具有温度自适应偏置的辐射热检测器制造技术

本发明专利技术涉及具有温度自适应偏置的辐射热检测器。一种红外检测器，包括检测辐射热测量计的阵列（12），每个检测辐射热测量计包括悬置在基底上方的测辐射热膜，以及与辐射热测量计中的每一个相关联的：检测支路，包括辐射热测量计和根据电压设定点来执行偏置的电路；补偿支路，包括热化至基底的补偿辐射热测量计和根据电压设定点来执行偏置的电路；以及积分器，用于通过对流经支路的电流之差进行积分来生成电压。装置包括用于控制电压设定点的电路（50），其具有用于生成取决于基底温度的量的电路（44、46）以及用于根据量来生成电压设定点的电路（48）。

【技术实现步骤摘要】
具有温度自适应偏置的辐射热检测器
本公开内容涉及辐射热红外成像和高温测量的领域。更具体地，本专利技术涉及一种辐射热检测器，其包括由悬置在基底上方的膜形成的辐射热测量计的阵列。
技术介绍
在所谓的“热”红外检测器的领域，已知的是使用能够在环境温度下进行操作的、对红外辐射敏感的一维或二维元件阵列。热红外检测器一般根据其温度使用所谓的“测温”或“测辐射热”的材料的物理量的变化。最近，该物理量是所述材料的电阻率，其强烈依赖于温度。检测器的单位敏感元件或“辐射热测量计”通常为膜的形式，每个膜包括一层测温材料，并且经由具有高热电阻的支承臂而悬置在通常由硅制成的基底上方，悬置膜的阵列通常被称为“视网膜”。特别地,这种膜实现入射辐射吸收功能、将所吸收的辐射的功率转化为热功率的功能、以及将所生成的热功率转换为测温材料的电阻率的变化的测温功能，这样的功能由一个或更多个不同的元件实现。此外，膜的支承臂也是传导性的并且连接至所述膜的测温层，通常在上方悬置有膜的基底中形成有:用于依次对膜的测温元件进行寻址和加偏压的装置以及用于以视频格式形成有用电信号的装置。基底和所集成的装置通常被统称为“读取电路”。通常在非常低的压力下将检测器的读取电路和敏感视网膜集成在密封封装中，该密封封装设置有对感兴趣的辐射(其通常具有在8微米至14微米范围内的波长)透明的窗。此范围对应于大气的透明窗并且与源于300K附近的场景的大部分辐射相对应。为了通过这样的检测器获得热或高温测量图像，通过自适应光学系统将场景聚焦到其上布置有视网膜的焦平面，并且经由读取电路向辐射热测量计中的每个辐射热测量计或这样的辐射热测量计的每行施加定时电刺激，以获得形成由所述基本检测器中的每个检测器达到的温度的图像或测量值的Video (视频)电信号。该信号可以直接由读取电路以或多或少复杂的方式进行成形，然后以模拟或数字的形式被传输到在封装外部的电子系统。该电子系统通常对由检测器传递的每个视频帧施加各种校正，特别是校正空间偏移和增益色散(称为“NUC”(非均匀校正))，以生成能够被显示的热图像或高温测量图像，或者更通常地供从所观察场景形成的信号的使用。这样的检测器在制造成本和使用方面具有许多优点，但也具有在缺少具体预防措施时可能限制其性能的缺点。更具体地，当基底温度变化之后、特别是外部条件变化时，产生在辐射热测量计的输出端处的平均信号漂移的问题，这基本上反映为通过集成系统元件热传导直到基底层级，其限定了敏感膜的平均温度。现在，公知的是，辐射热测量计对例如基底温度的l°c变化的灵敏度通常是对所观察场景的l°c温度变化的灵敏度的五十至一百倍。因此，在没有具体预防措施的情况下，关于场景的有用信号被淹没在不感兴趣的此背景成分中。为了避免此缺陷，在环境温度下操作的辐射热检测器自其产业化发展起就已经被装配有基底温度稳定模块，通常为帕尔贴(Peltier)模块(TEC，“热电冷却器”)。通过焦耳效应调节成与基底保持热连续的电阻元件也提供了满意的温度稳定性，即使不具有主动冷却能力也如此。然而，这样的装置使部件更复杂且更昂贵，并且暗示在环境温度远离所选择稳定温度时始终较高的电功率消耗。然而，这样的辐射热检测器的制造成本和实现辐射热检测器的系统的电功率消耗正是这样的检测器的主要问题。实际上，趋势为不具有热稳定系统，因而必须解决基底温度变化对信号稳定性的不利影响的问题。通常实施的解决方案为:在用于形成与成像辐射热测量计(如此称呼，原因在于其对入射电磁辐射敏感)的温度有关的信号的电子电路中，布置补偿焦平面温度(FPT)、自身辐射热的元件，即，使其电行为跟随基底温度但对辐射基本上不敏感的元件。