WO2010122045A1 - Capteur a bolometre dote de moyens de regulation electrique des effets de la temperature - Google Patents

Capteur a bolometre dote de moyens de regulation electrique des effets de la temperature Download PDF

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microelectronic device
detectors
current
electromagnetic radiation
transistor
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Michaël TCHAGASPANIAN
Bertrand Dupont
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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    • H04N25/67—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response
    • H04N25/671—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise applied to fixed-pattern noise, e.g. non-uniformity of response for non-uniformity detection or correction

Definitions

  • the invention relates to the field of devices for detecting electromagnetic radiation, in particular those based on the principle of thermal detection such as bolometers.
  • thermal imager used for example in the field of infrared imaging, and of the type of those formed of a matrix of cells or pixels comprising a matrix of bolometer sensors associated with reference bolometers designed to suppress a predetermined part of the signal provided by the detectors.
  • the invention improves in particular the accuracy of the measurements made by such imagers by limiting the drifts related to variations in ambient temperature.
  • FIG. 1 An example of a bolometer sensor arrangement is given in FIG. 1.
  • This device firstly comprises an absorbing membrane 1 with regard to incident electromagnetic radiation.
  • This membrane 1 is suspended above a support 2 via conductive pads 3 of electricity.
  • the membrane 1 is able to heat up and transmit its temperature to a layer 4, which can be semiconductive and include for example one or more thermistors for transforming a radiant energy into an electrical measurement signal.
  • the support 2 may be an upper layer of a microelectronic device comprising one or more integrated circuits, and in particular at least one circuit for reading the measurements made.
  • the detector may further comprise arms 5a, 5b each having one end attached to the membrane 1 and another end attached to the anchoring pads 3 and through which the membrane 1 is held in suspension above the support 2 Over a major part of their length, the arms 5a, 5b are spaced apart from the membrane 1, so as to limit the thermal losses of the membrane and thereby improve the sensitivity of the detector.
  • a layer 6 reflecting the electromagnetic radiation can be placed on the support 2, facing the membrane 1.
  • a thermal image sensor is generally formed of a matrix of m ⁇ n pixels or elementary cells each provided with a detector as described in connection with FIG.
  • an imager comprising an array of pixels for capturing the infrared flux is used, with a bolometer per pixel in order to produce an infrared image of a scene, that is to say of a surface covered during registration of a image and whose size results from the observation conditions and properties of the sensor used.
  • a bolometer functions as a resistive sensor whose resistance varies with the temperature and therefore with the radiation flux coming from the scene.
  • FIG. 1 An electrical diagram of a bolometer sensor cell and its associated reading circuit is given in FIG.
  • a current of predetermined fixed value for example a value close to the average value of the current of the sensor, is subtracted from the current from a detector 10.
  • This fixed value current is derived from a fixed current source, which can be formed for example by means of a bolometer insensitive to the radiation which it receives and which is observed by the sensor.
  • the insensitive bolometers 20 can be provided for example at the bottom of the column or at the head of a pixel array.
  • the current from the difference between the current from the sensitive bolometer and the current from the insensitive bolometer is converted into voltage through an integrator 30, which may be formed of an amplifier 40 and an integration capacitor 50 of capacitance Cint located between an inverting input and the output of the amplifier 40.
  • Sampling means 80 may be provided at the output of the integrator 30.
  • Drifts may appear due to temperature variations.
  • the invention relates to a microelectronic device for measuring electromagnetic radiation comprising: one or more electromagnetic radiation detector elements arranged in a matrix and designed to deliver a given current depending on the intensity of the detected radiation; regulating means provided for delivering, to at least one of said detector elements, a potential of polarization regulated according to ambient temperature variations.
  • the regulation means comprise: at least one current source formed of at least one reference detector or several reference detectors in parallel, comparator means, for comparing an electrical quantity dependent on the current coming from the current source, with an electrical reference variable fixed and invariant at room temperature, and outputting a signal resulting from this comparison.
  • the reference electrical quantity may be a reference voltage delivered by voltage generator means provided so as to deliver a reference voltage of predetermined value that is invariant at ambient temperature.
  • the electrical quantity may be a potential taken at a terminal of means forming a reference resistance of predetermined and invariant value Rtref at room temperature.
  • the detector elements may comprise bolometers.
  • the reference detectors may be provided with a zone sensitive to electromagnetic radiation.
  • the reference detectors may be detectors with a sensitive zone of the type of that of the detector elements.
  • the reference detectors may be provided with a zone sensitive to electromagnetic radiation, but rendered insensitive by means of a screen to said electromagnetic radiation placed on or above the sensitive zone.
