Патент на изобретение №2339011

(54) ТЕПЛОВОЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ДАТЧИК СО СХЕМОЙ СЧИТЫВАНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к микроэлектронике. Тепловой датчик включает матрицы однопиксельных микроболометров, инфракрасный поглощающий слой, по крайней мере, одно из опорных плеч для поддержания, не менее чем одного подвешенного диода, при этом, по крайней мере, одно из опорных плеч служит для передачи электрических сигналов. Датчик включает схему считывания с выходом по току, встраиваемую в каждую линейку, а в схему коммутатора строк включен для полной компенсации сопротивлений замкнутый ключ. Технический результат – повышение коэффициента преобразования. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к области интегральных микроболометров. Применяется в устройствах ночного видения, обнаружения источников возгорания, при анализе источников теплоты.

Микроболометрические неохлаждаемые датчики получили широкое распространение из-за низкой стоимости, высокой чувствительности широкого спектра принимаемого излучения.

Известен тепловой инфракрасный датчик и матрица на его основе [1], где каждый датчик содержит:

– подложку,

– температурный датчик, имеющий электрические характеристики, меняющиеся в соответствии с изменением температуры, вызванным поглощением инфракрасных лучей,

– теплоизолирующие опорные плечи, поддерживающие и теплоизолирующие указанный температурный датчик и содержащие сигнальные линии для считывания электрических сигналов с упомянутого выше температурного датчика,

– 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.

Однако в [1] не рассматриваются вопросы считывания информации, являющиеся важной характеристикой тепловых инфракрасных датчиков.

Наиболее близким техническим решением являются матрицы неохлаждаемых инфракрасных датчиков низкой стоимости на базе КМОП процесса [2], включающие:

матрицы однопиксельных микроболометров, где каждый из микроболометров содержит, по крайней мере, один диод,

инфракрасный поглощающий слой,

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,

– 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.

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.

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.

Для достижения указанного технического результата в матрицы неохлаждаемых инфракрасных датчиков низкой стоимости на базе КМОП процесса [2], включающие:

матрицы однопиксельных микроболометров, где каждый из микроболометров содержит, по крайней мере, один диод,

инфракрасный поглощающий слой,

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,

добавляют элементы, являющиеся отличительными признаками предлагаемого устройства:

– 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.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема считывания.

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).

Преимущества данной схемы

1. Высокая кругизна преобразования схемы – на сопротивлении нагрузки 50 кОм и токе 20 мкА она достигает 1 В/К.

2. Низкая чувствительность к напряжению питания и температуре окружающей среды, что обеспечивается одинаковостью геометрии и режимов всех транзисторов.

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.

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.

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.

6. Малое потребление схемы, равное потреблению всего двух источников тока.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого устройства.

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.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет достичь названный технический результат.

Литература

1. Патент США №7005644.

2. Патент Int. Cl. WO/2005/098380 (PCT/EPО05/051529).

Формула изобретения

1. Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания, включающий матрицы однопиксельных микроболометров, где каждый из микроболометров содержит, по крайней мере, один диод, инфракрасный поглощающий слой, 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, отличающийся тем, что 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.

2. Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания по п.1, в котором содержится кристалл, на котором располагаются все элементы схемы считывания.

3. Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания по п.2, в котором идентичные размеры, расположение и ориентация элементов схемы считывания обеспечивают их полную одинаковость при изготовлении методами интегральной технологии.

4. Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания по п.1, в котором в схеме считывания суммарная длина коммутируемых линий для токов и их сопротивления обеспечены одинаковыми для любого выбранного пикселя.

5. Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания по п.1, в котором в схеме считывания при выборе столбца и строки обеспечено одинаковое полное сопротивление линий коммутатора.

РИСУНКИ