態である。センサ較正回路1600は、較正センサ回路1620と、較正電流回路1630と、を含む。センサ較正1600は、示されるように、セクション1610aおよび1610bを含むセンサ読み出し回路1610に電気的に結合されている。図16は例示的であり、その要素は象徴的であることが理解される。本開示の範囲から逸脱することなく、センサ較正回路1600の他の構成、およびセンサ較正回路とセンサ読み出し回路1610との間の接続が存在し得る。いくつかの実施形態は、回路1600の製造の方法を含む。
回路のいくつかのセクションが破線ボックスで例示されるが、破線ボックスは明確にするために単に加えられており、限定することを意味しないことが理解される。
いくつかの実施形態では、組み合わされた較正回路(例えば、センサ較正回路1600)は、図11および図13に関連する較正方法を同時に実行する。例えば、センサの選択された行が読み出されている間に、較正センサは、選択された行に関連するバイアス電圧を較正するために使用され、較正電流は、特定の列(複数可)に対してADCおよびスキミング電流を較正するために使用される。較正センサおよび較正電流を使用する組み合わされた較正は、説明されるような個々の方法の各々と実質的に同じステップを含む。簡潔のために、類似のステップはここでは繰り返されない。
説明されるのと実質的に同じ方法を使用して、較正センサに関連する出力が計算される。
ここで、用語A
M1(t)は、第1の較正電流が較正読み出し要素に電気的に結合されているときの較正読み出し要素の読み出し電圧であり、A
M2(t)は、第2の較正電流が較正読み出し要素に電気的に結合されているときの較正読み出し要素の読み出し電圧である。いくつかの実施形態では、較正読み出し要素を較正することは、バイアス電圧が較正されることを妨げる(すなわち、較正センサは、較正読み出し要素から電気的に結合解除されている)ため、ブランク行読み出し時間(例えば、1行読み出し時間遅延)は、それぞれの較正電流を較正読み出し要素に電気的に結合および結合解除させることによって、A
M1(t)およびA
M2(t)測定を行うために使用され得る。いくつかの実施形態では、較正センサが、A
M1(t)およびA
M2(t)測定を行うように、較正読み出し要素から電気的に結合解除される前に、バイアス電圧が較正される。
組み合わされたセンサ較正方法では、式(15)および(20)は式(14)内に組み合わされ得る。簡潔のために、これらの式に関連する用語を再び説明しない。別の実施形態では、1つの較正電流が使用されるときに、式(20)は、式(20)が式(15)から導出されるのと類似の方法で、式(19)に実質的に類似するように低減される。
用語Pijは、較正センサおよび較正電流法を組み合わせることによって計算されるため、用語Pijは、行間および列間パターンノイズの両方を含まない。センサ較正回路1600は、説明されるように、センサ較正回路1100およびセンサ較正回路1300に関連する利益を含む。
いくつかの実施形態では、センサ変化に関連するノイズおよび1/fノイズを除去するように、説明されたセンサ読み出し回路(例えば、センサ読み出し回路1000)を補うようにシャッターが加えられ得る。
例えば、t=0で、シャッターが閉じ、センサ画像からアクティブセンサを一時的にシールドする。各列の読み出し電圧は、シャッターが閉じられるときに測定される。シャッターが閉じられる間に測定される読み出し電圧は、Asij(0)として示され得る。異なる時間(例えば、時間t)で、シャッターが開き、アクティブセンサをセンサ画像に曝露する。各列の読み出し電圧は、シャッターが開けられるときに測定される。シャッターが開けられる間に測定される読み出し電圧は、Asij(t)として示され得る。
As
ij(t)およびAs
ij(0)で、センサ画像(例えば、ΔZ
ij)によって生じるインピーダンス変化が計算され得る。
ここで、gは、測定に関連する読み出し要素のゲインであり、V
biasiは、第i番目の行(すなわち、現在選択されている行)の基準センサに関連するバイアス電圧であり、Z
ij(t)は、As
ij(t)が測定されるとき(例えば、シャッターが開かれるとき)のセンサ(i、j)の絶対インピーダンスである。
シャッター較正は、センサ変化によるノイズパターンを除去し得、センサおよび回路要素に関連する1/fノイズをリセットし得る。いくつかの実施形態では、センサ要件は、シャッターの周波数を決定する。例えば、センサ要件は、ボロメータピクセルノイズ等価温度差(NETD)である。
いくつかの実施形態では、説明されるシャッター較正方法は、図11、図13、図15、および図16のいずれかに関連するセンサ較正方法と組み合わされる。簡潔のために、図15および図16に関連するシャッター較正方法およびセンサ較正方法の組み合わせが、明示的に説明される。当業者は、明示的に開示されない較正方法の組み合わせに関連する計算が、本開示から容易に導出され得、本開示の範囲内にあることを認識するであろう。
いくつかの実施形態では、シャッターが閉じられるときに、アクティブセンサ(例えば、式(15)、D
sij(0))および較正センサ(例えば、式(20)、D
iM(0))に関連する較正量が計算される。したがって、式(21)および(22)が、シャッター較正、較正センサ、および較正電流に関連する量P
ijを計算するために組み合わされる。
式(23)は、用語P
ijをもたらし、それは、センサ画像での変化(すなわち、アクティブセンサインピーダンスでの変化、ΔZ
ij)に実質的に比例する。例えば、センサはボロメータであり、センサ画像は入射熱放射である。
いくつかの実施形態では、組み合わされたシャッター較正、較正センサ、および較正電流方法は、1つの較正電流を利用する。これらの実施形態では、用語P
ijは、以下のように、センサ画像での変化に実質的に比例する。
簡潔のために、他の式で説明される用語を再び説明しない。
図17は、一実施形態による、センサ較正の方法1700を例示する。いくつかの実施形態では、方法1700は、方法1400に含まれる。
方法1700は、第1の較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させること(ステップ1702)を含む。例えば、図16を参照すると、較正電流回路1630での較正電流源は、センサ読み出し回路1610での読み出し要素から電気的に結合解除されている。
方法1700は、第2の読み出し要素を較正電流源に電気的に結合させること(ステップ1704)を含む。例えば、図16を参照すると、較正電流回路1630での較正電流源のうちの1つは、較正センサ回路1620での較正読み出し要素に電気的に結合されている。
方法1700は、較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を第2の読み出し要素で測定すること(ステップ1706)を含む。例えば、図16を参照すると、較正電流源によって生じる読み出し電圧は、較正読み出し要素で測定される。
方法1700は、較正電流源から第2の読み出し要素を電気的に結合解除させること(ステップ1708)を含む。例えば、図16を参照すると、較正電流回路1630での較正電流源は、較正センサ回路1620での較正読み出し要素から電気的に結合解除されている。
方法1700は、較正センサの第1の端子を、複数のアクティブセンサおよびアクティブセンサによって共有されるバイアス電圧ノードに電気的に結合させること(ステップ1710)を含む。例えば、図16を参照すると、センサ読み出し回路1610でのバイアス電圧ノードは、較正センサ回路1620での較正センサに電気的に結合されている。
方法1700は、較正センサの第2の端子を第2の読み出し要素に電気的に結合させること(ステップ1712)を含む。例えば、図16を参照すると、較正センサ回路1620での較正センサは、較正センサ回路1620での較正読み出し要素に電気的に結合されている。
方法1700は、複数のアクティブセンサおよびアクティブセンサをセンサ画像に曝露すること(ステップ1714)を含む。例えば、図16を参照すると、センサ読み出し回路1610での複数のアクティブセンサがセンサ画像に曝露される。
方法1700は、センサ画像から較正センサをシールドすること(ステップ1716)を含む。例えば、図16を参照すると、較正センサ回路1620での較正センサは、センサ画像からシールドされている。
方法1700は、較正センサの第4の読み出し電圧を第2の読み出し要素で測定すること(ステップ1718)を含む。例えば、図16を参照すると、較正センサ回路1620での較正センサの読み出し電圧は、較正センサ回路1620での較正読み出し要素で測定される。
方法1700は、第2の出力を計算することを含む。いくつかの例では、出力は、第3の読み出し電圧および第4の読み出し電圧に基づいている(ステップ1720)。例えば、図7および式(20)を参照すると、較正センサ列に関連するD(t)は、第3および第4の読み出し電圧に基づいて計算される。
方法1700は、差を計算することを含む。いくつかの例では、差は、(1)第1の出力と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、第2の出力との間である(ステップ1722)。例えば、図7および式(21)を参照すると、用語Pijは、出力Dsij(t)およびDiM(t)に基づいて計算される。
図18Aは、例示的なセンサ画像を例示する。パターンノイズにより、水平ノイズパターン(そのアーチファクトは1810で示される)および垂直ノイズパターン(そのアーチファクトは1820で示される)がセンサ画像1800に存在する。
図18Bは、開示される較正方法が使用された後の例示的なセンサ画像を例示する。本開示の較正方法を使用することによって、センサ画像1850は、センサ画像1800で観測される水平および垂直ノイズパターンを含まない。
いくつかのMEMSシステムは、読み出しのために電荷を格納するように容量要素(例えば、センサ、コンデンサ)を利用する。例えば、X線撮像システムは、(1)X線光子を電子に直接変換するか、または(2)X線光子を可視光子に変換し、次いで、それが可視光に対して感度の高い光検出器によって光電子に変換されるようにシンチレータプレートを利用するかのいずれかのセンサピクセルの2次元アレイを実装し得る。センサピクセル上に入射する電子または光電子の量は、等価コンデンサ(例えば、フォトダイオードでのジャンクション静電容量、読み出しの前に光生成電荷を格納するピクセルコンデンサ)で格納される電荷によって表され得る。
典型的なX線撮像システムでは、各センサの電荷は、一度に1行読み出され、センサの各列は、後にADCが続くCTIAに接続している。これらのアーキテクチャは、所望の感度および解像度を達成するために、大きいチップ領域およびかなりの量の電力(例えば、チャネル毎に3~5mW)を必要とし得る。3,000列を超える典型的なパネルは、CTIAの同じ量を必要とする。典型的なX線撮像システムでは、CTIAは、X線ピクセル静電容量を一致させるための高ゲインオペアンプおよび比較的大きいコンデンサ(例えば、1~5pF)を含み得る。オペアンプの高ゲイン性質は、高電力消散をもたらし、それは、列の数と共に拡大縮小する。