  • the detector elements of the matrix may be connected to a read circuit. Reference detectors are not connected to said reading circuit.
  • the regulating means may comprise means forming at least one current mirror.
  • the current mirror may comprise at least one first transistor having a gate connected to that of a second transistor, the second transistor being provided with a gate connected to its source electrode and to said current source.
  • the detector elements may comprise an injection transistor associated with an electromagnetic radiation detector, the regulated bias potential being applied to the gate of at least one injection transistor.
  • FIG. 1 illustrates an example of a bolometer thermal detector according to the prior art
  • FIG. 2 illustrates an example of a prior art arrangement of a bolometer sensor and its reading circuit; partner,
  • FIG. 3 illustrates an exemplary microelectronic matrix device comprising a plurality of bolometer detectors associated with reference bolometers
  • FIG. 4 illustrates an example of a microelectronic device according to the invention for electrical regulation taking into account the variation of the polarization state of the reference temperature bolometers
  • FIGS. 5A-5B illustrate examples of reference bolometer arrangements placed on the periphery of a bolometer array in a microelectronic device according to the invention.
  • FIG. 3 A portion of an exemplary imaging microelectronic device having a matrix of electromagnetic radiation detectors, particularly bolometers, is shown in Fig. 3 (only a column portion of the imager being shown in this figure).
  • This microelectronic device comprises a matrix M, n horizontal rows and m vertical rows of elementary cells also called "pixels".
  • the elementary cells each have at least one sensor comprising a detector element, which may comprise a bolometer-type electromagnetic radiation detector.
  • the bolometer detector is then in the form of a thermistor, that is to say a resistance varying with temperature.
  • Each detector 170i, ... 170 m can be associated with a transistor 180i, ... 180 m whose gate is biased to a potential Vpolreg, which is a controlled bias potential, in order to deliver a detection current.
  • Switching means 185i, ... 185 m controlled by a line addressing signal, ie horizontal rows of the matrix, are in this embodiment, provided at the output of the detector so that it delivers the detected current to a column of the matrix, when the horizontal row of the matrix to which this detector belongs is selected.
  • the switch means 185i, ... 185 m can be for example each in the form of a transistor, and allow to connect the bolometer to a read circuit 190 or reading means 190 for a capture time.
  • a bias voltage Vdd applied across a bolometer 170i, ..., 170 m is constant during this capture.
  • the resistance of the bolometer 170i, ..., 170 m is likely to vary.
  • the variation of ambient temperature is compensated by a regulation of the polarization potential Vpol_reg applied to the bolometers
  • each of the bolometers It is sought to make each of the bolometers as independent as possible from ambient temperature variations, so that each bolometer delivers a variable current only as a function of the variations of infrared flux that it is intended to measure.
  • a control device for compensating the effects of ambient temperature on the polarization of the bolometers is implemented.
  • An example of a regulating device is given in FIG. 4.
  • the regulating device is provided with one or more additional detectors 210 called reference detectors.
  • These reference detectors may be reference bolometers whose resistance varies as a function of ambient temperature variations.
  • the reference detectors may be provided with a sensitive zone similar to that of the detectors of the matrix.
  • the reference bolometer 210 may have a structure identical to that of bolometers 170i, ..., 170 m of the matrix. In this case the reference bolometers 210 differ from the other bolometers 170i,..., 170 m , in that they are not connected to the reading circuit 190. The variation of resistance of these reference bolometers is then not operated only in order to implement the regulation of the potential Vpol_reg applied to detectors 170i, ..., 170 m .
  • the reference bolometer (s) 210 may or may have a different structure from that of the bolometers 170i, ..., 170 m of the matrix.
  • the reference bolometer (s) 210 may or may each be in the form of a detector insensitive to the surrounding electromagnetic radiation.
  • a radiation insensitive detector can be implemented by example using a screen layer above, or on, the sensitive area of this detector. In this case, the scene variations have no influence on this detector, which is however advantageously sensitive to changes in ambient temperature.
  • the reference bolometer (s) 210 may or may be said to be "thermalised” and to have a sensitive zone, which, unlike a detector such as for example given in FIG. 1, comprises a sensitive zone which is not kept away from its support and is attached or glued to it.
  • An electrical quantity in this example, a current Io coming from several parallel reference bolometers, preferably n reference bolometers 210i,..., 21O n of the matrix, is taken from a point 141 of a circuit 140. , in order to obtain an electrical quantity representative of the temperature drifts of the n bolometers of reference 210i, ..., 21O n .
