焦平面红外传感器及其信号读出方法技术

本申请提供一种焦平面红外传感器，包括：运算放大器；盲元电路，包括若干盲元电阻，用于根据所述运算放大器的偏置产生暗场电流；敏感元电路，包括若干敏感元电阻，用于根据所述运算放大器的偏置产生热电流；其中，所述盲元电阻与所述敏感元电阻具有相同的电路结构；减法电路，用于将所述暗场电流与所述热电流做减法以产生电流差，其中，所述减法电路还包括一选择电路，所述选择电路选择性导通以使所述盲元电路或所述敏感元电路根据所述运算放大器的偏置产生所述暗场电流或热电流；以及积分电路，用于在积分周期内对所述电流差进行积分。本申请还提供一种焦平面红外传感器得信号读出方法。出方法。出方法。

【技术实现步骤摘要】
焦平面红外传感器及其信号读出方法


[0001]本申请涉及半导体
，特别是涉及一种焦平面红外传感器及其信号读出方法。

技术介绍

[0002]红外焦平面探测器是热成像系统的核心部件，是探测、识别和分析物体红外信息的关键，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。红外焦平面探测器可分为制冷型红外焦平面探测器和非制冷红外焦平面探测器。制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离较远，主要应用于高端军事装备。非制冷红外焦平面阵列探测器可在常温下工作，无需制冷设备，并具有质量轻、体积小、寿命长、成本低、功耗小、启动快及稳定性好等优点，满足了民用红外系统和部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要，因而使这项技术得到了快速的发展和广泛的应用。
[0003]非制冷红外焦平面探测器主要是以微机电技术(MEMS)制备的热传感器为基础，大致可分为热电堆/热电偶、热释电、光机械、微测辐射热计等几种类型，其中微测辐射热计的技术发展非常迅猛，所占市场份额也最大。基于微测辐射热计的非制冷红外探测器的核心为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)读出电路及MEMS(Microelectro Mechanical Systems，微机电系统)传感器。其中CMOS读出电路完成的是信号的放大及读出操作，读出电路是非致冷红外焦平面阵列(IRFPA)的关键部件之一，以对红外探测器感应的微弱信号进行预处理(如积分、放大、滤波、采样/保持等)和阵列信号的并/串行转换。而MEMS传感器完成的是光电转换操作，微测辐射热计焦平面阵列(FPA)具有较高的灵敏度，其工作原理是热敏材料吸收入射的红外辐射后温度改变，从而引起自身电阻值的变化，通过测量其电阻值的变化来探测红外辐射信号的大小。
[0004]近年来非制冷红外焦平面探测器的阵列规模不断增大，敏感元尺寸不断减小，并且在探测器单元结构及其优化设计、读出电路设计、封装形式等方面出现了不少新的技术发展趋势。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种焦平面红外传感器及其信号读出方法，通过电路结构设计，使其输出电压稳定，保证热成像质量。
[0006]本申请提供一种焦平面红外传感器，包括：
[0007]运算放大器，包括一正输入端、一负输入端以及一输出端，所述运算放大器的正输入端接收一第一参考电压信号；
[0008]盲元电路，包括若干盲元电阻，所述盲元电路与所述运算放大器的负输入端以及输出端相连，所述盲元电路根据所述运算放大器的偏置产生暗场电流；
[0009]敏感元电路，包括若干敏感元电阻，所述敏感元电路与所述运算放大器的负输入端以及输出端相连，所述敏感元电路根据所述运算放大器的偏置产生热电流；其中，所述盲
元电阻与所述敏感元电阻具有相同的电路连接结构；
[0010]减法电路，其输入端与所述盲元电路和所述敏感元电路的输出端相连，用于将所述暗场电流与所述热电流做减法以产生电流差，所述电流差表示红外辐照在敏感元电阻上产生的电流变化；其中，所述减法电路还包括一选择电路，所述选择电路选择性导通以使所述盲元电路或所述敏感元电路根据所述运算放大器的偏置产生所述暗场电流或热电流；以及
[0011]积分电路，与所述减法电路的输出端相连，用于在积分周期内对所述电流差进行积分。
[0012]本申请提供一种应用于上述焦平面红外传感器的信号读取方法，包括以
[0013]下步骤：
[0014]所述盲元电路的盲元行选信号选通，所述积分控制开关导通，所述选择电路中的第五开关晶体管、第一采样开关和第二采样开关导通，第六开关晶体管关闭，运算放大器对盲元电路产生偏置，盲元电路产生的暗场电流流过所述减法电路左半侧，产生偏置电压经过第一采样开关和第二采样开关镜像至所述减法电路的右半侧；
[0015]所述第五开关晶体管、第一采样开关和第二采样开关关闭，所述第六开关晶体管导通，所述偏置电压被采样到所述第一采样电容和第二采样电容中；
[0016]所述敏感元电路的敏感元行选信号依次选通，所述选择电路中的第六开关晶体管导通，第五开关晶体管关闭，所述敏感元电路由所述运算放大器产生偏置，产生热电流，所述敏感元电阻在红外照射下温度升高，电阻变大，热电流变小，所述敏感元电阻产生的热电流流过所述减法电路右半侧；以及
[0017]所述暗场电流和热电流在所述减法电路中做减法后产生电流差，所述电流差表示红外辐照在敏感元电阻上产生的电流变化，并输入至所述积分电路。
[0018]本申请焦平面红外传感器及其信号读出方法由于盲元电路与敏感元电路连接结构一致，且通过运算放大器进行电压反馈，使得敏感元电阻上用于产生电流的电压能够保持稳定，极大程度的抑制CMOS工艺波动、温度变化对于盲元/敏感元电阻偏压的影响，提高图像信号输出一致性，降低固定格式噪声，从而提高热成像质量，从设计原理上避免了对每个敏感元电阻进行偏压校准，极大的简化了系统应用。
[0019]为让本申请的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
[0020]图1为现有技术中一实施例的焦平面红外传感器的电路结构示意图；
[0021]图2是本申请一实施例的焦平面红外传感器的电路结构示意图；
[0022]图3是本申请一实施例的焦平面红外传感器的信号读出的工作时序图；以及
[0023]图4是本申请另一实施例的焦平面红外传感器的信号读出的工作时序图。
具体实施方式
[0024]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不
是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0025]本申请中所使用的术语“连接”定义如下，“连接”用于描述两个电路元件之间的直接连接或者间接连接。例如，两个连接元件可以通过金属线直接连接，或者通过中间的电路元件(例如，电容、电阻或者晶体管的源极或者漏极)间接连接。
[0026]本申请中所使用的术语“上”、“下”、“左”、“右”、“行方向”、“列方向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了表达技术方案的清楚及描述方便，因此不能理解为对本申请的限制。
[0027]下面结合附图对本申请实施例做进一步详述。
[0028]图1为现有技术中一个实施例的焦平面红外传感器的电路结构示意图。所述焦平面红外传感器包括若干敏感元电阻R0-Rn、盲元电阻Rb、P型MOS管M10、N型MOS管M20、若干行选通开关mos管(N型MOS管)MR0-MRn、积分放大器A0、积分电容C10以及重置开关M30。P型mos管M1的栅极接收一控制信号GSK，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种焦平面红外传感器，其特征在于，包括：运算放大器，包括一正输入端、一负输入端以及一输出端，所述运算放大器的正输入端接收一第一参考电压信号；盲元电路，包括若干盲元电阻，所述盲元电路与所述运算放大器的负输入端以及输出端相连，所述盲元电路根据所述运算放大器的偏置产生暗场电流；敏感元电路，包括若干敏感元电阻，所述敏感元电路与所述运算放大器的负输入端以及输出端相连，所述敏感元电路根据所述运算放大器的偏置产生热电流；其中，所述盲元电阻与所述敏感元电阻具有相同的电路连接结构；减法电路，其输入端与所述盲元电路和所述敏感元电路的输出端相连，用于将所述暗场电流与所述热电流做减法以产生电流差，所述电流差表示红外辐照在敏感元电阻上产生的电流变化；其中，所述减法电路还包括一选择电路，所述选择电路选择性导通以使所述盲元电路或所述敏感元电路根据所述运算放大器的偏置产生所述暗场电流或热电流；以及积分电路，与所述减法电路的输出端相连，用于在积分周期内对所述电流差进行积分。2.如权利要求1所述的焦平面红外传感器，其特征在于，所述盲元电阻的第一端接地，其第二端通过一第一开关晶体管连接到所述运算放大器的负输入端，且与一第一晶体管的第一端相连，所述第一晶体管的栅极连接到所述运算放大器的输出端，所述第一晶体管的的第二端通过一第二开关晶体管连接到所述减法电路，所述第一开关晶体管与所述第二开关晶体管的栅极受到一盲元行选信号控制使所述盲元电阻工作或不工作。3.如权利要求1所述的焦平面红外传感器，其特征在于，所述敏感元电阻的第一端接地，其第二端通过一第三开关晶体管连接到所述运算放大器的负输入端，并且还与一第二晶体管的第一端相连，所述第二晶体管的栅极连接到所述运算放大器的输出端，所述第二晶体管的的第二端通过一第四开关晶体管连接到所述减法电路，所述第三开关晶体管与所述第四开关晶体管的栅极受到一敏感元行选信号控制以使所述敏感元电阻工作或不工作。4.如权利要求1所述的焦平面红外传感器，其特征在于，所述减法电路为一镜像偏置电路，包括第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管以及第六晶体管，所述第三晶体管和第四晶体管的第一端与一电压源相连，所述第三晶体管和第四晶体管的第二端分别与所述第五晶体管和第六晶体管的第一端相连，所述第三晶体管与所述第四晶体管的栅极通过一第一采样开关互连，所述第三晶体管的栅极还与所述第五晶体管的第二端相连，所述第四晶体管M4的栅极还通过一第一采样电容接地；所述第五晶体管和第六晶体管的栅极通过一第二采样开关互连，所述第五晶体管的第二端与所述第六晶体管的的第二端与所述选择电路相连，所述第六晶体管的栅极还通过一第二采样电容接地。5.如权利要求4所述的焦平面红外传感器，其特征在于，所述选择电路包括第五开关晶体管和第六开关晶体管，所述第五开关晶体管和第六开关晶体管的第一端分别与所述第五晶体管和第六晶体管的第二端相连，所述第五开关晶体管和第六开关晶体管的第二端相连，并与所述盲元电路和敏感元电路的输出端相连，所述第五开关晶体管和第六开关晶体管的栅极分别接收一控制信号以交替导通或截止，从而使所述盲元电路根据所述运算放大器的偏置产生暗场电流，或使所述敏感元电路根据所述运算放大器的偏置产生热电流。6.如权利要求5所述的焦平面红外传感器，其特征在于，所述第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管、第六晶体管、所述第五开关晶体管和第六开关晶体管分别包括若干并联的单
个晶体管，所述第三晶体管和第四晶体管中的单个晶体管尺寸相同，所述第五晶体管和第六晶体管的单个晶体管尺寸相同，所述第五开关晶体管和第六开关晶体管中的单个晶体管尺寸相同，且所述第五晶体管与第六晶体管中的单个晶体管的数量比例关系，与所述第三晶体管与第四晶体管中的中的单个晶体管的数量比例关系相等，也与所述第五开...

【专利技术属性】
技术研发人员：任冠京，李跃，莫要武，陈鹏，
申请(专利权)人：思特威上海电子科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：