本開示の例は、コストを低減させ、信頼性および携帯性を増加させながら、従来のMEMSシステムのチップサイズおよび電力消散を低減させるMEMSセンサ回路および方法を対象とする。本明細書でのいくつかの実施形態では、センサ回路は、電荷を格納するように各々構成された複数のセンサと、各センサの電荷を受信するように構成されたシグマ-デルタADCと、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次結合させるように構成された複数のスイッチ(各スイッチが、複数のセンサのそれぞれ1つに対応する)と、を含む。いくつかの実施形態では、センサ回路は、CTIAを含まない。いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まない。いくつかの例では、CTIAおよびADCをシグマ-デルタADCに置き換えることは、CTIAの高ゲインオペアンプおよびCTIAの大きいコンデンサがもはや回路にないため、読み出し要素の電力および領域を低減させる。シグマ-デルタADCがすべてのセンサ列に対してCTIAを置き換える場合、電力および領域低減は、センサ列の数によって拡大縮小され(上記のいくつか例では、撮像システムは3,000列を含むことを参照されたい)、感度、解像度、またはノイズを危殆化することなく、かなりの電力および領域節減を提供し得る。電力および領域低減は、コストを低減させ得、センサ回路を含むシステム(例えば、X線撮像システム、CMOS撮像システム、CCD撮像システム)の信頼性および携帯性を増加させ得る。
図19Aは、例示的なセンサ回路1900を例示する。例示されるように、センサ回路1900は、センサ1902A~1902Dと、スイッチ1904A~1904Dと、ADC1906と、を含む。いくつかの実施形態では、ADC1906は、選択されたセンサの電荷を捕捉するように構成されたシグマ-デルタADCである。いくつかの例では、センサが読み出しのために選択されるときに、選択されたセンサからの放電電流は、時間変化(例えば、指数関数的に減衰するステップ)信号である。いくつかの実施形態では、シグマ-デルタADCは、時間変化信号を受信し、かつ選択されたセンサの総電荷を実質的に捕捉するように構成されている。いくつかの例では、シグマ-デルタADCは、システムの精度要件を満たすのに十分な解像度で、時間変化信号から総電荷を測定し得る。いくつかの実施形態では、スイッチは、それぞれのセンサの行が選択されるときに、それぞれのセンサをシグマ-デルタADCに電気的に結合させる(例えば、スイッチ1904Aは、特定の行に対応するセンサ1902Aをシグマ-デルタADCに電気的に結合させる)。いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まない。いくつかの実施形態は、回路1900の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、図1~図18で説明されるセンサ回路に関して、センサ回路1900は、CTIAの代わりに、説明される読み出し要素に含まれ得る。例えば、読み出し要素102または1002は、ADC1906を含む。
センサを概略的に表すために使用されるコンデンサ記号は、単に例示的であり、限定的ではないことが理解される。いくつかの実施形態では、センサ1902は、センサピクセルである。いくつかの実施形態では、センサ1902は、放射(例えば、X線)を受信し、放射を電荷に変換するセンサである。いくつかの実施形態では、電荷は、センサピクセルが感知している間にセンサピクセルで格納され、コンデンサは、センサピクセルの電荷格納動作を表す。例えば、センサは、X線センサフォトダイオードであり、センサは、X線放射への曝露に応じて電荷を蓄積し、蓄積された総電荷は、X線放射レベルを表し、コンデンサ記号は、電荷格納動作を表すために使用される。別の例として、センサは、X線光子を電子に直接変換するX線センサピクセルであり、電子は、コンデンサ(例えば、読み出しの前に光生成電荷を格納するピクセルコンデンサ)で格納される。
センサ回路1900は単に例示的であることが理解される。いくつかの実施形態では、センサ回路1900は、1列のセンサを表し、列の各センサは、センサの行(図示せず)に属し、列の各センサは、異なる行時間で(例えば、異なる放電時間ウィンドウ中に)読み出される。いくつかの実施形態では、列の第2のセンサは、本明細書で説明するのと同じ方法を使用して、その後の読み出し時間で読み出される。例えば、第1のスイッチは、シグマ-デルタADCから第1のセンサを切離し、第2のスイッチは、第2の行時間(例えば、第2の放電時間ウィンドウ)中に第2のセンサをシグマ-デルタADCに電気的に結合している。
いくつかの例では、シグマ-デルタADCは、ほぼDC信号を受信するのにより好適であり得る。したがって、センサ回路でシグマ-デルタADCを含むときに、放電信号をほぼDC信号(例えば、定電流)に変換することがより望ましいであろう。CTIAおよびサンプルアンドホールド回路は、シグマ-デルタアナログ-デジタル変換のためのほぼDC入力を生成するように、センサとシグマ-デルタADCとの間に含まれ得る。これは、センサから直接読み出される信号が高いピークおよび急速な移行を含む場合に特に有利であり得る。信号が鋭い特徴を含む場合、信号がシグマ-デルタADCによって適切に捕捉されない場合があるため、ADC解像度が失われ得る。しかしながら、先に考察されるように、センサアレイの各列に対してCTIAを加えることは、読み出しチップの読み出し電力および領域を増加させ得る。
いくつかの実施形態では、CTIAおよびサンプルアンドホールド回路は、シグマ-デルタADCに含まれない。図19Bは、例示的なセンサ回路1950を例示する。例示されるように、センサ回路1950は、センサ1952A~1952Dと、スイッチ1954A~1954Dと、ADC1956と、可変抵抗器1958と、制御電圧1960と、を含む。いくつかの実施形態では、ADC1956は、選択されたセンサの総電荷を捕捉するように構成されたシグマ-デルタADCである。いくつかの例では、センサが読み出しのために選択されるときに、選択されたセンサからの放電電流は、時間変化(例えば、指数関数的に減衰するステップ)信号である。いくつかの実施形態では、可変抵抗器は、時間変化信号を受信し、かつ総電荷をシグマ-デルタADCに出力するように構成されている。いくつかの実施形態では、センサ回路は、複数のセンサとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まない。いくつかの実施形態では、センサ1952A~1952Dは、センサ1902A~1902Dに対応し、スイッチ1954A~1954Dは、スイッチ1904A~1904Dに対応し、ADC1956は、ADC1906に対応する。簡潔のために、図19Aで説明されるものに類似の要素を再び説明しない。いくつかの実施形態は、回路1950の製造の方法を含む。
いくつかの実施形態では、図1~図18で説明されるセンサ回路に関して、センサ回路1950は、CTIAの代わりに、説明される読み出し要素に含まれ得る。例えば、読み出し要素102または1002は、ADC1956と、可変抵抗器1958と、を含む。いくつかの実施形態では、可変抵抗器1958は、センサ110、112、1008、または1010に電気的に結合されており、自己発熱の時間変化効果を最小化するように、本明細書で説明する方法で制御される。
シグマ-デルタADCの前の可変抵抗器1958は、制御されていない放電信号の高いピーク振幅および鋭い特徴を低減させるように、コンデンサの放電が読み出し中に制御されることを可能にする。一例として、センサ読み出し中に(例えば、X線センサフォトダイオードの蓄積された電荷が読み出し回路に放電するときに)、放電信号は、可変抵抗器の抵抗を変化させ、放電時間ウィンドウを読み出し動作の行時間と一致させることによって制御され得る。いくつかの実施形態では、行時間は、センサの行が読み出されるときである。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器1958は、MOSトランジスタで実装される。いくつかの実施形態では、MOSトランジスタの抵抗は、トランジスタの相互コンダクタンスを制御する制御電圧1960で制御され得る。トランジスタ記号が可変抵抗器1958を表すために使用され、可変抵抗器に接続された制御電圧1960が限定的でなく、本開示の範囲から逸脱することなく、可変抵抗器1958の他の実装態様が存在し得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、可変抵抗器1958は、別個のレベルの抵抗が達成され得る(例えば、抵抗器の重み付けされたバンクの抵抗器間の各組み合わせは、固有である)抵抗器の重み付けされたバンク(図示せず)で実装される。例えば、抵抗器の重み付けされたバンクは、並列または直列に選択的に電気的に結合され得る複数の抵抗と、複数の対応するスイッチと、を含む。いくつかの実施形態では、各抵抗器は、抵抗器のすべての異なる組み合わせが異なる総抵抗をもたらすように固有の値を有する(例えば、抵抗器の値は、段階的な方法で(例えば、5.05キロオーム~5オームの50オームの増分で)、高い抵抗から低い抵抗の範囲にわたる基準値のセットを形成する)。
一例として、可変抵抗器1958は、MOSトランジスタである。この例では、排出時間ウィンドウの始まりは、行時間の始まりと一致する。この時間中に(例えば、t=0)、可変抵抗器1958の抵抗は、初期抵抗(例えば、R
0)にあり、スイッチ1954は、センサ1952を可変抵抗器1958に電気的に結合させている。この放電時間ウィンドウ中に時間が進むにつれて、可変抵抗器1958の抵抗は、R
0から減少する。この例では、抵抗は、放電時間ウィンドウの終わり(例えば、t=T)までにR
0から0に直線的に減少する。いくつかの実施形態では、Tは、20マイクロ秒である。いくつかの実施形態では、Tは、40マイクロ秒である。いくつかの実施形態では、Tは、10マイクロ秒~1ミリ秒である。いくつかの実施形態では、放電時間ウィンドウは、同等のMOSトランジスタをオンにする信号の立ち上がり時間よりも数段長い。したがって、放電時間ウィンドウにわたって可変抵抗器1958の抵抗を低減させることは、単にトランジスタをオンにすることとは異なり得る。例えば、放電時間ウィンドウは、マイクロ秒範囲にあり、MOSトランジスタをオンにする信号の立ち上がり時間は、ナノ秒範囲にある。可変抵抗器1958の抵抗は、以下のように計算され得る。
いくつかの実施形態では、抵抗を制御するために、制御電圧1960は、MOSトランジスタのゲートに電気的に結合されており、読み出し中に各行時間に対して、(例えば、ゲート電圧を増加させることによって)、ドレインソース間相互コンダクタンスを低から高に増加させる(すなわち、抵抗は、高から低に減少する)。上記の式で説明されるように、可変抵抗器の抵抗は、t=0からt=Tまで直線的に減少しており、t=0(例えば、R(0))での抵抗は、R0、初期抵抗であり、t=0の後、式に関して説明されるように、抵抗は直線的に減少し、抵抗(例えば、R(T))は、t=Tで実質的にゼロに近づく。いくつかの実施形態では、可変抵抗器1958は、別個のレベルの抵抗が達成され得る(例えば、抵抗器の重み付けされたバンクの抵抗器間の各組み合わせは、固有である)抵抗器の重み付けされたバンク(図示せず)で実装される。これらの実施形態では、R(t)は、重み付けされたバンクの抵抗器の段階的関数で近似され得る。
式(26)は、理想的な場合、R(t)がt=Tでゼロに達することを示すが、可変抵抗器1958を実装するために使用される構成要素は、放電時間ウィンドウの終わりで正確にゼロ抵抗に達しない場合があることが理解される。いくつかの実施形態では、この抵抗は、可変抵抗器の最も低い抵抗である。例えば、可変抵抗器がMOSトランジスタである場合、最も低い抵抗は、トランジスタの伝導性(例えば、トランジスタの「オン」抵抗)によって決定される。別の例として、可変抵抗器が抵抗器の重み付けされたバンクである場合、最も低い抵抗は、バンクのすべての抵抗器を並列に電気的に結合させることによって達成される。
センサ1902の静電容量がCで表され得る。可変抵抗器1958に入る電流は、以下のように計算され得る。
V(t)について解くことによって、可変抵抗器1958にわたる電圧は、時間の関数として計算され得る。
可変抵抗器1958にわたる電流I(t)は、次のように表現され得る。
