ЯЧЕЙКА ТЕРМОПАРНОГО ПРИЕМНИКА ИК ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01L31/09 H01L27/146 G01J5/20 

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно, к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров.

Целью изобретения является повышение чувствительности термопарных приемников ИК изображения.

Известны ячейки термопарных кремниевых неохлаждаемых приемников ИК изображения [1, 2], в которых в качестве элемента, чувствительного к излучению в инфракрасной области спектра, используется термопарный сенсор в виде диэлектрической теплочувствительной мембраны, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих микроконсолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара «горячий спай» которой расположен на мембране, а ее «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Мембрана, нагреваясь под действием ИК излучения, повышает температуру «горячего спая», создавая термо-ЭДС между «холодными» контактами. Считывание термо-ЭДС, возникающей в термопаре за счет разности температур «горячего спая» и «холодных» контактов, осуществляется КМОП-схемами, интегрированными непосредственно в кристалл [3].

Отличительной особенностью термопарных сенсоров является то, что они, обладая высоким отношением сигнал/шум, характеризуются низким уровнем отклика на тепловое излучение. Соответственно, для достижения высокой чувствительности приемника ИК изображения на основе этих сенсоров необходимо обеспечить такое усиление сигнала в ячейке, при котором входной шум усилительного тракта приемника ИК изображения не снижал бы отношения сигнал/шум сенсора.

Конструкция термопарной сенсорной ячейки, наиболее часто используемой для реализации приемника ИК изображения рассмотрена в работе [4], а также детально описана в патентной заявке [5], которая выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Приведенные в этих источниках сенсорные ячейки содержат термопарный сенсор и транзистор выборки, осуществляющий коммутацию ячеек с предусилителем.

При организации на основе таких сенсоров матричных приемников ИК изображения необходимое начальное усиление сигнала осуществляется предусилителями, которые расположены на периферии кристалла по одному на каждую строку (столбец) матрицы. В кристалле ИК приемника изображения с числом элементов М×N, где М - число столбцов, а N - число строк, считывание сигнала, формируемого каждым пикселем матрицы за время кадра τ_ƒ, осуществляется методом мультиплексирования с последовательно выборкой столбцов (либо строк) матрицы. Такой способ мультиплексирования обеспечивает одновременную коммутацию элементов столбца (либо строки) с предусилителями сигналов в течении времени τ_ƒ/М (либо τ_ƒ/N). С увеличением числа элементов в приемнике время считывание сигнала предусилителями уменьшается, что приводит к увеличению полосы частот усилительного тракта и, соответственно, к возрастанию его шума и уменьшению чувствительности приемника.

В предлагаемом изобретении указанное ограничение снимается за счет включения в состав сенсора малошумящего каскада усиления сигнала, реализованного в виде усилителя с накачкой заряда, осуществляющего в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и его интегрирование.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности термопарного ИК приемника изображения за счет усиления сигнала сенсора при многократном его суммировании непосредственно в самой ячейке, обеспечивающим также и увеличение отношения сигнал/шум.

Указанный результат достигается за счет того, что в известную ячейку, содержащую термопарный сенсор и транзистор выборки введен усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.

Фиг. 1 иллюстрирует известную ячейку термопарного приемника ИК изображения (прототип) и схему организации матрицы ячеек ИК приемника изображения.

На фиг. 2 показана предлагаемая ячейка с термопарным сенсором и транзистором выборки, в состав которой включен усилитель с накачкой заряда, состоящий из трех полевых электродов G_B, G_TS, G_c с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда D_i, транзистора предустановки Т2 и входного транзистора Т3 истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра τ_ƒ приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала V_TS термопарного сенсора в заряд и интегрирование последнего на емкости C_sum затвора входного транзистора Т3.

На фиг. 3 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование ячейки, представленной на фиг. 2.

Ячейка на фиг. 2 функционирует следующим образом (фиг. 3).

1. Термопарный сенсор TS, включенный между электродами G_B и G_TS, создает между ними малую разность потенциалов V_TS, генерируемую сенсором TS под действием ИК излучения. Электроды G_B и G_TS смещены напряжением V_B, формирующим в приповерхностных областях полупроводниковой подложки под этими электродами области инверсии проводимости. В начале кадра в момент времени τ₁ диод D_i инжекции-сброса заряда смещен в обратном направлении, выходной электрод G_c заперт (Ф_set=0), а импульс напряжения Ф_set на затворе транзистора предустановки Т2 заряжает емкость C_sum, равную сумме емкостей затвора транзистора Т3 и истока S_T2 транзистора Т2, до потенциала V_DD. Ячейка приходит в исходное состояние.

2. В момент времени t=τ₂ диод D_i инжекции-сброса заряда смещается в прямом направлении (Ф₁=0), инжектируя за время заряд под электроды G_B и G_TS и переходя затем в момент времени t=τ₂+τ_i в обратно смещенное состояние. При этом под электродом G_TS остается часть инжектированного заряда ΔQ_n=C_TSV_TS, где C_TS - емкость электрода G_TS.

3. В момент времени t=τ₃ открывается электрод G_c и происходит считывание заряда ΔQ_n на емкость C_sum, уменьшая потенциал затвора транзистора Т3 на величину

4. Циклы преобразования информационного сигнала V_TS в заряд и его считывание, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз. За счет этого в течение времени кадра τ_ƒ осуществляется n-кратное суммирование заряда на емкости C_sum и уменьшение

потенциала затвора транзистора Т3 на величину после чего на транзистор выборки подается импульс напряжения Ф_reset, производящий считывание интегрированного информационного сигнала на вход внешнего предусилителя. Таким образом, коэффициент усиления ячейки, приведенный ко входу истокового повторителя, составляет величину, равную:

Для термопарного сенсора V_TS=αΔT_TS, где α - коэффициент Зеебека, достигающий для сенсора с термопарами из поликристаллического кремния величины 300 мкВ/К, а ΔT_TS - разность температур между «горячим» спаем и «холодными» контактами термопары. Формируемая на мембране сенсора разность температур ΔT определяется его теплофизическими параметрами и величиной поглощенного теплового излучения:

где G - теплопроводность термопары, ΔР - мощность поглощенного сенсором теплового излучения, - постоянная времени, характеризующая время реакции мембраны сенсора на изменение мощности теплового излучения, С - теплоемкость мембраны [Дж/K]. Стационарное значение ΔT_TS определяется следующим выражением:

где h_t - толщина термопары, g_t - удельная теплопроводность материала (поликремний) термопары, Δp - поглощенная единицей площади мембраны избыточная мощность излучения абсолютно черного тел, w - ширина термопары, L - длина одного плеча термопары, А - площадь теплоприемной мембраны сенсора. Здесь учтено, что теплопроводность термопары складывается из теплопроводностей каждого из двух плеч термопары и, соответственно, равна

Принимая во внимание, что (Δp/ΔT)=ηqj, где ΔT - изменение температуры тепловой сцены, η - доля поглощаемого теплоприемной мембраной падающего излучения, q - оптический фактор, равный q=Ht_o/4, где H - светосила, t_o - пропускание объектива, а j≈2,62 Вт/м²⋅К для диапазона 8÷14 мкм, получим:

Тогда для сенсора с поликремниевой термопарой и параметрами, которые можно реализовать МЭМС-технологией с проектными нормами 0,35 мкм, а именно, h_t=0,2 мкм, w_t=2 мкм, А≅2500 мкм², L≅60 мкм, а также с учетом g_t=25 Вт/м⋅К, η=0,8, H=1, t_o=0,9, получим:

и, соответственно,

Исходя из этого, при тепловом рельефе сцены порядка 80K необходимо воспроизводить сигналы от сенсора до значений V_TS≈100 мкВ.

Полагая с учетом величины напряжении питания V_DD=3,0 В максимальный диапазон изменений потенциала суммирующей емкости C_sum равным ΔV_sum=1,0 В, а также учитывая технологически возможное соотношение получим для максимального число циклов n_max:

Соответственно, максимальный коэффициент усиления, реализуемый предлагаемой ячейкой в этом случае, будет равен:

При этом соотношение сигнал/шум по сравнению с прототипом может быть увеличено до максимальной величины, равной что существенным образом снижает требования к усилителям на периферии кристалла.

Источники информации

1. Патент США № US 8,592,765 В2

2. Патент США № US 6,163,061

3. Патент США № US 7842922

4. М. Hirota, Y. Nakajima, М. Saito, F. Satou, M. Uchiyama, 120×90 Element Thermopile Array Fabricated with CMOS Technology, Proceedings of SPIE Vol. 4820 (2003), pp. 239-249.

5. Европейская патентная заявка № ЕР 2312286 A1

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров. Ячейка термопарного приемника ИК изображения содержит термопарный сенсор, транзистор выборки и усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего емкостью входного транзистора истокового повторителя. Изобретение обеспечивает существенное увеличение чувствительности термопарного приемника ИК изображения. 3 ил.

Ячейка термопарного приемника ИК изображения, содержащая термопарный сенсор и транзистор выборки строки, отличающаяся тем, что с целью повышения чувствительности в ячейку введен усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего емкостью входного транзистора истокового повторителя.