这一结果例如通过如下而获得的:借助于通过构造而提供朝向基底的低热电阻的测辐射热结构，和/或通过将这些结构掩蔽在不传导热辐射的防护物后面。使用这种补偿元件还具有消除源于成像(也称为“活跃”)辐射热测量计的大部分所谓共模电流的优点。此外，需要通常小于50mK (豪开尔文)的热分辨率(能够与场景的背景层水平分离的最小温度差距)。辐射和光学的定律规定在场景与基本辐射热测量计的膜之间该温度差的衰减因子在50至100的范围内。敏感元件通常具有约-2%每度的电阻温度系数(TCR)；这些不同的比例因子导致需要区分小于2X10_5 (20PPM)的电阻相对变化。因允许在恒定偏压下的电阻读取模式，从而必须区分每个测辐射热电阻器两端的电流的细微变化。为了实现这一点，必需消除独立于场景的大多数所谓共模信号，以有效地描述与所观察的场景有关的空间和时间变化，并且这在读取电路的可用电气动态范围内。图1是现有技术的不具有温度调节或“无TEC”检测器的辐射热检测器10的电气图，其包括共模补偿结构；并且图2是用于形成共模补偿检测器的辐射热测量计的读取信号的电路的电气图。这种检测器例如在如下文献中进行描述:“Uncooled amorphoussilicon technology enhancement for25um pixel pitch achievement” ；E.Mottin etal，Infrared Technology and Application XXVIII，SPIE，vol.4820E。检测器10包括具有相同单位辐射热检测元件14或“像素”的二维阵列12，每个单位辐射热检测元件14均包括悬置在衬底上方的膜的形式的(如之前所描述的)、且具有电阻Rac的敏感电阻辐射热测量计16。每个辐射热测量计16在其端子中之一处连接至恒定电压VDET，特别地为检测器10的地，并在其另一端子处连接至以饱和状态进行操作的偏置MOS晶体管18，例如NMOS晶体管，其借助于栅极控制电压GAC来设定辐射热测量计16两端的电压Va。。如果A表示对应于M0S18的源极的节点并且如果VA为该节点处的取决于栅极电压GAC的电压，则电压Vae等于Vac=VA-VDET。像素14还包括选择开关20，该选择开关20连接在MOS晶体管18与针对阵列12的各列所设置的节点S之间并且由控制信号“选择”驱动，从而能够选择辐射热测量计16进行读取。晶体管18和开关20通常在基底中形成在辐射热测量计16的膜的足迹中。元件16和18形成所谓的检测支路。特别地，由于像素是相同的，并且对于所有像素而言一方面电压VDET并且另一方面电压GAC是相同的，所以辐射热测量计16在相同的电压Va。下被电压偏置。此外，栅极电压GAC是恒定的，因此电压Va。也是恒定的。检测器10还包括在阵列12中的每列的底部的补偿结构22，通常也被称为“掠过(skimming)”结构。如之前所描述的，检测辐射热测量计16的电阻值在很大程度上受基底温度支配。因而，流经检测辐射热测量计16的电流包括依赖于基底温度且独立于所观察的场景的大量分量。补偿结构22具有输送电流以用于部分或完全补偿此分量的功能。在本专利技术的含义中，检测辐射热测量计16的受基底温度支配的电流分量被表示为“共模检测电流”。由补偿结构22为了补偿共模检测电流而生成的电流被称为“共模补偿电流”。结构22包括补偿热辐射测量计24，其具有电阻Rem，且使其对源于待观察的场景的入射辐射不敏感。辐射热测量计24是借助于与辐射热测量计16相同的测本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测红外辐射的辐射热检测器，包括检测辐射热测量计（16）的阵列（12），每个检测辐射热测量计（16）包括悬置在基底上方的测辐射热膜，所述辐射热检测器包括：●与所述检测辐射热测量计（16）中的每一个相关联的：检测支路，所述检测支路包括所述检测辐射热测量计（16）和根据电压设定点来设定所述检测辐射热测量计（16）两端的电压的偏置电路（18）；补偿支路，所述补偿支路包括基本上具有基底温