式(29)で示されるように、放電時間ウィンドウTが初期時間定数(例えば、T=CxR0)に等しいように設定される場合、電流出力は実質的に一定であり得る(例えば、I=V(0)/R0)。したがって、いくつかの実施形態では、可変抵抗器のR0は、センサ1902の有効な静電容量(例えば、1~5pF)および放電時間ウィンドウ(例えば、行時間)によって決定される。放電電流を定電流に変換することによって、上述のより大きい領域および電力ペナルティなしで、より高い解像度がシグマ-デルタADC(例えば、16ビット変換(14個の有効なビット数))で達成され得る。したがって、行時間が(例えば、システム要件によって)既知であるかまたは決定され、センサ静電容量が既知である場合、可変抵抗器は、放電電流を定電流に変換するように設計され得る。センサ回路1950を用いて定電流に変換することによって、シグマ-デルタADCに入力される高ピークおよび/または鋭い放電信号による解像度低下が、CTIAを含むことなく低減され得る。この例では「定電流」という用語が使用されるが、変換された電流は、シグマ-デルタADCの解像度を実質的に低減させない変形を含み得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、放電時間ウィンドウの終わりで、センサの電荷が、完全に読み出されない場合がある。いくつかの実施形態では、残りの電荷は、追加の放電経路を有するシグマ-デルタADC内へ放電され得る。いくつかの実施形態では、残りの電荷は、ADC測定に実質的に影響を及ぼすことなく無視され得る。
センサ回路1950は単に例示的であることが理解される。いくつかの実施形態では、センサ回路1950は、1列のセンサを表し、列の各センサは、センサの行に属し、列の各センサは、異なる行時間で(例えば、異なる放電時間ウィンドウで)読み出されている。いくつかの実施形態では、列の第2のセンサは、本明細書で説明するのと同じ方法を使用して、その後の読み出し時間で読み出される。例えば、第2のスイッチは、第2の行時間(例えば、第2の放電時間ウィンドウ)中に第2のセンサを可変抵抗器に電気的に結合させ、第2のセンサの電流は、本明細書で説明する方法を使用して、シグマ-デルタADCに対してほぼDCになるように変換される。
センサ回路1950が1つの可変抵抗器で説明されるが、センサの列は2つ以上の可変抵抗器に関連し得ることが理解される。
いくつかの実施形態では、R0は、更新された行時間要件に応じて調整され得る。例えば、抵抗器の重み付けされたバンクは、異なる初期抵抗を設定するように調整され得る。別の例として、可変抵抗器の初期抵抗は、読み出しの前に調整され得る。
上記の例がX線センサフォトダイオードを参照して説明されることがあるが、本開示の範囲から逸脱することなく、他のタイプのセンサが、類似の電流制御回路を使用し得ることが理解される。例えば、説明された回路は、CMOSまたはCCD撮像システムのために使用され得る。
図20Aは、例示的なセンサ回路2000を例示する。センサ回路は、センサ2002A~2002Bと、読み出し回路2004A~2004Bと、を含む。いくつかの実施形態では、読み出し回路は、センサ回路1900またはセンサ回路1950を含む。センサ回路2000は、CTIAを含まない場合があるため、センサ回路は、本明細書で説明された電力、領域、および解像度の利益を享受し得る。
例示されるように、センサ2002は、N列2002A~2002Nによって組織される。「N」は、列の任意の数であり得ることが理解される。図20Aおよび図20Bに関して説明されるように、「センサの列」は、センサのアレイに含まれ、アレイの第1の寸法に沿って配設されており、アレイの境界によって境界された複数のセンサである。複数のセンサの各センサは、アレイの第2の寸法に沿った固有の行に属する。例えば、図20Aに例示されるように、センサ2002Aおよび2002Bは、センサの垂直列(例えば、列2002A~2002N)によって空間的に配設されている。別の例として、センサの列は、回路1900および1950で、シグマ-デルタADCに電気的に結合されている。例示されるように、読み出し回路2004Aは、センサ2002Aを読み出すように構成されており、読み出し回路2004Bは、センサ2002Bを読み出すように構成されている。
いくつかの実施形態では、センサは、X線センサフォトダイオードであり、X線パネルの一部である。いくつかの実施形態では、センサは、CMOSまたはCCDパネルの一部である。いくつかの実施形態では、読み出し回路は、シグマ-デルタADCを含む。いくつかの実施形態では、読み出し回路は、CTIAを含まない。
図20Bは、例示的なセンサ回路2050を例示する。例示されるように、センサ2052は、N列2056A~2056Nによって組織される。センサ回路は、センサ2052A~2052Dと、読み出し回路2054A~2054Dと、を含む。いくつかの実施形態では、センサは、X線センサフォトダイオードであり、図20Aで説明されるパネルと同じサイズを有するX線パネルの一部である。いくつかの実施形態では、センサは、CMOSまたはCCDパネルの一部である。いくつかの実施形態では、センサは、列で配設されており、各列は、第1の読み出し回路に接続された第1の複数のセンサと、第2の読み出し回路に接続された第2の複数のセンサと、を含む。例えば、センサ2052Aは、第1の複数のセンサを含み、センサ2052Bは、第2の複数のセンサを含み、センサ2052Aおよび2052Bの組み合わせは、図20Aで説明されるセンサ2002Aに対応する。別の例として、列2056Aは、第1の複数のセンサからのセンサと、第2の複数のセンサからのセンサと、を含む。これらの例では、パネルは分割され、第1の複数のセンサは、(図20Aに関して画定されるような)列センサの第1の半分を含み、第2の複数のセンサは、センサの列の第2の半分を含む(例えば、第1および第2の複数のセンサの数は等しい)。
例示されるように、読み出し回路2004Aは、センサ2002Aを読み出すように構成されており、読み出し回路2004Bは、センサ2002Bを読み出すように構成されており、読み出し回路2004Cは、センサ2002Cを読み出すように構成されており、読み出し回路2004Dは、センサ2004Dを読み出すように構成されている。いくつかの実施形態では、列は、双方向に読み出される。例えば、第1および第2の複数のセンサは、読み出し回路2004Aおよび2004Bで同時に読み出される。
同時に列の異なる部分を読み取ることにより、読み出しに関与する寄生静電容量および抵抗が低減され得る。例えば、それぞれの読み出し回路の入力での列2056Aの寄生抵抗および静電容量は、各々半減される。列の寄生RCを低減させることによって、読み出し遅延が低減され得る。さらに、列を「分解する」ことによって、行アドレス指定の複雑性が低減され得る。例えば、(図20Aの配置と比較して)各読み出しASICに対して読み出す行が半分であるため、総行アドレスが低減される。
いくつかの実施形態では、読み出し回路の各々は、センサ回路1900または1950(簡潔のために、それらを再び説明しない)と、複数のセンサの各々に対応するシグマ-デルタADCと、を含む。いくつかの実施形態では、読み出し回路は、CTIAを含まない。説明された例では、読み出し回路の数が分割パネル構成で2倍であっても、図20Bで説明されるアーキテクチャ(例えば、シグマ-デルタADCを含む読み出し回路、CTIAを含まない読み出し回路)での総読み出し回路領域および電力消散は、列ごとに1つのCTIAを含む非分割列システム未満であり得る。
例えば、3072×3072センサアレイに対して、領域節減利益(例えば、CTIAの置き換え、アドレス指定の複雑性の低減、列負荷の低減)により、(列ごとに1つのCTIAを含む非分割列システムでの12個のチップと比較して)8個のチップが、分割パネル構成で使用され得る。分割パネル構成でセンサ回路1900または1950を使用することによって、CTIAが読み出しのために使用されないため、システム電力も低減され得る。例えば、列ごとの電力は、列ごとに3~5mWから列ごとに1mW未満に低減し得る。各列をサブ列に分割し、読み出し回路に電気的に結合された寄生RCを低減させることによって(それによって寄生効果によって生じる伝播遅延を低減させ)、システム性能が向上し得る。例えば、列の寄生静電容量は、50~200pFの範囲であり得、列の寄生抵抗は、1キロオーム~100キロオームの範囲であり得、列が本明細書で説明するように半分に分割される場合、寄生値はそれぞれ、2倍低減される。
図21A~図21Dおよび表1は、シグマ-デルタADCのシミュレーション結果を示し、ある期間中の時間変化信号の変換を示す。表1は、図21A~図21Dに関して説明されるオーバーサンプリングレート(OSR)および入力信号形状の関数としての有効なビット数(ENOB)を示す。
図21Aでの曲線は、表1に示されるENOBを生成するランダムな理想的な定数入力を示す。図21Bでの曲線は、電流クランプ信号を示し、列上の電流クランプは、電荷が完全に使い切られるまでADCに入力される電流を一定にさせ、パルス幅変調入力を効果的に作成する。図21Cでの曲線は、2つのRC時間定数の長さを有する、指数関数的に減衰する信号である。いくつかの実施形態では、電荷が、2つの時間定数の後にまだ完全に使い切られていない場合、低抵抗スイッチが残りの電荷をADCに放電するために使用される。図21Dでの曲線は、5つのRC時間定数の長さを有する、指数関数的に減衰する信号である。表1に示すように、信号が5つの時間定数に対して減衰することが可能である場合、ENOBは、2つの時間定数信号と比較して低減される。いくつかの実施形態では、図21Cおよび図21Dに例示される曲線は、センサ読み出し電荷信号を表す(例えば、センサの総電荷は、ADC内に放電される)。曲線は例示の目的のために提示され、必ずしも縮尺通りに描かれるわけではないことが理解される。
(表1)オーバーサンプリングレート(OSR)および入力信号形状の関数としての有効なビット数(ENOB)。
いくつかの実施形態では、時間変化入力信号に対して、デジタルフィルタが、性能を向上させるためにシグマ-デルタADCで使用される。例えば、デジタルフィルタは、回路1900または1950から出力されるデジタル信号を処理するために使用される。いくつかの実施形態では、デジタルフィルタは、有限インパルス応答(FIR)フィルタである。有限インパルス応答(FIR)フィルタの係数は、量子化誤差を低減させ、線形性を増加させるように選択され得る。一例として、電流クランプ波形(例えば、図21B)に対して、すべての係数に対して同じ値を有するFIRフィルタ(例えば、長方形ウィンドウ)が、性能を向上させるために使用され得る。別の例として、指数関数的に減衰する波形(例えば、図21C、図21D、センサ放電電流)に対して、ブラックマンまたはハミングウィンドウが、性能を向上させるためにFIRフィルタのために使用され得る。
いくつかの実施形態では、CEP(サイクリック励起プロセス)効果は、アモルファスシリコン上で実装される。これは、センサピクセルの感度を増加させ得る。例えば、X線センサピクセルは、間接検出のためのアモルファスSiベースのnip(nタイプ/固有/pタイプ)構造、または光電子が対処されることを可能にするための電極構造を有するX線の感度の高い光伝導体(例えば、セレニウム)で製造され得る。両方の場合で、光励起(1次)荷電キャリアの内部ゲインを生成することは、検出可能な信号を生成するために必要なX線放射レベルを低減させ得る。CEPは、(従来のなだれ倍増効果の場合であり得るように)高電界なしで高ゲインを生成する。いくつかの例では、CEPデバイスは、X線間接検出のために使用され得る。いくつかの実施形態では、CEP効果は、セレニウムなどのX線光伝導体と併せて利用される。
