УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ БОЛОМЕТРИЧЕСКИХ ДЕТЕКТОРОВ СО СХЕМОЙ КОМПЕНСАЦИИ НЕОДНОРОДНОСТИ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ЭФФЕКТ САМОРАЗОГРЕВА Российский патент 2021 года по МПК G01J5/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при изготовлении устройств, детектирующих излучение в инфракрасном диапазоне.

Уровень техники

Из существующего уровня техники по патенту US 5286976 А, 15.02.1994 «Microstructure design for high IR sensitivity» известно применение устройств, называемых детекторами, характеризующихся изменением значения некоторой физической величины при изменении температуры детектора вследствие поглощения им инфракрасного излучения, в частности для болометрического детектора данной физической величиной является его электрическое сопротивление. Устройства для получения одно- и двухмерного изображения используют соответствующие матрицы подобных детекторов. Обычно матрицы болометрических детекторов выполняются на подложке, в общем случае из кремния, содержащей интегрально выполненные средства для измерения значений требуемой физической величины каждого детектора с последующим выводом полученных значений в виде электрических сигналов. Измерение значений требуемой физической величины детекторов матрицы может происходить последовательно, одновременно, а также возможно одновременное измерение значений детекторов, входящих в группу, объединенных по некоторому признаку, например, по принадлежности к одной строке, с последовательным измерением таких групп.

В случае двухмерных матриц болометрических детекторов получило распространение построчное измерение значений электрических сопротивлений, при этом в заданном интервале времени одновременно замеряются значения сопротивлений всех детекторов заданной строки, усиливаются и последовательно передаются на выход с заданным коэффициентом усиления. В следующий аналогичный интервал времени производится измерение и последовательный вывод значений сопротивлений всех детекторов, входящих в следующую строку. Данный процесс продолжается до тех пор, пока не будут поочередно замерены и переданы на выход значения сопротивлений всех строк болометрической матрицы. Данные значения формируют кадр тепловизионного изображения.

Сложностью, связанной с регистрацией инфракрасных изображений, является сравнительно малое изменение температуры «активного» болометра вследствие поглощения инфракрасного излучения на фоне изменения температуры подложки в целом, связанного с саморазогревом от протекающих токов, колебаниями температуры окружающей среды и другими внешними факторами. Для решения этой проблемы в болометрических матрицах используют компенсационные структуры, которые содержат так называемые «термозакороченные» болометры. «Термозакороченные» болометры конструктивно выполняются таким образом, чтобы их температура была максимально близка к температуре подложки, а их температурный коэффициент сопротивления соответствовал температурному коэффициенту сопротивления «активных» болометров.

При построчном считывании значений сопротивлений «активных» болометров необходимое количество компенсационных структур равняется количеству столбцов матрицы. Типовая схема считывания описывается, например, в следующих статьях:

- «Uncooled amorphous silicon TEC-less VGA IRFPA with 25 μm pixel-pitch for high volume applications», C. Minassian, J.L. Tissot, M. Vilain, O. Legras; Infrared Technology and applications XXXIV, SPIE vol. 6940, 2008;

- «320 × 240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric and process control applications», B. Fieque et al; Optical Systems Design Conference, SPIE 5251, 2003.

На фиг. 1 приводится типовая схема считывания. Для определенности следует уточнить, что в данной схеме V_∂em1 > V_∂em2, в противном случае изменятся типы транзисторов 16 и 17, а также направления протекания токов. КМОП-транзисторы 16 и 17, объединенные стоками в узле 23, работают в режиме насыщения и задают номинальные токи, протекающие через «активный» 15 и «термозакороченный» 18 болометры соответственно. Величина тока, равная алгебраической разнице токов, протекающих через «активный» 15 и «термозакороченный» 18 болометры подается на вход интегратора тока 5, выполненного на основе операционного усилителя 20 и подключенного к нему в обратную связь конденсатора 19, также называемого емкостью интегрирования. Опорное напряжение операционного усилителя V_оп лежит в диапазоне: V_∂em1 > V_on > V_∂em2. Данная схема присутствует в каждом столбце матрицы, причем количество «активных» болометров 15, транзисторов 16 и ключей выбора строки 1 в каждом столбце равно количеству строк матрицы.

Так как транзисторы 16 и 17 работают в режиме насыщения, их токи задаются выражениями:

где V₁₅ - напряжение на «активном» болометре; V_cм1 - напряжение смещения транзистора 16; V_зи16 - напряжение затвор-исток транзистора 16; R₁₅ - сопротивление «активного» болометра 15; V₁₈ - напряжение на «термозакороченном» болометре 18; V_см2 - напряжение смещения транзистора 17; V_зи17 - напряжение затвор-исток транзистора 17; R₁₈ - сопротивление «термозакороченного» болометра 18.

Напряжения V_cм1 и V_см2 подбираются таким образом, чтобы при отсутствии внешнего излучения для болометров с номинальными электрическими сопротивлениями выполнялось равенство для тока на входе интегратора:

где I_16ном (T₀) и I_17ном (Т₀) ^_ токи через «активный» 15 и «термозакороченный» 18 болометры соответственно при номинальных значениях сопротивлений болометров при температуре Т₀.

Напряжения V_cм1 и V_см2 требуют высокой точности и устанавливаются одинаковыми для всех «активных» и «термозакороченных» болометров соответственно. На современном уровне техники данные напряжения формируются цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) с разрядностью не менее 14. При изменении температуры кристалла требуется коррекция напряжений V_cм1 и V_см2 для сохранения номинальных значений токов I₁₆, I₁₇. Таким образом, для известного температурного диапазона работы инфракрасного фотоприемного устройства требуется таблица наборов значений напряжений V_cм1 и V_см2 для каждого интервала температур, на которые разбивается заданный температурный диапазон работы. Чем меньше температурный интервал, в котором используются фиксированные напряжения V_cм1 и V_см2, тем меньше изменение токов I₁₆, I₁₇ при изменении температуры. В современной технике принято выбирать подобные температурные интервалы от 5°С до 15°С.

Известной сложностью, связанной с регистрацией инфракрасных изображений, является разброс фактических значений сопротивлений болометров по полю матрицы, вызванный флуктуациями технологического процесса изготовления. Данный разброс значений сопротивлений значительно превышает изменение сопротивления, связанное с изменением температуры вследствие поглощения инфракрасного излучения. На практике это приводит к тому, что при считывании болометров, имеющих отличное от номинального значение электрического сопротивления, в отсутствии внешнего инфракрасного излучения наблюдается некоторый ток I_инm0, определяемый выражением:

где ΔI₁₆ - изменение тока I₁₆, вызванное отклонением сопротивления «активного» болометра 15 от номинального, а ΔI₁₇ - изменение тока I₁₇, вызванное отклонением сопротивления «термозакороченного» болометра 18 от номинального.

Токи ΔI₁₆ и ΔI₁₇, а так же их суммарный ток I_инт0 могут быть как втекающими, так и вытекающими из интегратора. Для упрощения дальнейших рассуждений будем считать, что ток ΔI₁₆ втекает в интегратор, а ток ΔI₁₇ - вытекает из него.

Данная проблема может решаться при внешней обработке выходного сигнала известными методами одно- и двухточечной коррекции, описанными в статье "Long Wavelength Infrared 128×128 Alx Gal-x As/GaAs Quantum Well Infrared Camera and Imaging System", C. G. Bethea, IEEE Transactions On Electron Devices, Vol. 40, No. 11, November 1993, pp. 1957-1963. Недостатком этого решения, используемого в чистом виде, является то, что электрический диапазон выходного сигнала обычно ограничен напряжением питания устройства, в связи с чем возникает необходимость ограничения усиления схемы таким образом, чтобы полученные значения напряжения V_ВЫХ не выходили из динамического диапазона выходного сигнала. В связи с этим целесообразно делать компенсацию смещения нулевого уровня, вызванную неоднородностью болометров, непосредственно в устройстве считывания сигналов матрицы, причем до интегрирования разностного тока I_инm.

Наиболее близким техническим решением - прототипом, является устройство, описанное в патенте RU 2679272, 06 февраля 2019 года, «Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе матрицы болометрических детекторов со схемой компенсации неоднородности». В прототипе предложено ввести источник опорного тока системы компенсации 4 (фиг. 2), содержащий два «термозакороченных» болометра 6 и 9 с заданным соотношением значений номинальных сопротивлений (R₆ < R₉), ток через которые задается транзисторами 7 и 8, в точности повторяющими транзисторы 16 и 17, задающие ток через «активные» и «термозакороченные» болометры матрицы соответственно. Полученный опорный ток компенсации 1_комn0, размноженный с помощью средства копирования опорного тока 3, состоящего из токовых зеркал на транзисторах 10, 11 и 13, смещает токовые ЦАП (29), расположенные в каждом канале считывания, состоящие из транзисторов 12, 14 и набора ключей 21 и 22, управляемых цифровым кодом компенсации со знаковым разрядом, определяющим направление компенсации. При считывании сигнала каждого «активного» болометра 15 токовые ЦАП (29) корректируют ток на входе интегратора, возникающий вследствие отклонения значений сопротивлений как «активного» болометра 15, так и соответствующего ему «термозакороченного» болометра 18.

При калибровке для каждого «активного» болометра индивидуально подбирается значение коэффициента тока компенсации к при котором, с точностью до младшего разряда компенсации, выполняется равенство:

где k - коэффициент компенсации (может быть как положительный, так и отрицательный),

Ι_комп0 - опорный ток компенсации.

Зависимость электрического сопротивления болометрического материала от температуры определяется выражением:

где R(T₀+ΔΤ) - сопротивление болометра при температуре (Т₀+ΔΤ), Т₀ - температура калибровки, ΔT - отклонение температуры от температуры калибровки, - сопротивление при температуре калибровки, α - температурный коэффициент сопротивления.

В предложенной схеме опорный ток компенсации при изменении температуры определяется выражением:

где I₇ и I₈ - токи, протекающие через «термозакороченные» болометры 6 и 9 соответственно.

С учетом того, что транзисторы 7 и 8 работают в режиме насыщения, ток, формируемый токовыми ЦАП схемы компенсации, определяется выражением:

где R₆(T₀) и R₉(T₀) - сопротивления «термозакороченных» болометров 6 и 9 при температуре (Т₀).

Токи, протекающие через «активный» и «термозакороченный» болометры, определяются выражениями:

где I₁₆(T₀)и I₁₇(Т₀) - токи, протекающие через «активный» болометр 15 и «термозакороченный» болометр 18 соответственно, при температуре T₀.

Однако, при считывание сигнала «активного» болометра, его температура будет увеличиваться вследствие протекающего тока считывания, в отличии от «термозакороченного» болометра, температура которого всегда приблизительно равна температуре подложки в силу высокой теплопроводности между ним и подложкой.

Мощность, выделяемая на «активном» болометре 15 от тока считывания, определяется выражением:

где t_инт - время, в течении которого через «активный» болометр 15 пропускается ток считывания, определяемое временем замыкания ключа 1, ΔТ_сч - изменение температуры, вызванное протекающим током считывания.

Уравнение теплового баланса «активного» болометра 15 без учета влияния поглощаемого и излучаемого излучения будет определяться выражением:

где C_th15 - теплоемкость «активного» болометра, G_th15 - теплопроводность между болометром и подложкой.

Решая дифференциальное уравнение для t_инт ≥ 0 и начального условия ΔΤ_сч = 0, получаем:

где τ_thl5 - постоянная времени «активного» болометра, равная отношению его теплоемкости и тепловодности, а ΔТ_ид определяется выражением:

Если t_инт ≥ 6τ_thl5, то правой частью уравнения (13) можно пренебречь, в этом случае эффект саморазогрева будет проявляться в некоторой постоянной прибавке к ΔI₁₆, зависящей от температуры подложки в момент считывания.

С учетом (13) и (14) ток, протекающий через «активный» болометр, будет определяться выражением:

где ΔI_16сч(Т₀+ΔT, t_инт) - приращение тока, протекающего через «активный» болометр 15, вызванное изменением его электрического сопротивления.

Ток интегратора в отсутствии внешнего инфракрасного излучения будет определяться выражением:

Эффект саморазогрева может быть учтен и скомпенсирован при подборе напряжений V_cм1 и V_см2 для среднего значения сопротивлений «активных» и «термозакороченных» болометров матрицы и последующим подборе коэффициентов компенсации разброса сопротивлений для выполнения равенства (5). Однако, при использовании времени интегрирования t_инт ≤ 6τ_thl5, изменение времени интегрирования приводит к нарушению выполнения равенства (5) и, следовательно, необходимости корректировать V_cм1 и V_см2 и пересчитывать коэффициенты компенсации k.

Изменение начального тока считывания «активного» болометра I₁₆, задаваемого напряжением V_cм1 согласно выражению (1), будет приводить к изменению выделяемой мощности согласно выражением (12), (13), (14), а значит, соответствующему изменению тока ΔI₁₆, вызванного отклонением сопротивления R₁₅ от номинального значения:

Однако, ток компенсации, определяемый выражением (8), не зависит от саморазогрева в силу того, что болометр 5 является «термозакороченным», а значит равенство (5) будет нарушаться при изменении напряжения смещения V_см1, что приводит к необходимости корректировать коэффициенты компенсации к при изменении напряжений смещений.

Кроме того, необходимость корректировки коэффициентов компенсации может возникнуть при значительном отклонении температуры подложки от температуры калибровки вследствие изменения начального сопротивления болометра в момент считывания, и, следовательно, изменению величины приращения его температуры вследствие саморазогрева.

В современных микроболометрических матрицах высокого разрешения с малым размером детекторов величина изменения сопротивления вследствие саморазогрева весьма значительна. Кроме того, для достижения требуемой частоты кадров в ряде применений используют время интегрирования t_инт ≤ 6τ_thl5. Наличие эффекта саморазогрева приводит к необходимости корректировки коэффициентов компенсации при изменении температуры кристалла, напряжения смещения или времени интегрирования, что в свою очередь требует использование механического затвора (шторки) в тепловизионном приборе для перекрытия внешнего потока инфракрасного излучения.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей изобретения является построение устройства для регистрации инфракрасного излучения со схемой считывания, позволяющей скомпенсировать технологический разброс значений сопротивлений болометров матрицы в широком диапазоне температур без использовании термостабилизирующих элементов и механического затвора (шторки) для калибровки.

Технический результат достигается введением системы раздельной компенсации технологического разброса электрических сопротивлений «активных» и «термозакороченных» болометров, что обеспечивает сохранение соотношения токов считывания и токов компенсации при изменении температуры кристалла, напряжений смещений или времени интегрировании.

Компенсация разброса электрических сопротивлений «термозакороченных» болометров осуществляется путем выполнения дополнительного набора «термозакороченных» последовательно соединенных болометров с возможностью выборочного замыкания их выводов с помощью ключей схемы считывания, управляемых цифровым кодом компенсации «термозакороченных» болометров k_m разрядности n_m. Дополнительный набор «термозакороченных» болометров последовательно подключается с основным «термозакороченным» болометром и позволяет подстроить значения всех «термозакороченных» болометров таким образом, чтобы они были равны между собой.

Компенсация разброса электрических сопротивлений «активных» болометров осуществляется подачей на вход интегратора тока с токовых ЦАП, управляемых цифровым кодом компенсации «активных» болометров k_a разрядности n_a, получающих смещения от средства копирования опорного тока, формируемого источником опорного тока, содержащего дополнительный столбец «экранированных» болометров, конструктивно подобных «активным», но не подверженным попаданию внешнего инфракрасного излучения. Источник опорного тока включается только во время интегрирования строки и использует «экранированный» болометр, соответствующий данной строке и получающий смещение от транзистора, в точности повторяющего транзисторы смещения «активных» болометров, и смещенного точно таким же напряжением.

Согласно изобретению столбец «экранированных» болометров может состоять из нескольких элементарных столбцов «экранированных» болометров, при этом каждый элементарный «экранированный» болометр смещается отдельным транзистором, идентичным по типу и размерам транзисторам, смещающим «активные» болометры, и смещенным точно таким же напряжением. Стоки транзисторов, смещающих «экранированные» болометры, подключаются к средству копирования опорного тока через ключи, являющиеся частью схемы считывания и управляемые цифровым кодом выбора «экранированных» болометров k_эк разрядности n_эк.

Согласно изобретению средство копирования опорного тока может содержать средство подстройки опорного тока для всех столбцов матрицы, управляемое цифровым кодом подстройки опорного тока k_on разрядности n_on.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана типовая схема считывания сопротивления болометра без компенсации неоднородности матрицы.

На фиг. 2 показана схема считывания с компенсацией неоднородности матрицы, предложенная в прототипе.

На фиг. 3 показана предложенная схема считывания с компенсацией неоднородности матрицы, учитывающая эффект саморазогрева от тока считывания.

На фиг. 4 показана схема, аналогичная фиг. 3, но демонстрирующая другой вариант осуществления изобретения, содержащий несколько «экранированных» болометров в каждой строке.

На фиг. 5 показана схема, аналогичная фиг.4, но демонстрирующая другой вариант осуществления изобретения, содержащий средство подстройки опорного тока.

Осуществление изобретения

Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе матрицы болометрических детекторов (фиг. 3), состоящей из болометров 15, чувствительных к падающему инфракрасному излучению, называемых «активными», нечувствительных к инфракрасному излучению и не имеющих температурной изоляции болометров 18, называемых «термозакороченными», сформированных на полупроводниковой подложке, содержащей схему считывания, состоящую из множеств КМОП транзисторов 16 и 17, подключенных истоками к «активным» и «термозакороченным» болометрам соответственно, имеющих разный тип проводимости и получающих смещения напряжениями V_cм1 и V_см2 соответственно, с объединенными стоками подключенными к входам интеграторов 5. При этом отличительными признаками изобретения являются схема компенсации неоднородности «термозакороченных» болометров 31 и схема компенсации неоднородности «активных» болометров, состоящая из источника опорного тока схемы компенсации неоднородности «активных» болометров 4, средства копирования опорного тока 3 и токовых цифро-аналоговых преобразователей 29, управляемых цифровыми кодами компенсации со знаковым разрядом k_a, разрядности n_a, формирующих 2^na-1 возможных значений токов компенсации. Схема компенсации неоднородности «термозакороченных» болометров представляет собой включенные последовательно с основными «термозакороченными» болометрами 18 дополнительные наборы последовательно соединенных «термозакороченных» болометров 26 с различными сопротивлениями с возможностью их шунтирования ключами 25, являющихся частью схемы считывания и управляемыми цифровым кодом компенсации k_m разрядности n_m. Источник опорного тока схемы компенсации неоднородности «активных» болометров состоит из набора болометров 27, конструктивно подобных «активным» болометрам, но не подверженных внешнему потоку инфракрасного излучения, называемых «экранированными», поочередно подключаемых ключами 28 к транзистору 7, в точности идентичному транзисторам 16, и смещенному точно таким же напряжением V_см1. При работе схемы считывания единовременно может подключаться только один «экранированный» болометр 27, соответствующий интегрируемой в данный момент строке детекторов. Ток, протекающий через транзистор 7, подается на средство копирования опорного тока 3, формирующего идентичный ток на опорных входах токовых цифро-аналоговых преобразователей 29. Выходы цифро-аналоговых преобразователей подключаются ко входам интеграторов 5.

Разрядность цифро-аналоговых преобразователей компенсации неоднородности «активных» болометров n_a и количество дополнительных «термозакороченных» болометров n_m выбирается в зависимости от требуемой точности установки сигнала видео выхода и максимально возможного для данной технологии разброса значений сопротивлений «активных» и «термозакороченных» болометров соответственно, в частном случае значения n_a и n_m могут совпадать.

Калибровка устройства согласно изобретению осуществляется в три этапа. На первом этапе подбираются значения коэффициентов k_m, для чего на затвор транзистора 16 подается запирающее напряжение, а на затвор транзистора 17 некоторое напряжение смещения, при котором напряжение на видеовыходе V_вых не выходит за рамки динамического диапазона. Затем для каждого столбца матрицы подбирается значение коэффициента k_m, при котором для всех столбцов выполняется условие:

где ΔR - отклонение сопротивления «термозакороченного» болометра от номинального, R_26.1 - минимальное сопротивление болометра из набора 26 (шаг компенсации неоднородности «термозакороченных» болометров), V_выхREF - минимальное напряжение на видеовыходе до применения компенсации.

Общее число коэффициентов компенсации k_m равняется числу детекторов в строке N_cmлб. В результате данной процедуры в истоках всех транзисторов 17 оказываются болометры, фактически имеющие идентичные электрические сопротивления и температурные коэффициенты сопротивлений, иными словами, после применения компенсации для всех столбцов фактический ток I_17к будет определяться выражением:

где R_18к - сопротивление «термозакороченного» болометра 18 с учетом компенсации.

На втором этапе напряжения V_cм1 и V_см2 подбираются таким образом, чтобы для номинального (среднего) сопротивления «активного» болометра R₁₅ и фактического сопротивления «термозакороченного» болометра с учетом компенсации R_18к выполнялось равенство:

На третьем этапе подбираются значения коэффициентов компенсации неоднородности «активных» болометров, при которых для всех детекторов матрицы выполняется равенство (5).

Так как «экранированные» болометры конструктивно идентичны «активным» болометрам, они также подвержены эффекту саморазогрева в соответствии с уравнением (13). Ток, протекающий через «экранированный» болометр с учетом эффекта саморазогрева, определяется выражением:

В отсутствии внешнего потока инфракрасного излучения ток интегратора определяется следующим выражением:

Подставляя в полученное выражение (16), (19), (20), (21) получаем:

В силу конструктивного подобия болометров 15 и 27, а также смещающих их транзисторов 16 и 7, очевидно, что в отсутствии инфракрасного излучения ток интегратора, определяемый выражением (23), равен нулю при отклонении температуры от температуры калибровки Т₀, изменении напряжения смещения V_дет1 и при любом времени интегрирования t_инт.

При наличии инфракрасного излучения ток интегратора в соответствии с (14), (15) и (23) будет определяться выражением:

где ΔТ_ик - изменение температуры «активного» болометра, вызванное внешним потоком инфракрасного излучения.

При считывании сигналов в предложенном устройстве в начале каждой строки включается ключ «Сброс» интегратора 5. При этом, на выходе формируется напряжение, определяемое выражением:

где V_оп - опорное напряжение интегратора.

Через время, достаточное для формирования на выходе напряжения, определяемого выражением (26), ключ 24 размыкается и замыкаются ключи 1 и 2. С этого момента конденсатор 19 начинает заряжаться током I_инт в течение времени t_инт. Напряжение, сформированное на выходе интегратора, будет определяться следующим образом:

где С_инт - емкость конденсатора 19.

Данный вариант осуществления может иметь ограничения, связанные с тем, что при наличии дефекта в «экранированном» болометре вся соответствующая ему строка лишается возможности компенсации технологического разброса сопротивлений «активных» болометров.

Для преодоления этого ограничения изобретение предусматривает согласно одному из вариантов осуществления, показанному на Фиг.4, использование нескольких «экранированных» болометров для каждой строки, каждый из которых получает смещение от индивидуального транзистора 7 и коммутируется к средству копирования опорного тока компенсации с помощью ключа 30, управляемого цифровым кодом компенсации k_эк разрядности n_эк. В этом случае при дефекте «экранированного» болометра опорный ток I_акомп0 уменьшается в раз, однако формируемый опорный ток по-прежнему будет соответствовать выражению (21), а изменение номинальной величины опорного тока будет приводить к уменьшению шага и диапазона компенсации данной строки, кроме того, будет наблюдаться разброс шага и диапазона компенсации между строками, имеющими различное количество дефектных «экранированных» болометров, что может быть несущественно при достаточно большом количестве «экранированных» болометров в каждой строке и некотором запасе диапазона компенсации.

Для преодоления этого ограничения изобретение предусматривает согласно одному из вариантов осуществления, показанному на Фиг. 5, использование средства умножения опорного тока, управляемое цифровым кодом k_on разрядности n_on. В этом случае снижение тока, вызванное дефектным элементарным «экранированным» болометром, будет компенсироваться умножением опорного тока на коэффициент k_on, который может быть уникальным для каждой строки, либо единым для всей матрицы. Кроме того, использование средства умножения, позволяющего подстраивать диапазон и шаг компенсации, может быть полезно при разделении фотоприемных устройств на различные категории качества: в зависимости от фактического разброса сопротивлений может быть подобран оптимальный шаг компенсации.

Изобретение относится к области инфракрасной техники и может быть использовано при изготовлении устройств, детектирующих излучение в инфракрасном диапазоне. Технический результат заключается в компенсации технологического разброса значений сопротивлений болометров в широком диапазоне температур без использования термостабилизирующих элементов и механического затвора (шторки) для калибровки в устройствах для регистрации инфракрасного излучения. Технический результат достигается введением системы раздельной компенсации технологического разброса электрических сопротивлений «активных» и «термозакороченных» болометров, что обеспечивает сохранение соотношения токов считывания и токов компенсации при изменении температуры кристалла, напряжений смещений или времени интегрировании. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов, содержащее матрицу болометрических детекторов, состоящую из болометров, чувствительных к падающему инфракрасному излучению, называемых «активными», и нечувствительных к инфракрасному излучению болометров, называемых «термозакороченными», сформированных на полупроводниковой подложке, содержащей схему считывания для последовательного обращения к каждой из строк детекторов матрицы, состоящую из множеств пар транзисторов различных типов проводимости, подключенных истоками к «активным» и «термозакороченным» болометрам соответственно, получающих некоторые напряжения смещения, с объединенными стоками, которые подключены к входам интеграторов, и схемы компенсации, состоящей из средства формирования опорного компенсационного тока, средства копирования компенсационного тока для каждого столбца матрицы, представляющего собой токовые зеркала, выходы которых подключены к опорным входам токовых цифроаналоговых преобразователей, подключенных к входам интеграторов, отличающееся тем, что средство формирования опорного тока содержит столбец болометров, по конструкции идентичных «активным», но не подверженных внешнему потоку инфракрасного излучению, называемых «экранированными», и транзистор, идентичный по типу и размерам транзисторам, смещающим «активные» болометры, и смещенный точно таким же напряжением, исток которого подключается к «экранированному» болометру, расположенному в считываемой строке, а сток - к средству копирования опорного тока для каждого столбца матрицы, содержащего токовый ЦАП компенсации, смещенный опорным током и управляемый цифровым кодом компенсации «активных» болометров k_a разрядности n_a, и последовательно подключенный с основным «термозакороченным» болометром дополнительный набор последовательно соединенных «термозакороченных» болометров с различными электрическими сопротивлениями, которые могут выборочно шунтироваться ключами, являющимися частью схемы считывания и управляемыми цифровым кодом компенсации «термозакороченных» болометров k_m разрядности n_m.

2. Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов по п. 1, отличающееся тем, что столбец «экранированных» болометров состоит из нескольких столбцов элементарных «экранированных» болометров, каждый из которых смещается транзистором, идентичным по типу и размерам транзисторам, смещающим «активные» болометры, и смещенным точно таким же напряжением, причем стоки транзисторов, смещающих «экранированные» болометры, через ключи, являющиеся частью схемы считывания и управляемые цифровым кодом выбора «экранированных» болометров k_эк разрядности n_эк, подключены к средству копирования опорного тока.

3. Устройство для регистрации инфракрасного излучения на основе болометрических детекторов по любому из пп. 1, 2, отличающееся тем, что средство копирования опорного тока содержит средство умножения опорного тока для всех столбцов матрицы, управляемое цифровым кодом k_on разрядности n_on.