RU2339011C2 - Temperature infrared sensor with reading circuit - Google Patents
Temperature infrared sensor with reading circuit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2339011C2 RU2339011C2 RU2006143531/28A RU2006143531A RU2339011C2 RU 2339011 C2 RU2339011 C2 RU 2339011C2 RU 2006143531/28 A RU2006143531/28 A RU 2006143531/28A RU 2006143531 A RU2006143531 A RU 2006143531A RU 2339011 C2 RU2339011 C2 RU 2339011C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- readout circuit
- infrared sensor
- diode
- thermal infrared
- current
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к области интегральных микроболометров. Применяется в устройствах ночного видения, обнаружения источников возгорания, при анализе источников теплоты.The invention relates to microelectronics, and in particular to the field of integrated microbolometers. It is used in night vision devices, detection of ignition sources, and in the analysis of heat sources.
Микроболометрические неохлаждаемые датчики получили широкое распространение из-за низкой стоимости, высокой чувствительности широкого спектра принимаемого излучения.Microbolometric uncooled sensors are widely used due to their low cost and high sensitivity of a wide range of received radiation.
Известен тепловой инфракрасный датчик и матрица на его основе [1], где каждый датчик содержит:Known thermal infrared sensor and a matrix based on it [1], where each sensor contains:
- подложку,- substrate
- температурный датчик, имеющий электрические характеристики, меняющиеся в соответствии с изменением температуры, вызванным поглощением инфракрасных лучей,- a temperature sensor having electrical characteristics that change in accordance with a change in temperature caused by the absorption of infrared rays,
- теплоизолирующие опорные плечи, поддерживающие и теплоизолирующие указанный температурный датчик и содержащие сигнальные линии для считывания электрических сигналов с упомянутого выше температурного датчика,- heat-insulating support arms supporting and heat-insulating the specified temperature sensor and containing signal lines for reading electrical signals from the above-mentioned temperature sensor,
- инфракрасный поглощающий слой, находящийся в тепловом контакте с указанным температурным датчиком, где этот температурный датчик и указанный инфракрасный поглощающий слой перекрывает упомянутые выше термоизолирующие опорные плечи при просмотре вдоль направления инфракрасных лучей, падающих на указанный инфракрасный поглощающий слой, и каждый из упомянутых температурных датчиков, указанных теплоизолирующих опорных плеч и выше упомянутого инфракрасного поглощающего слоя, располагается соответственно в разных плоскостях, и эти плоскости пространственно отделены друг от друга так, что соответствующая первая и вторая полости расположены между указанным температурным датчиком и указанными теплоизолирующими опорными плечами и между этими термоизолирующими плечами и упомянутым инфракрасным поглощающим слоем.- an infrared absorption layer in thermal contact with said temperature sensor, where this temperature sensor and said infrared absorption layer overlaps the above thermally insulating support arms when viewed along the direction of infrared rays incident on said infrared absorption layer, and each of said temperature sensors, said heat-insulating support arms and above said infrared absorption layer, is located respectively in different planes, and these planes the spaces are spatially separated from each other so that the corresponding first and second cavities are located between said temperature sensor and said heat-insulating support arms and between these heat-insulating arms and said infrared absorbing layer.
Однако в [1] не рассматриваются вопросы считывания информации, являющиеся важной характеристикой тепловых инфракрасных датчиков.However, in [1], information reading issues, which are an important characteristic of thermal infrared sensors, are not considered.
Наиболее близким техническим решением являются матрицы неохлаждаемых инфракрасных датчиков низкой стоимости на базе КМОП процесса [2], включающие:The closest technical solution is a matrix of uncooled infrared sensors of low cost based on the CMOS process [2], including:
матрицы однопиксельных микроболометров, где каждый из микроболометров содержит, по крайней мере, один диод,matrix of single-pixel microbolometers, where each of the microbolometers contains at least one diode,
инфракрасный поглощающий слой,infrared absorption layer
по крайней мере, одно из опорных плеч для поддержания не менее чем одного подвешенного диода, где, по крайней мере, одно из опорных плеч служит для передачи электрических сигналов на, минимум, один диод, используя межсоединительный слой,at least one of the supporting arms for supporting at least one suspended diode, where at least one of the supporting arms serves to transmit electrical signals to at least one diode using an interconnect layer,
- монолитно интегрированную схему считывания, изготовленную при помощи стандартного КМОП процесса, включающую в себя строку и столбец электронных переключателей, позволяющих осуществить уникальную адресацию каждого пикселя для контроля напряжения подключенного диода в каждом пикселе и извлекающую информацию о поглощенном тепле из напряжения подключенного диода каждого пикселя.- a seamlessly integrated readout circuit manufactured using the standard CMOS process, including a row and column of electronic switches that allow for unique addressing of each pixel to control the voltage of the connected diode in each pixel and extracts information about the absorbed heat from the voltage of the connected diode of each pixel.
Однако технические решения, используемые в прототипе, имеют недостатки: схема считывания, приведенная в описании и защищаемая п.п.13 и 14 формулы изобретения прототипа [2], использует выход по напряжению, особенностью которого (в отличие от схемы с выходом по току) является недостаточный уровень выходного сигнала по сравнению с токовым выходом, который можно нагружать на достаточно высокое сопротивление для получения высокого выходного уровня сигнала, а также объединять выходы нескольких колонок матрицы, что позволяет упростить схему колонок.However, the technical solutions used in the prototype have drawbacks: the reading circuit shown in the description and protected by claims 13 and 14 of the claims of the prototype [2] uses a voltage output, the feature of which (in contrast to the current output circuit) there is an insufficient level of the output signal compared to the current output, which can be loaded at a sufficiently high resistance to obtain a high output signal level, as well as combine the outputs of several columns of the matrix, which allows us to simplify the scheme of columns OK.
Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в повышении качества и снижении стоимости изготовления тепловых инфракрасных датчиков за счет выбора иной схемы считывания (с выходом по току), используемой в тепловом инфракрасном датчике, обеспечивающей больший коэффициент преобразования, не требующей коммутации малых выходных сигналов, а также более простого в изготовлении температурного датчика, соответствующего каждому пикселю на подложке полупроводника, имеющего p-n диод, смещенный в прямом направлении.The objective of the present invention is to achieve a technical result, which consists in improving the quality and reducing the cost of manufacturing thermal infrared sensors by choosing a different readout circuit (with current output) used in a thermal infrared sensor that provides a higher conversion coefficient that does not require switching small output signals, as well as an easier-to-fabricate temperature sensor corresponding to each pixel on a semiconductor substrate having a pn diode biased in forward direction.
Для достижения указанного технического результата в матрицы неохлаждаемых инфракрасных датчиков низкой стоимости на базе КМОП процесса [2], включающие:To achieve the specified technical result in a matrix of uncooled infrared sensors of low cost based on the CMOS process [2], including:
матрицы однопиксельных микроболометров, где каждый из микроболометров содержит, по крайней мере, один диод,matrix of single-pixel microbolometers, where each of the microbolometers contains at least one diode,
инфракрасный поглощающий слой,infrared absorption layer
по крайней мере, одно опорное плечо для поддержания не менее чем одного подвешенного диода, при этом, по крайней мере, одно опорное плечо служит для передачи электрических сигналов на, минимум, один диод с использованием межсоединительного слоя,at least one reference arm for supporting at least one suspended diode, while at least one reference arm serves to transmit electrical signals to at least one diode using an interconnect layer,
добавляют элементы, являющиеся отличительными признаками предлагаемого устройства:add elements that are the hallmarks of the proposed device:
- датчик включает схему считывания с выходом по току, встраиваемую в каждую линейку, при этом элементами, формирующими токи считывания строк, являются транзисторы, соответствующие столбцам матрицы, общие шины строк, соединяющие эмиттеры транзисторов, состоят из отрезков одинаковой длины, выбор строки обеспечен при включении канала токового коммутатора, а в схему коммутатора строк включен для полной компенсации сопротивлений замкнутый ключ.- the sensor includes a readout circuit with current output that is built into each line, while the elements that form the readout currents of the lines are transistors corresponding to the columns of the matrix, the common line buses connecting the emitters of the transistors consist of segments of the same length, the choice of line is provided when you turn on channel of the current switch, and a closed key is included in the circuit of the string switch for complete compensation of resistances.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема считывания.The invention is illustrated in the drawing, which shows the reading circuit.
Элементом, формирующим токи считывания строк Jcl - Jcn, являются транзисторы Tl - Tn, соответствующие столбцам матрицы. Выбор столбца осуществляется включением канала токового коммутатора SCq, который подключает источник тока J1 к соответствующей колонке диодов TD. Выбор строки осуществляется включением канала токового коммутатора SLp, который подключает к нижнему потенциалу схемы диод TDqp. Таким образом, для выбранного элемента столбца q и строки р активна схема «токового зеркала» из источника тока J1, транзисторного диода TDpq и транзистора Tq. Все остальные элементы и цепи находятся в неактивном состоянии и ток через них не протекает. В схеме токового зеркала при условии одинаковости транзисторов TDqp и Tq и одинаковости их температур коллекторный ток Jcq транзистора Tq равен по величине тока источника J1. Токи источников J1 и J2 в схеме равны, поскольку оба источника совершенно идентичны и высокая степень равенства токов в них обеспечивается интегральной технологией изготовления. Суммарная длина коммутируемых линий для токов J1 и Jcq останется одинаковой для любого выбранного пикселя, так как общая шина, соединяющая эмиттеры транзисторов Tl - Tn, имеет ту же длину и геометрию, что и общая шина строки транзисторов TD. Также в эмиттеры транзисторов Tl - Tn включены сопротивления Re, равные суммарному сопротивлению балок подвеса транзисторов TD. Общие шины строк, соединяющие эмиттеры транзисторов, состоят из отрезков одинаковой длины с сопротивлением R1. Общие шины столбцов, соединяющие базы транзисторов, совпадают по длине и геометрии с линиями соединений ключей SL0 - SLn и состоят из отрезков с одинаковой величиной сопротивления Rc. Одинаковым при любом выборе столбца и строки является и полное сопротивление ключей Rs. Для полной компенсации сопротивлений в схему коммутатора строк включен постоянно замкнутый ключ SL0, а участок шины, соединяющий ключ SL0 с общей точкой питания GND, состоит из отрезков сопротивлений Rc и в сумме имеет сопротивление, равное сопротивлению шин столбцов. Таким образом, полные сопротивления на линиях токов J1 и Jcq при любом включении одинаковы и соответствующие падения напряжения на них компенсируются. Поэтому, когда транзисторы TDqp и Tq имеют одинаковую температуру, выходной ток Jout «токового зеркала» полностью компенсируется током источника J2 и ток dJ на выходе схемы отсутствует. Падающее инфракрасное излучение создает на транзисторе TDqp разницу температуры относительно транзистора Tq, поскольку транзистор TDqp, в отличие or Tq, не размещен непосредственно на подложке, а поддерживается на несущих балках с малой теплопроводностью и нагревается под действием падающего на него излучения на величину dT. Эта разность температур dT вызывает на выходе схемы разностный ток, порядка dJ=0.1·dT·J (1/K).The element forming the currents for reading the rows Jcl - Jcn are the transistors Tl - Tn corresponding to the columns of the matrix. The column is selected by switching on the channel of the current switch SCq, which connects the current source J1 to the corresponding column of TD diodes. The line is selected by turning on the channel of the current switch SLp, which connects the TDqp diode to the lower potential of the circuit. Thus, for the selected element of column q and row p, the “current mirror” circuit from the current source J1, transistor diode TDpq, and transistor Tq is active. All other elements and circuits are inactive and no current flows through them. In the current mirror circuit, provided that the transistors TDqp and Tq are identical and their temperatures are the same, the collector current Jcq of the transistor Tq is equal in magnitude to the source current J1. The currents of sources J1 and J2 in the circuit are equal, since both sources are completely identical and a high degree of equality of currents in them is ensured by integrated manufacturing technology. The total length of the switched lines for the currents J1 and Jcq will remain the same