図22は、一実施形態による、電気機械システムを製造する方法2200を例示する。非限定的な例として、電気化学システムは、回路100、300、500、600、800、900、1000、1100、1300、1500、1600、1900、1950、2000、および2050(ならびに関連する方法)に関連し得る。電気機械システムを製造するために、方法2200のプロセスステップの全部または一部を使用すること、および異なる順序で使用することができる。非限定的な例として、ステップ2214は、ステップ2212の前に実行され得る。
方法2200は、ステップ2202で、基板を提供することを含む。いくつかの実施形態では、基板は、ガラスで作製される。いくつかの実施形態では、基板は、低温多結晶シリコンである。いくつかの実施形態では、基板は、特性を微調整するために追加要素を含む、ホウケイ酸塩である。ホウケイ酸塩の例は、アルカリ土類ホウケイ酸塩(ホウ素、アルミニウム、および様々なアルカリ土類元素要素を含むケイ酸塩)を生成する、Corning Eagle(商標)によるものである。他の変形形態は、Asahi Glass(商標)またはSchott(商標)から入手可能である。
いくつかの実施形態では、電気機械システムを製造するために、フラットパネルガラスプロセスを使用する。いくつかの実施形態では、電気機械システムを製造するために、液晶ディスプレイ(LCD)プロセスを使用する。いくつかの実施形態では、OLEDディスプレイプロセスまたはX線検査盤プロセスを使用する。フラットパネルガラスプロセスを用いることは、基板サイズの増加を可能にし得、それによって、より多い基板当たりの電気化学システムを可能にし、これは、処理コストを低減させる。「パネルレベル」サイズとしては、620mm×750mm、680mm×880mm、1100mm×1300mm、1300mm×1500mm、1500mm×1850mm、1950mm×2250mm、および2200mm×2500mmを挙げることができる。さらに、パネルレベルを製造する際の薄膜トランジスタ(TFT)もまた、コストを低減させることができ、よって、例えば、LCD-TFTプロセスが有益であり得る。
方法2200は、ステップ2204で、MEMSを基板に加えることを含む。構造の追加を説明するために、MEMSを使用するが、本開示の範囲から逸脱することなく、他の構造を加えることができることが認識されるべきである。パネルレベル処理を使用する実施形態では、MEMS構造は、LCD-TFTプロセスを使用して加えられ得る。
ステップ2204の後に、随意のステップ2216で、サブプレーティングすることが続き得る。ステップ2216は、基板が、その後のステップで使用される処理装置よりも大きいときに使用され得る。例えば、パネルレベルプロセス(LCDなど)を使用する場合、いくつかの実施形態は、(ステップ2204で)パネルをウエハサイズに切断して、(例えば、CMOS製造装置を使用して)さらなる処理を行うことを含む。他の実施形態では、同じサイズ基板が、方法2200の全体を通して使用される(すなわち、ステップ2216は、使用されない)。
方法2200は、ステップ2206で、基板からMEMSを剥離させることを含む。
方法2200は、ステップ2208で、剥離後処理を行うことを含む。そのような剥離後処理は、平坦化などのさらなるプロセスステップのためのMEMS構造を準備し得る。ウエハレベル処理では、平坦化としては、化学機械平坦化を挙げることができる。いくつかの実施形態では、さらなるプロセスステップは、エッチバックを含み、フォトレジストをトポグラフィの上へスピン塗布して、より平面な表面を生成し、次いで、この表面をエッチングする。エッチング時間のより高い制御は、より滑らかな表面プロファイルをもたらし得る。いくつかの実施形態では、さらなるプロセスステップとしては、「スピンオンガラス」が挙げられ、ガラスを含む有機バインダをトポグラフィの上へスピン塗布し、結果として生じたものを焼成して、有機溶剤を取り除き、より滑らかである表面を残す。
方法2200は、必要に応じて、ステップ2210で、MEMS構造の真空カプセル化を含む。真空カプセル化は、デバイスの寿命を延ばすのに有益であり得る。
方法2200は、ステップ2212で、個片化を含む。いくつかの実施形態は、センサのプロパティを考慮し得る、較正およびチッププログラミングを含み得る。本明細書で説明する方法は、ガラスリソグラフィ能力の均一性が制限されるので、ガラス基板製造プロセスにおいて有利であり得る。さらなる利点として、ガラスは、より低い熱伝導性を有するので、ガラス基板は、より良好な断熱材であり得、ボロメータピクセルをガラス基板から分離する薄い構造を製造することによって、本明細書の実施形態は、パッケージング環境からガラスボロメータピクセルを熱的に隔離するためにより良好な役割を果たし得る。
方法2200は、ステップ2214で、読み出し集積回路(ROIC)の取り付けおよび屈曲性/PCBの取り付けを含む。非限定的な例として、読み出し回路は、回路100、300、500、600、800、900、1000、1100、1300、1500、1600、1900、1950、2000、および2050(ならびに関連する方法)に関連し得る。本明細書で説明するプロセスおよびデバイスは、信号処理に必要とされる領域が、感知物理学によって表される感知領域よりもはるかに小さくなり得るという、さらなる利点を有し得る。典型的には、センサは、CMOS回路の上部で統合され、領域駆動コストは、信号処理タスクに最適ではない技術ノードにつながる。本明細書で説明するプロセスは、より好適なCMOSを使用し、信号処理に必要な領域を小さくすることができ、低コストのFPD(フラットパネルディスプレイ)製造を活用することによって任意の領域制約からセンサを解放する。いくつかの実施形態では、ROICは、特定の電磁波長(例えばX線、THz、LWIR)を感知するように特に設計されている。
図23は、例示的なセンサを例示する。いくつかの実施形態では、センサ2300は、方法2200を使用して製造される。センサ2300は、ガラス基板2306と、ガラス基板2306に結合された幅250nm未満の構造2304と、構造2304に結合されたセンサピクセル2302と、を含む。センサ2300のいくつかの実施形態では、構造2304は、活性領域をガラスから熱的に分離するヒンジである。いくつかの実施形態では、センサ2300は、入力電流または電荷を受信し、受信された放射に基づいて出力電流または電荷を出力する(例えば、センサの2つの端子間の抵抗は、LWIR放射への曝露に応じて変化する)。
いくつかの実施形態では、センサは、ガラス基板と、本明細書で説明する方法のいずれかから製造され、ガラス基板に結合された構造と、構造に結合されたセンサピクセルと、を含む。
いくつかの実施形態では、センサは、LCD-TFT製造プロセスによって製造されたMEMSまたはNEMSデバイスと、本明細書で説明する方法のいずれかによって製造された構造と、を含む。
例として、センサは、抵抗センサおよび容量センサを含み得る。ボロメータは、様々な用途で使用することができる。例えば、長波長赤外線(LWIR、約8~14μmの波長)のボロメータは、自動車用および商用セキュリティ業界で使用することができる。例えば、QVGA、VGA、および他の解像度を有するLWIRボロメータ。テラヘルツ(THz、約1.0~0.1mmの波長)のボロメータは、セキュリティ(例えば、空港乗客セキュリティスクリーニング)および医療(医療用撮像)で使用することができる。例えば、QVGA解像度および他の解像度を有するTHzボロメータ。いくつかの電気化学システムは、X線センサまたはカメラシステムを含むことができる。同様に、LWIRおよびTHzセンサが、カメラシステムで使用される。いくつかの電気機械システムは、内視鏡および外視鏡などの医療用撮像に適用される。X線センサは、直接および間接感知構成を含む。
他の電気機械システムとしては、光検出および測距(LIDAR)システムのためのスキャナが挙げられる。例えば、レーザビームの空間特性(例えば、ビームポインティング)を形成することができる、光学スキャナ。電気機械システムは、慣性センサ(例えば、入力刺激が直線運動または角運動である)を含む。いくつかのシステムは、生物学的感知および生物学的治療のプラットフォーム(例えば、生化学的薬剤が検出される)で使用され得る。
一態様では、センサ読み出し回路は、読み出し要素と、第1の電流源と、第2の電流源と、電圧ドライバと、基準センサと、アクティブセンサと、を含む。読み出し要素は、入力を含む。電圧ドライバは、出力を含む。基準センサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第1の電流源に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバの出力に電気的に結合されている。アクティブセンサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第2の電流源および読み出し要素の入力に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバの出力に電気的に結合されている。アクティブセンサは、センサ画像への曝露のために構成されている。
上記の回路のいくつかの態様では、第1の電流および第2の電流は、一定である。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、電圧ドライバは、アクティブセンサに対するバイアス電圧を発生させる。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するようにさらに構成されている。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサのインピーダンスを変更するようにさらに構成されている。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、第2の基準センサと、第2のアクティブセンサと、第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチと、をさらに含む。第2の基準センサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第1の電流源に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバに電気的に結合されている。第2のアクティブセンサは、第1の端子と、第2の端子と、を含み、第1の端子は、第2の電流を出力する第2の電流源に電気的に結合されており、第2の端子は、電圧ドライバの出力に電気的に結合されている。第2のアクティブセンサは、第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するように構成されている。第1のスイッチは、基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第2のスイッチは、アクティブセンサを第2の源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第3のスイッチは、第2の基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。第4のスイッチは、第2のアクティブセンサを第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成されている。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、オフセットを除去するように構成されたCDS回路をさらに含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、読み出し要素の電圧は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、基準センサの第2の端子に電気的に結合されたオペアンプの出力をさらに含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、基準センサの第1および第2の端子に電気的に結合されたフィードバック要素をさらに含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、第3の基準センサと、第3の電流源と、をさらに含む。第3の基準センサは、第1の端子と、電圧ドライバの出力に電気的に結合された第2の端子と、を含む。第3の電流源は、第3の基準センサの第1の端子に電気的に結合されており、かつ第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する第7の電流を出力するように構成されている。第2の電流の値は、第7の電流に従って調整される。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、第1の端子から読み出し要素の入力への電流の変化をサンプリングするように構成されたADCをさらに含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様での、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成された第1の電流源および第2の電流源。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、読み出し要素は、CTIAを含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、基準センサの第2の端子に出力する増幅器をさらに含む。基準センサの第1の端子は、増幅器の負の入力に電気的に結合している。第1の電流源は、負の入力および出力にわたって電圧降下を発生させるように構成されている。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、LWIR放射を検出するように構成されたボロメータピクセルである。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、シグマ-デルタADCの第1の段階は、CTIAを含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、基準センサは、センサ画像からシールドされている。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、電圧ドライバの出力とアクティブセンサの第2の端子との間で電気的に結合された電圧フォロワをさらに含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、2つ以上の電流バッファをさらに含み、2つ以上の電流バッファは、第1の電流源と基準センサとの間で電気的に結合された第1の電流バッファと、第2の電流源とアクティブセンサとの間で電気的に結合された第2の電流バッファと、を含む。
上記の回路の各々のいくつかの態様では、回路は、アクティブセンサを電圧ドライバに選択的に電気的に結合させるように構成された第5のスイッチをさらに含む。
別の態様では、センサ読み出しの方法は、第1の電流を基準センサの第1の端子に提供することと、基準センサの第2の端子において第1の電流から電圧を発生させることと、第2の電流をアクティブセンサの第1の端子に提供することと、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動することと、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への第3の電流を測定することと、を含む。
上記の方法のいくつかの態様では、第1の電流および第2の電流は、一定である。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、電圧は、アクティブセンサに対するバイアス電圧である。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、第3の電流を変更することをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、アクティブセンサのインピーダンスを変更することをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、第4の電流を第2の基準センサの第1の端子に提供することと、第2の基準センサの第2の端子において第4の電流から第2の電圧を発生させることと、第5の電流を第2のアクティブセンサの第1の端子に提供することと、第2の電圧で第2のアクティブセンサの第2の端子を駆動することと、第2のアクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、第2のアクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への第6の電流を測定することと、をさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、第1の電流を提供する第1の電流源を基準センサから電気的に結合解除させることと、第4の電流を提供する第1の電流源を第2の基準センサに結合させることと、第2の電流を提供する第2の電流源をアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、第5の電流を提供する第2の電流源を第2のアクティブセンサに結合させることと、を含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、読み出し要素の入力によって生成されるオフセットを決定することと、読み出し要素の入力への電流を測定する前に、オフセットをキャンセルすることと、をさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、読み出し要素の出力での電圧は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、電圧は、オペアンプによって駆動され、基準センサの第1の端子は、オペアンプの負の入力に電気的に結合されている。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、フィードバック要素を使用して、基準センサの第2の端子から基準センサの第1の端子にフィードバックすることをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、第7の電流を第3の基準センサの第1の端子に提供することであって、第7の電流が、第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する、提供することと、第7の電流に従って、第2の電流の値を調整することと、をさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、読み出し要素の入力への電流によって生成される電圧をサンプリングすることをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、第1の電流および第2の電流は、基準センサおよびアクティブセンサのそれぞれの第1の端子に対して等しい大きさであり、かつ同じ方向にある。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、第3の電流を読み出し要素の読み出し電圧に変換することをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、第1の電流および第2の電流は各々、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される電流源によって提供される。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動することは、電圧ドライバの出力から基準センサの第2の端子およびアクティブセンサの第2の端子を駆動することをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、第1の電流から基準センサにわたって電圧降下を生じさせることと、基準センサの第2の端子に出力する増幅器を使用して電圧を発生させることと、基準センサの第1の端子を増幅器の負の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサをセンサ画像に曝露することは、アクティブセンサをLWIR放射に曝露することをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含む。
上記の方法のいくつかの態様では、シグマ-デルタADCの第1の段階は、CTIAを含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、基準センサを、基準センサおよびアクティブセンサに共通の周囲条件に曝露することと、センサ画像から基準センサをシールドすることと、をさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、電圧でアクティブセンサの第2の端子を駆動することは、アクティブセンサの第2の端子と、電圧を提供する電圧源との間でバッファリングすることをさらに含む。
上記の方法の各々のいくつかの態様では、本方法は、第1の電流をバッファリングすることと、第2の電流をバッファリングすることと、をさらに含む。
別の態様では、センサ読み出し回路の製造の方法は、入力を含む読み出し要素を提供することと、第1の電流源を提供することと、第2の電流源を提供することと、出力を含む電圧ドライバを提供することと、第1の端子および第2の端子を含む基準センサを提供することと、基準センサの第1の端子を第1の電流源に電気的に結合させることと、基準センサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることと、第1の端子および第2の端子を含むアクティブセンサを提供することであって、アクティブセンサが、センサ画像への曝露のために構成されている、提供することと、アクティブセンサの第1の端子を第2の電流源および読み出し要素の入力に電気的に結合させることと、アクティブセンサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることと、を含む。