  • the circuit 140 forms at least one current mirror, the input current of which is the current Io representative of polarization fluctuations of the reference bolometers due to variations in ambient temperature.
  • the means forming a current mirror 140 may be in the form, for example, of two transistors 142, 143, for example PMOS transistors, the drain of which is connected to a supply potential Vdd, and whose gates are interconnected. and at the source of transistor 142 of the current mirror as well as at point 141 for taking the average voltage of the reference bolometers 210i, ..., 21O n .
  • a current Ii image of the current Io is representative of the variations of the potential V 0 .
  • the output of the current mirror 140 is connected to comparator means 110, for example to the inverting input of an operational amplifier arranged as a comparator.
  • the non-inverting input of the operational amplifier is set to a reference voltage Vref.
  • the reference voltage Vref is provided to be invariant in a given temperature range, especially at room temperature. By invariant is meant that does not vary or little in said given temperature range, for example that varies by less than 10 mV.
  • the reference voltage Vref may be delivered by means 120, such as, for example, an architecture of a type commonly called a bandgap which may be formed for example of bipolar transistors, for example in a manner as described in the document: "Bandgap Reference Simulation Principles and Problems ", Joerg Berkner, Oct. 2007.
  • Means 130 forming a reference resistor Rtref are connected to the inverting input of the amplifier 100 and to the output of the mirror 140.
  • the reference resistor Rtref is also provided so as to be temperature invariant in a range. given temperature, in particular at room temperature.
  • invariant is meant that does not vary or little in the temperature range, for example that varies by less than 1%.
  • the means 130 forming a reference resistor Rtref can be made for example by means of a network of resistors in series, comprising one or more resistors with a positive temperature coefficient and one or more resistors with a negative temperature coefficient.
  • a current I2 resulting from the difference between the current Ii from the mirror and the current flowing in the resistor Rtref is applied to the inverting input of the comparator.
  • This current can thus be injected towards the gate of a MOS transistor of the differential pair of the comparator (said MOS transistor and the differential pair not being represented in FIG. 4), which causes the voltage of the input to fluctuate. inverter, this voltage being compared with the reference voltage Vref applied to the non-inverting input.
  • the result of this comparison is output of the comparator 110.
  • the output of the comparator thus delivers a regulated Vpol_reg potential.
  • This regulated potential Vpol_reg can be applied to the gate of transistors 221 called “injection”, associated with each of bolometers 170i, ..., 17O n and located upstream thereof.
  • the potential Vpol_reg thus serves as bias potential for bolometers 170i, ..., 17O n .
  • a first-order buckled system can thus be implemented.
  • Vpol_reg a regulated gate voltage
  • Vpol_reg the average current flowing through the n reference bolometers 210i, ..., 21O n is equal to a predetermined reference current Iref, and which depends on the values of resistance Rtref and potential Vref.
  • the values of the resistance Rtref and the potential Vref depend on the application and the current that it is desired to subtract from the detection current. For example, for a current of the order of 5 ⁇ A, Vref can be for example of the order of 1.2 V and RTref for example of the order of 240 k ⁇ .
  • the current of bolometers 170i,..., 17O n can be decorrelated from ambient temperature variations.
  • the effects of the variation of the ambient temperature are compensated, which cause a variation of the resistance of the bolometers by a variation of the gate voltage of the injection transistors 180 1 ... 180 m .
  • the regulated voltage Vpol_reg can serve as the overall polarization voltage of the complete imager equipped with nxm pixels, each of the pixels being then polarized using this temperature-regulated voltage.
  • the voltage Vpol_reg can thus be applied to the transistors 180i,..., 180 m or used to form the voltage applied to the transistors 180i,..., 180 m. Using this device, the effects of temperature drift are avoided. for example to heating effects of a housing in which the matrix of detectors can be contained.
  • Fig. 5A an arrangement in which at the bottom of the matrix M of detectors 170i,..., 17O n, the reference detectors 210 are disposed, is given.
  • FIG. 5B a particular arrangement in which the matrix M of detectors 170i,..., 17O n is surrounded by detectors 210 of reference, is illustrated.
  • This arrangement makes it possible to regulate according to a better averaging, taking into account temperature variations all around the matrix.

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Abstract

Dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant : un ou plusieurs détecteurs de rayonnement électromagnétique agencés selon une matrice et prévus pour délivrer un courant donné dépendant de l'intensité du rayonnement détecté, des moyens de régulation (110, 120, 130, 140, 210) prévus pour délivrer, à au moins un des dits détecteurs, un potentiel de polarisation régulé (Vpol_reg) en fonction des variations de température ambiante.