for any selected pixel, since the common bus connecting the emitters of the transistors Tl - Tn has the same length and geometry as the common line bus of the transistors TD. Resistors Re equal to the total resistance of the suspension beams of transistors TD are also included in the emitters of transistors Tl - Tn. Common line buses connecting transistor emitters consist of segments of the same length with resistance R1. The common busbars of the columns connecting the base of the transistors coincide in length and geometry with the lines of key connections SL0 - SLn and consist of segments with the same resistance value Rc. The same for any choice of column and row is the total resistance of the keys Rs. To completely compensate for the resistances, the constantly switched key SL0 is included in the row switch circuit, and the bus section connecting the key SL0 to the common GND power point consists of segments of resistances Rc and in total has a resistance equal to the resistance of the column buses. Thus, the impedances on the current lines J1 and Jcq are the same at any turn-on and the corresponding voltage drops are compensated for them. Therefore, when the transistors TDqp and Tq have the same temperature, the output current Jout of the “current mirror” is completely compensated by the source current J2 and there is no current dJ at the output of the circuit. The incident infrared radiation creates a temperature difference on the transistor TDqp relative to the transistor Tq, since the transistor TDqp, unlike or Tq, is not directly located on the substrate, but is supported on the supporting beams with low thermal conductivity and is heated by the radiation incident on it by dT. This temperature difference dT causes a difference current at the output of the circuit, of the order of dJ = 0.1 · dT · J (1 / K).
Преимущества данной схемыThe advantages of this scheme
1. Высокая кругизна преобразования схемы - на сопротивлении нагрузки 50 кОм и токе 20 мкА она достигает 1 В/К.1. High roundness of circuit conversion - at a load resistance of 50 kOhm and a current of 20 μA, it reaches 1 V / K.
2. Низкая чувствительность к напряжению питания и температуре окружающей среды, что обеспечивается одинаковостью геометрии и режимов всех транзисторов.2. Low sensitivity to supply voltage and ambient temperature, which is ensured by the identical geometry and modes of all transistors.
3. Отсутствие коммутатора выходного напряжения на полупроводниковых приемниках излучения. Для коммутации столбцов и строк используются только коммутаторы тока, требования к которым значительно ниже, чем к коммутатору напряжения малых сигналов.3. Lack of output voltage switch on semiconductor radiation receivers. For switching columns and rows, only current switches are used, the requirements for which are much lower than for the voltage switch of small signals.
4. Структура схемы с компенсацией падения напряжения на линиях позволяет значительно снизить требования к сопротивлению шин столбцов и строк матрицы, сделать их более узкими и тем самым увеличить эффективную площадь полупроводниковых приемников излучения.4. The structure of the circuit with compensation for the voltage drop across the lines can significantly reduce the requirements for the busbar resistance of columns and rows of the matrix, make them narrower and thereby increase the effective area of semiconductor radiation receivers.
5. Малый разброс напряжения на чувствительных элементах приемников излучения, определяется только идентичностью самих приемников, так как все они питаются от одного и того же источника.5. The small voltage spread across the sensitive elements of the radiation receivers is determined only by the identity of the receivers themselves, since they are all powered by the same source.
6. Малое потребление схемы, равное потреблению всего двух источников тока.6. Low consumption of the circuit, equal to the consumption of only two current sources.
Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого устройства.Patent studies have shown that the set of features of the invention is new, which proves the novelty of the claimed device.
Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, показывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает "изобретательский уровень" предлагаемого устройства.In addition, patent studies have shown that there is no data in the literature showing the influence of the distinguishing features of the claimed invention on the achievement of a technical result, which confirms the "inventive step" of the proposed device.
Данная совокупность отличительных признаков позволяет достичь названный технический результат.This set of distinctive features allows to achieve the named technical result.
ЛитератураLiterature
1. Патент США №7005644.1. US patent No. 7005644.
2. Патент Int. Cl. WO/2005/098380 (PCT/EPО05/051529).2. Patent Int. Cl. WO / 2005/098380 (PCT / EPO05 / 051529).
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006143531/28A RU2339011C2 (en) | 2006-12-08 | 2006-12-08 | Temperature infrared sensor with reading circuit |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006143531/28A RU2339011C2 (en) | 2006-12-08 | 2006-12-08 | Temperature infrared sensor with reading circuit |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006143531A RU2006143531A (en) | 2008-06-20 |
RU2339011C2 true RU2339011C2 (en) | 2008-11-20 |
Family
ID=40241525
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006143531/28A RU2339011C2 (en) | 2006-12-08 | 2006-12-08 | Temperature infrared sensor with reading circuit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2339011C2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2498236C2 (en) * | 2010-09-17 | 2013-11-10 | Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина (ХНУ имени В.Н. Каразина) | Method of detecting infrared sources |
RU2671295C1 (en) * | 2017-08-17 | 2018-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Cell of thermocouple ir image receiver |
-
2006
- 2006-12-08 RU RU2006143531/28A patent/RU2339011C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2498236C2 (en) * | 2010-09-17 | 2013-11-10 | Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина (ХНУ имени В.Н. Каразина) | Method of detecting infrared sources |
RU2671295C1 (en) * | 2017-08-17 | 2018-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Cell of thermocouple ir image receiver |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006143531A (en) | 2008-06-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5396617B2 (en) | Infrared array sensor | |
US6465784B1 (en) | Infrared solid-state imaging sensing device | |
JP5455844B2 (en) | Uncooled infrared image sensor | |
CN100401472C (en) | Semiconductor device including vanadium oxide sensor element with restricted current density | |
JP5443793B2 (en) | Infrared solid-state image sensor | |
US8734008B2 (en) | Voltage reading technique for large sensor arrays through reduced noise differential path | |
JP2004317152A5 (en) | ||
US6441372B1 (en) | Infrared focal plane array detector and method of producing the same | |
CN109643364A (en) | Active thermal image sensor including passive pixel matrix | |
US8610064B2 (en) | Thermal detector, thermal detector device, and electronic instrument | |
US9170160B2 (en) | Imaging device | |
RU2339011C2 (en) | Temperature infrared sensor with reading circuit | |
CN102735344A (en) | Reading circuit of infrared focal plane array detector | |
US20010003356A1 (en) | Electromagnetic radiation detection device | |
JP4206043B2 (en) | Reconfigurable detector array | |
US9891113B2 (en) | Thermal sensor and method for producing a thermal sensor | |
KR101886318B1 (en) | Low noise reading architecture for active sensor arrays | |
US10073052B2 (en) | Ion concentration sensor | |
US8212214B2 (en) | Solid-state imaging element | |
JP6026585B2 (en) | Infrared imaging device | |
JP6006618B2 (en) | Inspection apparatus and inspection method for infrared solid-state imaging device | |
KR20150108058A (en) | The MEMS thermopile sensor and Method of fabricating the same | |
CN110235255A (en) | Solid-state imaging device and electronic device | |
JPWO2018131216A1 (en) | Infrared sensor device | |
CN208780347U (en) | Infrared focal plane read-out circuit and infrared focal plane detector |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20091209 |