上記の製造の方法のいくつかの態様では、第1の電流源および第2の電流源は、定電流源である。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、電圧ドライバは、アクティブセンサに対するバイアス電圧を発生させるように構成されている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するようにさらに構成されている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、アクティブセンサは、アクティブセンサがセンサ画像に曝露されるときに、アクティブセンサのインピーダンスを変更するようにさらに構成されている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、アクティブボロメータピクセルである。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、第1の端子および第2の端子を含む第2の基準センサを提供することと、第2の基準センサの第1の端子を第1の電流源に電気的に結合させることと、第2の基準センサの第2の端子を電圧ドライバに電気的に結合させることと、第1の端子および第2の端子を含む第2のアクティブセンサを提供することであって、第2のアクティブセンサが、センサ画像への曝露のために構成されている、提供することと、アクティブセンサの第1の端子を第2の電流源に電気的に結合させることと、アクティブセンサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることであって、第2のアクティブセンサが、アクティブセンサの第1の端子から読み出し要素の入力への電流を変更するように構成されている、結合させることと、基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第1のスイッチを提供することと、アクティブセンサを第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第2のスイッチを提供することと、第2の基準センサを第1の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第3のスイッチを提供することと、第2のアクティブセンサを第2の電流源に選択的に電気的に結合させるように構成された第4のスイッチを提供することと、をさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、オフセットを除去するように構成されたCDS回路を提供することをさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、読み出し要素は、基準センサとアクティブセンサとの間のインピーダンス差に比例する電圧を発生させるように構成されている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、オペアンプを提供することと、オペアンプの出力を基準センサの第2の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、フィードバック要素を提供することと、フィードバック要素を基準センサの第1および第2の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、第1の端子および第2の端子を含む第3の基準センサを提供することと、第3の基準センサの第2の端子を電圧ドライバの出力に電気的に結合させることと、第3の基準センサによって生成される自己発熱を反映する第7の電流を出力するように構成された、第3の電流源を提供することであって、第2の電流の値が、第7の電流に従って調整される、提供することと、第3の電流源を第3の基準センサの第1の端子に電気的に結合させることと、をさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、第1の端子から読み出し要素の入力への電流の変化をサンプリングするように構成されたADCを提供することをさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、第1の電流源および第2の電流源は、それぞれの第1の端子に対して同じ方向に等しい大きさの電流を出力するように構成されている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、読み出し要素は、CTIAを含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、第1の電流源および第2の電流源は、アサーマル電圧源および抵抗器、高インピーダンスアサーマルトランジスタ電流源、ならびにウィルソンカレントミラーの群から選択される。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、基準センサの第2の端子に出力する増幅器を提供することと、基準センサの第1の端子を増幅器の負の入力に電気的に結合させることと、をさらに含み、第1の電流源は、負の入力および出力にわたって電圧降下を発生させるように構成されている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、基準センサは、基準ボロメータピクセルであり、アクティブセンサは、LWIR放射を検出するように構成されたボロメータピクセルである。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、読み出し要素は、シグマ-デルタADCを含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、シグマ-デルタADCの第1の段階は、CTIAを含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、基準センサは、センサ画像からシールドされている。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、電圧フォロワを提供することと、電圧ドライバの出力とアクティブセンサの第2の端子との間で電圧フォロワを電気的に結合させることと、をさらに含む。
上記の製造の方法の各々のいくつかの態様では、製造の方法は、第1の電流バッファおよび第2の電流バッファを含む2つ以上の電流バッファを提供することと、第1の電流源と基準センサとの間で第1の電流バッファを電気的に結合させることと、第2の電流源とアクティブセンサとの間で第2の電流バッファを電気的に結合させることと、をさらに含む。
一態様では、センサ回路は、センサ画像に曝露され、かつバイアス電圧ノードを共有する、複数のアクティブセンサと、較正読み出し要素と、センサ画像からシールドされており、かつバイアス電圧ノードに電気的に結合された第1の端子、および較正読み出し要素に電気的に結合された第2の端子を含む、較正センサと、を含む。
上記の回路のいくつかの態様では、較正センサのインピーダンスは、複数のアクティブセンサのアクティブセンサのインピーダンスと同じであり、較正センサの電気キャリアカウントは、アクティブセンサの電気キャリアカウントよりも大きい。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、複数のアクティブセンサのアクティブセンサに対応し、かつアクティブセンサの読み出し電圧を測定するように構成された、読み出し要素をさらに含み、較正読み出し要素は、較正センサの読み出し電圧を測定するように構成されており、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、プロセッサに、アクティブセンサの読み出し電圧を受信することと、較正センサの読み出し電圧を受信することと、(1)アクティブセンサの読み出し電圧と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、較正センサの読み出し電圧との間の差を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
上記の回路のいくつかの態様では、比は、1である。
上記の回路のいくつかの態様では、比は、温度非依存型である。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、複数のアクティブセンサのアクティブセンサに対応し、かつアクティブセンサの読み出し電圧を測定するように構成された、読み出し要素をさらに含み、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、1つ以上のプロセッサに、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を受信することと、開いたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を受信することと、(1)第1の読み出し電圧と、(2)第2の読み出し電圧との間でセンサ画像によって生じるアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
上記の回路のいくつかの態様では、複数の読み出し要素は、複数のADCを含む。
上記の回路のいくつかの態様では、較正センサおよび複数のアクティブセンサは、同じ熱抵抗係数(TCR)を有する材料から作製される。
上記の回路のいくつかの態様では、複数のアクティブセンサは、複数の列のアクティブセンサを含み、回路は、複数の電流源であって、複数の電流源の電流源が、較正センサの第2の端子および較正読み出し要素に電気的に結合されている、複数の電流源と、複数の読み出し要素であって、複数の列のアクティブセンサの各々が、対応する読み出しノードでの複数の電流源の対応する電流源、および対応する読み出しノードでの複数の読み出し要素の対応する読み出し要素に電気的に結合されている、複数の読み出し要素と、をさらに含む。
上記の回路のいくつかの態様では、較正読み出し要素は、アナログ-デジタル変換器(ADC)を含む。
上記の回路のいくつかの態様では、複数のアクティブセンサおよび較正センサは、ボロメータであり、センサ画像は、熱画像である。
別の態様では、センサ回路は、較正電流を提供する較正電流源と、アクティブセンサと、読み出し要素と、アクティブセンサを読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第1のスイッチと、較正電流源を読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第2のスイッチと、を含む。
上記の回路のいくつかの態様では、第2のスイッチは、第1のスイッチがアクティブセンサを読み出し要素に電気的に結合させるときに、第1の読み出し要素から較正電流源を電気的に結合解除させるように構成されており、第1のスイッチは、第2のスイッチが較正電流を読み出し要素に電気的に結合させるときに、第1の読み出し要素からアクティブセンサを電気的に結合解除させるように構成されており、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、プロセッサに、アクティブセンサの第1の読み出し電圧を受信することと、較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を受信することと、(1)第1の読み出し電圧、および(2)第2の読み出し電圧に基づいて、アクティブセンサの読み出し電流に比例する出力を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、アクティブセンサを含む複数のアクティブセンサと、第1および第2の読み出し要素を含む複数の読み出し要素であって、複数の読み出し要素の各々が、複数のアクティブセンサのそれぞれのアクティブセンサに電気的に結合されている、複数の読み出し要素と、をさらに含み、本方法は、複数の読み出し要素の読み出し要素からそれぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧を受信することと、それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を受信することと、(1)それぞれのセンサの読み出し電圧、および(2)それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、それぞれのアクティブセンサの読み出し電流に比例するそれぞれの出力を計算することと、をさらに含む。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、第1のアクティブセンサと同じ列に属する第2のアクティブセンサをさらに含み、本方法は、第1の出力を計算した後、第2のアクティブセンサの第3の読み出し電圧を受信することと、(1)第3の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、第4のアクティブセンサの読み出し電流に比例する第2の出力を計算することと、をさらに含む。
上記の回路のいくつかの態様では、較正電流によって生じる同じ列上の第2の読み出し電圧の連続受信の間の時間は、較正期間である。
上記の回路のいくつかの態様では、較正期間は、1秒である。
上記の回路のいくつかの態様では、較正期間は、読み出し要素のドリフトに基づいている。
上記の回路のいくつかの態様では、異なる行は、第2の読み出し電圧の連続受信中に読み出される。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、第2の較正電流源と、第1の較正電流源を読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第3のスイッチと、第2の較正電流源を読み出し要素に選択的に電気的に結合させるように構成された第4のスイッチと、をさらに含み、第3のスイッチが、第1の較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させるときに、第4のスイッチは、読み出し要素を第2の較正電流源に電気的に結合させるように構成されており、かつ方法は、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を受信することをさらに含み、出力は、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧にさらに基づいている。
上記の回路のいくつかの態様では、読み出し要素は、ADCを含む。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、プロセッサ;および命令を含むメモリであって、命令がプロセッサによって実行されると、1つ以上のプロセッサに、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を受信することと、開いたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を受信することと、(1)第1の読み出し電圧と、(2)第2の読み出し電圧との間でセンサ画像によって生じる第1のアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、を含む方法を実行させる、メモリ、に電気的に結合されている。
上記の回路のいくつかの態様では、アクティブセンサは、熱シーンに曝露されるボロメータである。
上記の回路のいくつかの態様では、アクティブセンサは、センサ画像に曝露され、バイアス電圧ノードを複数のアクティブセンサと共有し、センサ回路は、第2の読み出し要素と、センサ画像からシールドされており、かつバイアス電圧ノードに電気的に結合された第1の端子、および第2の読み出し要素に電気的に結合された第2の端子を含む、較正センサと、をさらに含む。
別の態様では、センサ回路で較正された電圧を計算する方法は、較正センサの第1の端子を、複数のアクティブセンサによって共有されるバイアス電圧ノードに電気的に結合させることと、較正センサの第2の端子を較正読み出し要素に電気的に結合させることと、複数のアクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、センサ画像から較正センサをシールドすることと、複数のアクティブセンサのアクティブセンサの読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、較正センサの読み出し電圧を較正読み出し要素で測定することと、(1)アクティブセンサの読み出し電圧と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、較正センサの読み出し電圧との間の差として、較正された電圧を計算することと、を含む。
上記の回路のいくつかの態様では、較正センサのインピーダンスは、アクティブセンサのインピーダンスと同じであり、較正センサの電気キャリアカウントは、アクティブセンサの電気キャリアカウントよりも大きい。
上記の回路のいくつかの態様では、比は、1である。
上記の回路のいくつかの態様では、比は、温度非依存型である。
上記の回路のいくつかの態様では、較正センサおよびアクティブセンサは、同じTCRを有する材料から作製される。
上記の回路のいくつかの態様では、本方法は、複数の電流源の電流源を、較正センサの第2の端子および較正読み出し要素に電気的に結合させることと、複数の列のアクティブセンサの列を読み出し要素に電気的に結合させることであって、アクティブセンサの列が、アクティブセンサを含む、結合させることと、複数の電流源の第2の電流源を読み出し要素に電気的に結合させることと、をさらに含む。
上記の回路のいくつかの態様では、本方法は、シャッターを閉じることと、閉じたシャッターに対応する第1の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、閉じたシャッターに対応する第2の読み出し電圧を較正読み出し要素で測定することと、較正された電圧を計算した後、(1)較正された電圧の間の第2の差、および(2a)第1の読み出し電圧と、(2b)比によって重み付けされる第2の読み出し電圧との間の差を計算することであって、第2の差が、シャッター較正電圧である、計算することと、をさらに含む。
上記の回路のいくつかの態様では、較正読み出し要素は、ADCを含む。
上記の回路のいくつかの態様では、読み出し要素は、ADCを含む。
上記の回路のいくつかの態様では、複数のアクティブセンサおよび較正センサは、ボロメータであり、センサ画像は、熱画像である。
いくつかの態様は、上記の回路の製造の方法を含む。
別の態様では、センサ回路で出力を計算する方法は、読み出し要素をアクティブセンサに電気的に結合させることと、アクティブセンサの第1の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、読み出し要素をアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、較正電流を読み出し要素に電気的に結合させることと、較正電流によって生じる第2の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、(1)第1の読み出し電圧、および(2)第2の読み出し電圧に基づいて、出力を計算することであって、出力が、アクティブセンサの読み出し電流に比例する、計算することと、を含む。
上記の方法のいくつかの態様では、本方法は、複数のアクティブセンサのそれぞれのアクティブセンサを複数の読み出し要素の読み出し要素に電気的に結合させることと、それぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧をそれぞれの読み出し要素で測定することと、それぞれの読み出し要素をそれぞれのアクティブセンサから電気的に結合解除させることと、較正電流をそれぞれの読み出し要素に電気的に結合させることと、それぞれの読み出し要素上で較正電流によって生じる第2の読み出し電圧をそれぞれの読み出し要素で測定することと、(1)それぞれのアクティブセンサの第1の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、それぞれのアクティブセンサの読み出し電流に比例する出力を計算することと、をさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、本方法は、第1の出力を計算した後、読み出し要素から較正電流源を電気的に結合解除させることと、読み出し要素を第2のアクティブセンサに電気的に結合させることであって、第2のアクティブセンサが、第1のアクティブセンサと同じ列に属する、結合させることと、第2のアクティブセンサの第3の読み出し電圧を読み出し要素で測定することと、(1)第3の読み出し電圧、および(2)較正電流によって生じる第2の読み出し電圧に基づいて、第2のアクティブセンサの読み出し電流に比例する第2の出力を計算することと、をさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、較正電流によって生じる同じ列上の第2の読み出し電圧の連続測定の間の時間は、較正期間である。
上記の方法のいくつかの態様では、較正期間は、1秒である。
上記の方法のいくつかの態様では、較正期間は、読み出し要素のドリフトに基づいている。
上記の方法のいくつかの態様では、異なる行は、第2の読み出し電圧の連続測定中に読み出される。
上記の方法のいくつかの態様では、本方法は、第1の較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させることと、読み出し要素を第2の較正電流源に電気的に結合させることと、読み出し要素上で第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を読み出し要素で測定することであって、出力が、第2の較正電流によって生じる第3の読み出し電圧にさらに基づいている、測定することと、をさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、読み出し要素は、ADCを含む。
上記の方法のいくつかの態様では、本方法は、シャッターを閉じることと、閉じたシャッターに対応する出力を計算することと、(1)開いたシャッターに対応する出力と、(2)閉じたシャッターに対応する出力との間でセンサ画像によって生じるアクティブセンサのインピーダンス差に比例する差を計算することと、をさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、アクティブセンサは、熱シーンに曝露されるボロメータである。
上記の方法のいくつかの態様では、本方法は、較正電流源から読み出し要素を電気的に結合解除させることと、第2の読み出し要素を較正電流源に電気的に結合させることと、較正電流によって生じる第3の読み出し電圧を第2の読み出し要素で測定することと、較正電流源から第2の読み出し要素を電気的に結合解除させることと、較正センサの第1の端子を、複数のアクティブセンサおよびアクティブセンサによって共有されるバイアス電圧ノードに電気的に結合させることと、較正センサの第2の端子を第2の読み出し要素に電気的に結合させることと、複数のアクティブセンサおよびアクティブセンサをセンサ画像に曝露することと、センサ画像から較正センサをシールドすることと、較正センサの第4の読み出し電圧を第2の読み出し要素で測定することと、第3の読み出し電圧および第4の読み出し電圧に基づいて、第2の出力を計算することと、(1)第1の出力と、(2)較正センサのインピーダンスとアクティブセンサのインピーダンスとの比によって重み付けされる、第2の出力との間の差を計算することと、をさらに含む。
一態様では、センサ回路は、電荷を格納するように各々構成された複数のセンサピクセルと、各センサの電荷を受信するように構成されたシグマ-デルタADCと、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次結合させるように構成された複数のスイッチであって、各スイッチが、複数のセンサピクセルのそれぞれ1つに対応する、複数のスイッチと、を含む。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まない。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、複数のセンサとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられた可変抵抗器をさらに含み、複数のスイッチは、複数のセンサピクセルの各々を可変抵抗器に順次結合させるように構成されている。