度的补偿辐射热测量计（24）和用于根据电压设定点来设定所述补偿辐射热测量计（24）两端的电压的偏置电路（26）；以及积分器（30、32），所述积分器（30、32）用于通过对流经所述检测辐射热测量计（16）和所述补偿辐射热测量计（24）的电流之间的差进行积分来生成电压，所述积分器具有预定的电气输出动态范围；●电路（50），所述电路（50）用于控制所述检测支路和所述补偿支路的偏置电路的电压设定点，其中，所述电压设定点控制电路（50）包括：●用于生成取决于基底温度的量的电路（44、46），包括：基本上具有所述基底温度的至少一个辐射热测量计（44）；以及用于偏置所述至少一个辐射热测量计的电路（46），所述偏置所述至少一个辐射热测量计将生成所述量；●电路（48），所述电路（48）用于根据所述量来生成所述检测支路和所述补偿支路的电压设定点，使得当所述辐射热测量计阵列（12）暴露于均匀参考场景时，流经所述检测辐射热测量计的电流和流经所述补偿辐射热测量计的电流之间的差的平均值或“连续电平”在基底温度‑30℃至90℃之间的范围内时处于积分器动态范围内。...

【技术特征摘要】
2013.02.22 FR 13515831.一种用于检测红外辐射的辐射热检测器，包括检测辐射热测量计(16)的阵列(12)，每个检测辐射热测量计(16)包括悬置在基底上方的测辐射热膜，所述辐射热检测器包括: ?与所述检测辐射热测量计(16)中的每一个相关联的: 々检测支路，所述检测支路包括所述检测辐射热测量计(16)和根据电压设定点来设定所述检测辐射热测量计(16)两端的电压的偏置电路(18);々补偿支路，所述补偿支路包括基本上具有基底温度的补偿辐射热测量计(24)和用于根据电压设定点来设定所述补偿辐射热测量计(24)两端的电压的偏置电路(26);以及今积分器(30、32)，所述积分器(30、32)用于通过对流经所述检测辐射热测量计(16)和所述补偿辐射热测量计(24)的电流之间的差进行积分来生成电压，所述积分器具有预定的电气输出动态范围； ?电路(50)，所述电路(50)用于控制所述检测支路和所述补偿支路的偏置电路的电压设定点， 其中，所述电压设定点控制电路(50)包括: ?用于生成取决于基底温度的量的电路(44、46 ),包括: 々基本上具有所述基底温度的至少一个辐射热测量计(44)；以及+用于偏置所述至少一个辐射热测量计的电路(46)，所述偏置所述至少一个辐射热测量计将生成所述量； ?电路(48)，所述电路(48)用于根据所述量来生成所述检测支路和所述补偿支路的电压设定点，使得当所述辐射热测量计阵列(12)暴露于均匀参考场景时，流经所述检测辐射热测量计的电流iT和流经所述补偿辐射热测量计的电流之间的差的平均值或“连续电平”在基底温度_30°C至90°C之间的范围内时处于积分器动态范围内。2.根据权利要求1所述的辐射热检测器，其中，用于生成所述电压设定点的电路(48)生成电压设定点，使得: ?流经所述检测辐射热测量计(16)的电流/:实时地遵循根据以下关系式的定律: 3.根据权利要求1或2所述的辐射热检测器，其中，用于生成所述电压设定点的电路(48)生成电压设定点，使得流经所述检测辐射热测量计(16)的电流/=与流经所述补偿辐射热测量计(24)的电流7?之间的比率Imc ac/Inic cm等于: 4.根据权利要求2或3所述的辐射热检测器，其中，函数f2(FPT)为第二级，特别是低于 0.1。5.根据权利要求2、3或4所述的辐射热检测器，其中，函数f2(FPT)根据所述基底的温度FPT增加。6.根据权利要求2所述的辐射热检测器，其中，函数f1 (FPT)根据所述基底的温度FPT增加。7.根据前述权利要求中任一项所述的辐射热检测器，其中，用于生成取决于所述基底温度的量的电路(48)包括: ?包括第一支路和第二支路的电流镜(541、561)，每个支路包括输入端和输出端； ?连接至所述电流镜(541、561)的第一支路的输入端的恒流源(563)； ?