Description

CAPTEUR A BOLOMETRE DOTE DE MOYENS DE REGULATION ELECTRIQUE DES EFFETS DE LA TEMPERATURE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne le domaine des dispositifs de détection de rayonnements électromagnétiques, en particulier ceux basés sur le principe de la détection thermique tels que les bolomètres.
Elle prévoit un imageur thermique amélioré, utilisé par exemple dans le domaine de l'imagerie infrarouge, et du type de ceux formés d'une matrice de cellules ou de pixels comportant une matrice de capteurs à bolomètre associés à des bolomètres de référence prévus pour supprimer une partie prédéterminée du signal fourni par les détecteurs.
L'invention améliore notamment la précision des mesures effectuées par de tels imageurs en limitant les dérives liées à des variations de température ambiante .
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un exemple d' agencement de capteur à bolomètre est donné sur la figure 1. Ce dispositif comprend tout d'abord une membrane 1 absorbante vis-à-vis de rayonnements électromagnétiques incidents. Cette membrane 1 est suspendue au-dessus d'un support 2 par l'intermédiaire de plots conducteurs 3 de l'électricité. Sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique, la membrane 1 est susceptible de s'échauffer et de transmettre sa température à une couche 4, qui peut être semi-conductrice et comprendre par exemple un ou plusieurs thermistors permettant de transformer une énergie rayonnante en un signal électrique de mesure.
Le support 2 peut être une couche supérieure d'un dispositif microélectronique comprenant un ou plusieurs circuits intégrés, et en particulier au moins un circuit de lecture des mesures effectuées.
Le détecteur peut comprendre en outre des bras 5a, 5b dotés chacun d'une extrémité rattachée à la membrane 1 et d'une autre extrémité rattachée aux plots d'ancrage 3 et par laquelle la membrane 1 est maintenue en suspension au dessus du support 2. Sur une majeure partie de leur longueur, les bras 5a, 5b sont, espacés de la membrane 1, de manière à limiter les pertes thermiques de la membrane et d'améliorer ainsi la sensibilité du détecteur. Une couche 6 réfléchissant les rayonnements électromagnétiques peut être placée sur le support 2, en regard de la membrane 1.
Un capteur d' image thermique est généralement formé d'une matrice de m x n pixels ou cellules élémentaires dotées chacune d'un détecteur tel que décrit en liaison avec la figure 1.
Ainsi, en imagerie infrarouge, on utilise un imageur comprenant une matrice de pixels pour capter le flux infrarouge, avec un bolomètre par pixel afin de réaliser une image infrarouge d'une scène, c'est-à-dire d'une surface couverte lors de l'enregistrement d'une image et dont le gabarit résulte des conditions d'observation et des propriétés du capteur utilisé.
Un bolomètre fonctionne comme un capteur résistif dont la résistance varie avec la température et donc avec le flux de rayonnement provenant de la scène. Pour lire la valeur de la résistance du bolomètre qui correspond à un flux infrarouge, on peut par exemple imposer une tension et mesurer un courant.
Un schéma électrique d'une cellule de capteur à bolomètre et de son circuit de lecture associé, est donné sur la figure 2.
Dans ce dispositif, on soustrait au courant issu d'un détecteur 10, un courant de valeur fixe prédéterminée, par exemple de valeur proche de la valeur moyenne du courant du capteur.
Ce courant de valeur fixe est issu d'une source de courant fixe, qui peut être formée par exemple à l'aide d'un bolomètre insensible 20 au rayonnement qu' il reçoit et qui est observé par le capteur.
Les bolomètres insensibles 20 peuvent être prévus par exemple en pied de colonne ou en tête de ligne d'une matrice de pixels.
On cherche ainsi à obtenir un courant à intégrer aussi petit que possible et qui correspond aux variations de la résistance du bolomètre sensible sous l'effet du flux de rayonnement électromagnétique de la scène .
Le courant issu de la différence entre le courant provenant du bolomètre sensible et du courant provenant du bolomètre insensible est converti en tension grâce à un intégrateur 30, qui peut être formé d'un amplificateur 40 et d'un condensateur d'intégration 50 de capacité Cint situé entre une entrée inverseuse et la sortie de l'amplificateur 40. Des moyens d'échantillonnage 80 peuvent être prévus en sortie de l'intégrateur 30.
Des dérives peuvent apparaître du fait des variations de température.
Pour compenser les variations de résistance des bolomètres, il est connu par exemple d'utiliser un module Peltier afin de maintenir la membrane 4 à une température constante. Un tel élément pose des problèmes notamment en termes de consommation, et de coût du capteur. Le document US 5 756 999 divulgue un dispositif de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant des éléments détecteurs de rayonnement électromagnétique dans lequel une régulation permettant de compenser les variations de température du substrat (est mise en œuvre.
Il se pose le problème de trouver un nouveau dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique, permettant de mettre en œuvre des mesures d'une précision améliorée, tenant compte des variations de rayonnement tout en limitant les effets des dérives en température.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L' invention concerne un dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant : - un ou plusieurs éléments détecteurs de rayonnement électromagnétique agencés selon une matrice et prévus pour délivrer un courant donné dépendant de l'intensité du rayonnement détecté, - des moyens de régulation prévus pour délivrer, à au moins un des dits éléments détecteurs, un potentiel de polarisation régulé en fonction des variations de température ambiante.
Les moyens de régulation comprennent : - au moins une source de courant formée d'au moins un détecteur de référence ou de plusieurs détecteurs de référence en parallèle, des moyens comparateurs, pour comparer une grandeur électrique dépendant du courant issu de la source de courant, avec une grandeur électrique de référence fixe et invariante à température ambiante, et produire en sortie un signal résultant de cette comparaison .
La grandeur électrique de référence peut être une tension de référence délivrée par des moyens générateurs de tension prévus de manière à délivrer une tension de référence de valeur prédéterminée invariante à température ambiante.
La grandeur électrique peut être un potentiel pris à une borne de moyens formant une résistance de référence de valeur Rtref prédéterminée et invariante à température ambiante.
Dans le cas d'une mesure thermique, les éléments détecteurs peuvent comprendre des bolomètres. Les détecteurs de référence peuvent être dotés d'une zone sensible au rayonnement électromagnétique .
Les détecteurs de référence peuvent être des détecteurs dotés d'une zone sensible du type de celle des éléments détecteurs.
Selon une possibilité de mise en œuvre, les détecteurs de référence peuvent être dotés d'une zone sensible au rayonnement électromagnétique, mais rendus insensibles à l'aide d'un écran audit rayonnement électromagnétique placé sur ou au-dessus de la zone sensible .
Les éléments détecteurs de la matrice peuvent être connectés à un circuit de lecture. Les détecteurs de référence ne sont quant à eux pas connectés audit circuit de lecture.
Les moyens régulateurs peuvent comprendre des moyens formant au moins un miroir de courant.
Le miroir de courant peut comprendre au moins un premier transistor ayant une grille connectée à celle d'un deuxième transistor, le deuxième transistor étant doté d'une grille connectée à son électrode de source et à ladite source de courant.
Les éléments détecteurs peuvent comprendre un transistor d'injection associé à un détecteur de rayonnement électromagnétique, le potentiel de polarisation régulé étant appliqué à la grille d'au moins un transistor d'injection. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre un exemple d'un détecteur thermique à bolomètre suivant l'art antérieur, - la figure 2, illustre un exemple d'agencement, suivant l'art antérieur, d'un capteur à bolomètre et de son circuit de lecture associé,
- la figure 3, illustre un exemple de dispositif microélectronique matriciel comprenant une pluralité de détecteurs à bolomètres associés à des bolomètres de référence,
- la figure 4, illustre un exemple de dispositif microélectronique suivant l'invention de régulation électrique tenant compte de la variation de l'état de polarisation des bolomètres de référence en température,
- les figures 5A-5B, illustrent des exemples d' agencements de bolomètres de références placés en périphérie d'une matrice de bolomètres dans un dispositif microélectronique suivant l'invention.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre. Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Une portion d'un exemple de dispositif microélectronique imageur doté d'une matrice de détecteurs de rayonnement électromagnétiques, en particulier des bolomètres, est représentée sur la figure 3 (seule une partie de colonne de l' imageur, étant représentée sur cette figure) . Ce dispositif microélectronique comprend une matrice M, de n rangées horizontales et de m rangées verticales de cellules élémentaires également appelées « pixels ».
Les cellules élémentaires sont dotées chacune d'au moins un capteur comportant un élément détecteur, qui peut comprendre un détecteur de rayonnement électromagnétique du type bolomètre. Le détecteur à bolomètre est alors sous forme d'une thermistance c'est-à-dire une résistance variant avec la température.
Sur la figure 3, des détecteurs 170i, ..., 170m, 17On à bolomètre de n colonnes de la matrice comportant chacune m bolomètres sont représentés.
Chaque détecteur 170i,...170m peut être associé à un transistor 180i,...180m dont la grille est polarisée à un potentiel Vpolreg, qui est un potentiel de polarisation régulé, afin de délivrer un courant de détection .
Des moyens interrupteurs 185i, ...185m, commandés par un signal d'adressage des lignes, c'est- à-dire des rangées horizontales de la matrice, sont dans cet exemple de réalisation, prévus en sortie du détecteur afin que celui-ci délivre le courant détecté à une colonne de la matrice, lorsque la rangée horizontale de la matrice à laquelle ce détecteur appartient est sélectionnée. Les moyens interrupteurs 185i, ...185m, peuvent être par exemple sous forme chacun d'un transistor, et permettent de connecter le bolomètre à un circuit de lecture 190 ou à des moyens de lecture 190 pendant une durée de capture. Une tension de polarisation Vdd appliquée aux bornes d'un bolomètre 170i, ..., 170m est constante pendant cette capture.
Ainsi, lorsque la température ambiante varie et que la scène change, c'est-à-dire que le rayonnement perçu par le capteur change, la résistance du bolomètre 170i, ..., 170m est susceptible de varier.
La variation de température ambiante, est compensée par une régulation du potentiel de polarisation Vpol_reg appliqué aux bolomètres
Figure imgf000011_0001
On cherche à rendre chacun des bolomètres le plus indépendant possible des variations de température ambiante, de sorte que chaque bolomètre délivre un courant variable uniquement en fonction des variations de flux infrarouge qu'il est destiné à mesurer .
Pour cela, un dispositif de régulation permettant de compenser les effets de la température ambiante sur la polarisation des bolomètres est mis en œuvre. Un exemple de dispositif de régulation est donné sur la figure 4.
Dans cet exemple, le dispositif de régulation est pourvu d'un ou plusieurs détecteurs 210 supplémentaires dits détecteurs de référence. Ces détecteurs de référence peuvent être des bolomètres de référence dont la résistance varie en fonction des variations de température ambiante.
Pour que cette variation de résistance corresponde à celle que peuvent subir les détecteurs 170i,...170n de la matrice M, les détecteurs de référence peuvent être dotés d'une zone sensible semblable à celle des détecteurs de la matrice.
Selon une première possibilité de mise en œuvre, le bolomètre de référence 210 peuvent avoir une structure identique à celle des bolomètres 170i, ..., 170m de la matrice. Dans ce cas les bolomètres de référence 210 diffèrent des autres bolomètres 170i, ..., 170m, par le fait qu' ils ne sont pas connectés au circuit de lecture 190. La variation de résistance de ces bolomètres de référence n'est alors exploitée qu'en vue de mettre en œuvre la régulation du potentiel Vpol_reg appliqué aux détecteurs 170i, ..., 170m.
Selon une deuxième possibilité de mise en œuvre, le ou les bolomètres de référence 210 peut ou peuvent avoir une structure différente de celle des bolomètres 170i, ..., 170m de la matrice. Dans ce cas, le ou les bolomètres de référence 210 peut ou peuvent être sous forme chacun d'un détecteur insensible au rayonnement électromagnétique environnant. Un détecteur insensible au rayonnement peut être mis en œuvre, par exemple à l'aide d'une couche formant écran au-dessus de, ou sur, la zone sensible de ce détecteur. Dans ce cas, les variations de scène n'ont pas d'influence sur ce détecteur, qui est en revanche avantageusement sensible aux variations de température ambiante.
Selon une autre possibilité de mise en œuvre, le ou les bolomètres de référence 210 peut ou peuvent être dits « thermalisés » et avoir une zone sensible, qui contrairement à un détecteur tel que par exemple donné sur la figure 1, comporte une zone sensible qui n'est pas maintenue à distance de son support et qui est jointe ou collée à ce dernier.
Une grandeur électrique, dans cet exemple, un courant Io issu de plusieurs bolomètres de référence mis en parallèles, de préférence n bolomètres de référence 210i,..., 21On de la matrice, est prélevée en un point 141 d'un circuit 140, afin d'obtenir une grandeur électrique représentative des dérives en température des n bolomètres de référence 210i,..., 21On. Le circuit 140 forme au moins un miroir de courant, dont le courant d'entrée est le courant Io représentatif de fluctuations de polarisation des bolomètres de référence dues à des variations de température ambiante. Les moyens formant un miroir de courant 140 peuvent être sous forme, par exemple, de deux transistors 142, 143, par exemple des transistors PMOS, dont le drain est relié à un potentiel d'alimentation Vdd, et dont les grilles sont reliées entre elles ainsi qu'à la source du transistor 142 du miroir de courant ainsi qu'au point 141 de prélèvement de la tension moyenne des bolomètres de référence 210i, ..., 21On.
En sortie du miroir de courant, un courant Ii image du courant Io, sensiblement égal à ce dernier, est représentatif des variations du potentiel V0.
La sortie du miroir de courant 140 est connectée à des moyens comparateurs 110, par exemple à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel agencé en comparateur. L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel est quant à elle mise à une tension de référence Vref . La tension de référence Vref est prévue de manière à être invariante dans une gamme de température donnée, en particulier à température ambiante. Par invariante, on entend qui ne varie pas ou peu dans ladite gamme de températures donnée, par exemple qui varie de moins de 10 mV.
La gamme de température donnée peut être comprise par exemple entre Tl= - 400C et T2= 85°C. La tension de référence Vref peut être délivrée par des moyens 120, tels que par exemple une architecture de type communément appelée bandgap qui peut être formée par exemple de transistors bipolaires, par exemple d'une manière telle que décrite dans le document : « Bandgap Référence Simulation Principles and Problems », Joerg Berkner, Oct . 2007.
Des moyens 130 formant une résistance de référence Rtref sont reliés à l'entrée inverseuse de l'amplificateur 100 et à la sortie du miroir 140. La résistance de référence Rtref est elle aussi prévue de manière à être invariante à température dans une gamme de température donné, en particulier à température ambiante. Par invariante, on entend qui ne varie pas ou peu dans la gamme de températures, par exemple qui varie de moins de 1 %. La gamme de température donnée peut être comprise par exemple entre T entre Tl= - 400C et T2= 85°C.
Les moyens 130 formant une résistance de référence Rtref peuvent être réalisés par exemple à l'aide d'un réseau de résistances en série, comprenant une ou plusieurs résistances à coefficient de température positif et une ou plusieurs résistances à coefficient de température négatif.
Un courant I2 résultant de la différence entre le courant Ii issu du miroir et du courant qui part dans la résistance Rtref, est appliqué sur l'entrée inverseuse du comparateur. Ce courant peut être ainsi injecté vers la grille d'un transistor MOS de la paire différentielle du comparateur (ledit transistor MOS et la paire différentielle n'étant pas représentés sur la figure 4), ce qui en fait fluctuer la tension de l'entrée inverseuse, cette tension étant comparée avec la tension de référence Vref appliquée sur l'entrée non-inverseuse.
Le résultat de cette comparaison est délivré en sortie du comparateur 110.
La sortie du comparateur délivre ainsi un potentiel Vpol_reg régulé.
Ce potentiel Vpol_reg régulé peut être appliqué à la grille de transistors 221 dit « d'injection », associés à chacun des bolomètres 170i, ..., 17On et situés en amont de ces derniers. Le potentiel Vpol_reg sert ainsi de potentiel de polarisation des bolomètres 170i, ..., 17On.
Un système bouclé du premier ordre peut être ainsi mis en œuvre. En imposant une tension régulée Vpol_reg de grille sur les transistors MOS d'injection 221, le courant moyen traversant les n bolomètres de référence 210i,..., 21On est égal à un courant de référence Iref prédéterminé, et qui dépend des valeurs de la résistance Rtref et du potentiel Vref. Les valeurs de la résistance Rtref et du potentiel Vref dépendent de l'application et du courant que l'on souhaite soustraire au courant de détection. Par exemple pour un courant de l'ordre de 5 μA, Vref peut être par exemple de l'ordre de 1.2 V et RTref par exemple de l'ordre de 240 kΩ.
Par la régulation effectuée, le courant des bolomètres 170i, ..., 17On peut être dé-corrélé de variations de température ambiante. Ainsi on compense les effets de la variation de la température ambiante, qui entraînent une variation de la résistance des bolomètres par une variation de la tension de grille des transistors d'injection 180i...l80m.
La tension Vpol_reg régulée peut servir de tension de polarisation globale de l'imageur complet doté de n x m pixels, chacun des pixels étant alors polarisé à l'aide de cette tension régulée en température. La tension Vpol_reg peut être ainsi appliquée aux transistors 180i, ..., 180m ou servir à former la tension appliquée aux transistors 180i, ..., 180m A l'aide de ce dispositif, on évite les effets de dérive en température dus par exemple à des effets d' échauffement d'un boitier dans lequel la matrice de détecteurs peut être contenue.
Sur la figure 5A, un agencement dans lequel au pied de la matrice M de détecteurs 170i, ..., 17On les détecteurs 210 de référence sont disposés, est donné.
Sur la figure 5B, un agencement particulier dans lequel la matrice M de détecteurs 170i, ..., 17On est entourée de détecteurs 210 de référence, est illustré.
Cet agencement permet de faire une régulation selon un meilleur moyennage, tenant compte de variations de températures tout autour de la matrice .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif microélectronique de mesure de rayonnement électromagnétique comprenant : - un ou plusieurs éléments détecteurs
(170i,..., 170m,..., 17On - 180i,..., 180m,..., 18On) de rayonnement électromagnétique agencés selon une matrice et prévus pour délivrer un courant donné dépendant de l'intensité du rayonnement détecté, - des moyens de régulation (110, 120, 130,
140, 210) prévus pour délivrer, à au moins un des dits détecteurs (170i, ..., 170m, ..., 17On) , un potentiel de polarisation régulé (Vpol_reg) en fonction des variations de température auquel le dispositif est soumis, les moyens de régulation comprenant : au moins une source de courant formée d'au moins un détecteur (210) de référence ou de plusieurs détecteurs de référence en parallèle, des moyens comparateurs (110), pour comparer une grandeur électrique (Vl) dépendant du courant issu de la source de courant, avec une grandeur électrique de référence (Vref) invariante à température ambiante et produire en sortie un signal résultant de cette comparaison.
2. Dispositif microélectronique selon la revendication 1, dans lequel la grandeur électrique de référence est une tension de référence (Vref) délivrée par des moyens générateurs de tension (120) prévus de manière à délivrer une tension de référence de valeur
(Vref) prédéterminée fixe et invariante à température ambiante .
3. Dispositif microélectronique selon la revendication 2, dans lequel la grandeur électrique (Vi) est un potentiel pris à une borne de moyens (130) formant une résistance de référence de valeur (Rtref) prédéterminée et invariante à température ambiante.
4. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 3, les moyens de régulation comprenant des moyens (142, 143) formant au moins un miroir de courant (140) .
5. Dispositif microélectronique selon la revendication 4, dans lequel le miroir de courant (140) comprend au moins un premier transistor ayant une grille connectée à celle d'un deuxième transistor, le deuxième transistor étant doté d'une grille connectée à son électrode de source et à ladite source de courant.
6. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les éléments détecteurs (170i, .. , 170m, , 17On) comprennent un transistor d'injection (180i, ..., 180m, ..., 18On) , le potentiel de polarisation régulé (Vpol_reg) étant appliqué à la grille d'au moins un transistor d' injection .
7. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 6, les détecteurs de référence étant dotés d'une zone sensible au rayonnement électromagnétique masquée par un écran.
8. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 7, les détecteurs de référence étant dotés d'une zone sensible semblable à celle des dits éléments détecteurs.
9. Dispositif microélectronique selon la revendication 1 à 8, dans lequel les éléments détecteurs sont connectés à un circuit de lecture
(190), les détecteurs de référence n'étant pas connectés audit circuit de lecture.
10. Dispositif microélectronique selon l'une des revendications 1 à 9, les éléments détecteurs (170i, ... , 170m, , 17On) comprenant des détecteurs de type bolomètre.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5756999A (en) 1997-02-11 1998-05-26 Indigo Systems Corporation Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array
US6444983B1 (en) * 1999-10-07 2002-09-03 Infrared Solutions, Inc. Microbolometer focal plane array with controlled bias
EP2012100A1 (fr) * 2007-07-02 2009-01-07 Ulis Dispositif de détection de rayonnement infrarouge à détecteurs bolométriques

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5756999A (en) 1997-02-11 1998-05-26 Indigo Systems Corporation Methods and circuitry for correcting temperature-induced errors in microbolometer focal plane array
US6444983B1 (en) * 1999-10-07 2002-09-03 Infrared Solutions, Inc. Microbolometer focal plane array with controlled bias
EP2012100A1 (fr) * 2007-07-02 2009-01-07 Ulis Dispositif de détection de rayonnement infrarouge à détecteurs bolométriques

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOERG BERKNER, BANDGAP REFERENCE SIMULATION PRINCIPLES AND PROBLEMS, October 2007 (2007-10-01)
SIMOENS F ET AL: "New IRCMOS architecture applied to uncooled microbolometers developed at LETI", PROCEEDINGS OF THE SPIE - THE INTERNATIONAL SOCIETY FOR OPTICAL ENGINEERING, SPIE, US, vol. 6542, 14 May 2007 (2007-05-14), pages 65421T - 1, XP002471078, ISSN: 0277-786X *

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