上記の回路のいくつかの態様では、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウ中に直線的に減少する抵抗を有し、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの終わりで最も低い抵抗にあり、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの始まりと終わりとの間で最も低い抵抗よりも高い抵抗を有する。
上記の回路のいくつかの態様では、可変抵抗器は、MOSトランジスタであり、MOSトランジスタの初期抵抗、直線的に減少する抵抗、および最も低い抵抗は、MOSトランジスタに電気的に結合された制御電圧で制御される。
上記の回路のいくつかの態様では、放電時間ウィンドウは、10マイクロ秒~1ミリ秒である。
上記の回路のいくつかの態様では、第1の放電時間ウィンドウ中に、第1のスイッチは、第1のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCを電気的に結合させ、第2の放電時間ウィンドウ中に、第2のスイッチは、第2のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCを電気的に結合させ、第1および第2の放電時間ウィンドウは、第1および第2のセンサピクセルの読み出し時間に対応する。
上記の回路のいくつかの態様では、放電時間ウィンドウ中に、可変抵抗器の定電流は、可変抵抗器の初期電圧を初期抵抗で除算したものである。
上記の回路のいくつかの態様では、スイッチは、それぞれの放電時間ウィンドウ中に、それぞれのセンサピクセルおよび可変抵抗器を電気的に結合させ、放電時間ウィンドウは、可変抵抗器の初期抵抗を乗算したセンサピクセルの静電容量に等しい。
上記の回路のいくつかの態様では、可変抵抗器は、抵抗器の重み付けされたバンクを含み、抵抗器の重み付けされたバンクは、並列または直列に選択的に電気的に結合された複数の抵抗器を含み、選択的に電気的に結合された抵抗器の組み合わせの抵抗は、放電時間ウィンドウの始まりでの初期抵抗と、直線的に減少する抵抗と、最も低い抵抗と、を含む。
上記の回路のいくつかの態様では、センサピクセルは、X線センサフォトダイオードを含み、電荷は、X線センサフォトダイオードのX線への曝露を示す。
上記の回路のいくつかの態様では、センサピクセルは、電荷を格納するストレージコンデンサを含み、センサピクセルのX線への曝露は、ストレージコンデンサで格納される電荷を生成する。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、第2の複数のセンサピクセルと、第2のシグマ-デルタADCと、をさらに含み、第2の複数のセンサピクセルは、第2のシグマ-デルタADCに順次結合するように構成されており、第1および第2の複数のセンサピクセルは、同じ列に属する。
上記の回路のいくつかの態様では、第1および第2の複数のセンサピクセルの数は、等しい。
上記の回路のいくつかの態様では、第1の行時間で、第1の複数のセンサピクセルの第1のセンサピクセル、および第2の複数のセンサピクセルの第2のセンサピクセルは、同時に読み出される。
上記の回路のいくつかの態様では、シグマ-デルタADCへの入力電流は、一定である。
上記の回路のいくつかの態様では、センサ回路は、シグマ-デルタADCから信号を受信するように構成されたデジタルフィルタをさらに含む。
いくつかの態様は、上記の回路の製造の方法を含む。
一態様では、センサ回路は、複数のセンサピクセルと、シグマ-デルタADCと、複数のスイッチと、を含み、各スイッチが、複数のセンサピクセルのそれぞれ1つに対応し、センサ回路の読み出しの方法は、複数のセンサピクセルの各々にそれぞれの電荷を格納することと、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることと、シグマ-デルタADCで、各センサピクセルのそれぞれの電荷を順次受信することと、を含む。
上記の方法のいくつかの態様では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられたCTIAを含まず、各センサピクセルのそれぞれの電荷が、CTIAによって受信されない。
上記の方法のいくつかの態様では、センサ回路は、複数のセンサピクセルとシグマ-デルタADCとの間に電気的に位置付けられた可変抵抗器をさらに含み、本方法は、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることが、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々を可変抵抗器に順次電気的に結合させることをさらに含むことを、さらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、本方法は、放電時間ウィンドウ中に、可変抵抗器の抵抗を直線的に減少させることをさらに含み、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの終わりで最も低い抵抗にあり、可変抵抗器は、放電時間ウィンドウの始まりと終わりとの間で最も低い抵抗よりも高い抵抗を有する。
上記の方法のいくつかの態様では、可変抵抗器は、制御電圧に電気的に結合されたMOSトランジスタであり、可変抵抗器の抵抗を直線的に減少させることは、初期抵抗、直線的に減少する抵抗、および最も低い抵抗を生成するように、制御電圧でMOSトランジスタを駆動することをさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、放電時間ウィンドウは、10マイクロ秒~1ミリ秒である。
上記の方法のいくつかの態様では、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることは、第1の放電時間ウィンドウ中に、第1のスイッチを第1のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCに電気的に結合させることと、第2の放電時間ウィンドウ中に、第2のスイッチを第2のセンサピクセルおよびシグマ-デルタADCに電気的に結合させることと、をさらに含み、第1および第2の放電時間ウィンドウは、第1および第2のセンサピクセルの読み出し時間に対応する。
上記の方法のいくつかの態様では、放電時間ウィンドウ中に、可変抵抗器の定電流は、可変抵抗器の初期電圧を初期抵抗で除算したものである。
上記の方法のいくつかの態様では、複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々をシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることは、それぞれの放電時間ウィンドウ中に、スイッチをそれぞれのセンサピクセルおよび可変抵抗器に電気的に結合させることをさらに含み、放電時間ウィンドウは、可変抵抗器の初期抵抗を乗算したセンサピクセルの静電容量に等しい。
上記の方法のいくつかの態様では、可変抵抗器は、抵抗器の重み付けされたバンクを含み、抵抗器の重み付けされたバンクは、並列または直列に選択的に電気的に結合された複数の抵抗器を含み、本方法は、抵抗器を選択的に電気的に結合させることによって、放電時間ウィンドウの始まりでの初期抵抗から放電時間ウィンドウの終わりでの最も低い抵抗に、複数の抵抗器の組み合わせの抵抗を直線的に減少させることをさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、センサピクセルは、X線センサフォトダイオードを含み、電荷は、X線センサフォトダイオードのX線への曝露を示す。
上記の方法のいくつかの態様では、複数のセンサピクセルの各々にそれぞれの電荷を格納することは、複数のセンサピクセルの各々をX線に曝露し、それぞれの電荷を生成することと、複数のセンサピクセルの各々のストレージコンデンサでそれぞれの電荷を格納することと、をさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、センサ回路は、第1の複数のセンサピクセルと同じ列に属する第2の複数のセンサピクセルと、第2の複数のスイッチと、第2のシグマ-デルタADCと、をさらに含み、本方法は、第2の複数のスイッチを使用して、複数のセンサピクセルの各々を第2のシグマ-デルタADCに順次電気的に結合させることと、第2のシグマ-デルタADCで、第2の複数のセンサピクセルの各センサピクセルのそれぞれの電荷を順次受信することと、をさらに含む。
上記の方法のいくつかの態様では、第1および第2の複数のセンサピクセルの数は、等しい。
上記の方法のいくつかの態様では、第1の行時間で、第1のシグマ-デルタADCは、第1の複数のセンサピクセルの第1のセンサピクセルの第1のそれぞれの電荷を受信し、かつ第2のシグマ-デルタADCは、第2の複数のセンサピクセルの第2のセンサピクセルの第2のそれぞれの電荷を受信する。
上記の方法のいくつかの態様では、シグマ-デルタADCは、定電流を受信する。
一般に、本明細書で使用するとき、「実質的に」という用語は、正確な質(例えば、固定、同じ、均一、等しい、類似、比例)を理想的に有するが、正確な質と機能的に同等の質を事実上有する要素(複数可)または量(複数可)を説明するために使用される。例えば、要素または量は、実質的に固定されているか、または均一であると説明されており、偏差がシステムの公差内(例えば、精度要件など)にある限り、固定された値または均一な値から逸脱し得る。別の例として、実質的に等しいと説明される2つの要素または量は、差がシステムの動作に機能的に影響を及ぼさない公差内にある限り、ほぼ等しくあり得る。
同様に、いくつかの要素または量は、「実質的に」という用語なしに絶対的な意味で説明されるが、これらの要素および量は、絶対的な説明と機能的に同等の質を有し得ることが理解される。例えば、いくつかの実施形態では、比は、1つであると説明される。しかしながら、比は、比がシステムの公差内(例えば、精度要件など)にある限り、1より大きくても小さくてもよいことが理解される。
本明細書で使用するとき、「実質的に同じ」センサは、所与の刺激に対して類似の応答を生成する。例えば、「実質的に同じ」ボロメータは、所与の温度変化に対して類似の抵抗変化を生成する。
添付図面を参照して、開示する実施形態を十分に説明したが、当業者には、様々な変更および修正が明らかになることに留意されたい。そのような変更および修正は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような開示する実施形態の範囲内に含まれると理解するべきである。
本明細書で説明する様々な実施形態の説明において使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけのものであり、限定することを意図しない。説明する様々な実施形態および添付の特許請求の範囲で使用するとき、単数形の「1つの(a)」、「1つの(an)」、および「その(the)」は、別途文脈が明確に指示しない限り、複数形を含むことを意図している。「および/または(and/or)」という用語は、本明細書で使用するときに、関連する列挙した品目の1つ以上の任意のおよびすべての可能な組み合わせを指し、包含することも理解されるであろう。「含む(includes)」、「含んでいる(including)」、「備える(comprise)」、および/または「備えている(comprising)」という用語は、本明細書で使用するとき、述べられる特徴、整数、ステップ、動作、要素、および/または構成要素の存在を特定するが、1つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および/またはこれらの群の存在または追加を排除しないことが、さらに理解されるであろう。