连接在所述电流镜(541、561)的第一支路的输出端与第一;〖亘定电位(510 )之间的第一电阻器(512c、562)，所述第一电阻器(512c、562)包括:基本上具有所述基底温度并且具有与所述检测辐射热测量计(16)的电阻基本上相同的电阻的第一辐射热测量计(512c);以及与所述第一辐射热测量计(512c)串联连接的非测辐射热电阻器(562)； ?连接在所述电流镜(541、561)的第二支路的输出端与所述第一恒定电位(510)之间的第二电阻器(512b)，所述第二电阻器(512b)包括与所述第一辐射热测量计(512c)基本上相同的第二辐射热测量计，在所述电流镜(541、561)的第二支路中流动的电流形成所述量；以及 ?连接在所述电流镜(541、561)的第二支路(54)的输入端与第二恒定电位(550)之间的第三电阻器(522b、542)。8.一种用于检测红外辐射的辐射热检测器，包括检测辐射热测量计(16)的阵列(12)，每个检测辐射热测量计(16)包括悬置在基底上方的测辐射热膜，所述辐射热检测器包括: ?与所述检测辐射热测量计(16)中的每一个相关联的: 々检测支路，所述检测支路包括所述检测辐射热测量计(16)和根据电压设定点来设定所述检测辐射热测量计(16)两端的电压的偏置电路(18); 々补偿支路，所述补偿支路包括基本上具有基底温度的补偿辐射热测量计(24)和用于根据电压设定点来设定所述补偿辐射热测量计(24)两端的电压的偏置电路(26);以及 +积分器(30、32)，所述积分器(30、32)用于通过对流经所述检测辐射热测量计(16)和所述补偿辐射热测量计(24)的电流之间的差进行积分来生成电压，所述积分器具有预定的电气输出动态范围； ?电路(50)，所述电路(50)用于控制所述检测支路和所述补偿支路的偏置电路的电压参考，其中，用于控制电压设定点的电路(50)包括: ?用于生成取决于基底温度的量的电路(44、46 ),包括: 々基本上具有所述基底温度的至少一个辐射热测量计(44)；以及+用于偏置所述至少一个辐射热测量计的电路(46)，所述偏置所述至少一个辐射热测量计将生成所述量； ?电路(48)，所述电路(48)用于根据所述量来生成所述检测支路和所述补偿支路的电压设定点，所述电路包括: 今包括第一支路和第二支路的电流镜(541、561)，每个支路包括输入端和输出端； 今连接至所述电流镜(541、561)的第一支路的输入端的恒流源(563)； 々连接在所述电流镜(541、561)的第一支路的输出端与第一;〖亘定电位(510 )之间的第一电阻器(512c、562)，所述第一电阻器(512c、562)包括:基本上具有所述基底温度并且具有与所述检测辐射热测量计(16)的电阻基本上相同的电阻的第一辐射热测量计(512c);以及与所述第一辐射热测量计(512c)串联连接的非测辐射热电阻器(562)； 今连接在所述电流镜(541、561)的第二支路的输出端与所述第一;〖亘定电位(510)之间的第二电阻器(512b)，所述第二电阻器(512b)包括与所述第一辐射热测量计(512c)基本上相同的第二辐射热测量计，流经所述电流镜(541、561)的第二支路的电流形成所述量；以及 々连接在所述电流镜(541、561)的第二支路的输入端与第二恒定电位(550 )之间的第三电阻器(522b、542)。9.根据权利要求7或8所述的辐射热检测器，其中，所述第一电阻器(512c、562)中的非测辐射热电阻(562)能够在预定参考温度下在所述第一电阻器(512c、562)的辐射热测量计(512c)的电阻值的O至30%之间的值的范围内进行编程。10.根据权利要求9所述的检测器，其中，所述第一电阻器(512c、562)中的非测辐射热电阻(562)被设定为特定值，使得所述检测辐射热测量计(16)的响应度在所述基底温度的预定温度范围内基本上恒定。11.根据权利要求10所述的检测器，其中，形成所述第一辐射热测量计的测辐射热材料的活化能接近0.18eV，并且所述第一电阻器(512c、562)中的非测辐射热电阻(562)的值接近所述第一电阻器(512c、562)中的辐射热测...

【专利技术属性】
技术研发人员：米歇尔·维兰，帕特里克·罗伯特，
申请(专利权)人：ULIS股份公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR