專利名稱：一種紅外焦平面陣列探測器的讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外焦平面陣列探測器，尤其是涉及ー種紅外焦平面陣列探測器的讀出電路。
背景技術(shù)：
根據(jù)普朗克輻射定理，任何溫度高于絕對零度的物體，其內(nèi)部都會發(fā)生分子熱運動，從而產(chǎn)生波長不等的紅外輻射。紅外輻射具有強度和波長直接與物體表面溫度有關(guān)的重要特征，提供了物體的豐富的信息。但是紅外輻射是ー種不可見的電磁波，利用紅外輻射來獲取物體的信息的時候，需要將這種紅外輻射轉(zhuǎn)換為可測量的信號。紅外焦平面陣列探測器就是將紅外輻射轉(zhuǎn)換成可測量的信號的裝置。紅外焦平面陣列探測器通過光電轉(zhuǎn)換、電信號處理等手段將目標(biāo)物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成視頻圖像，其具有抗干擾能力強、隱蔽性能好、跟蹤和制導(dǎo)精度高等優(yōu)點，在軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是紅外焦平面陣列探測器在工作溫度較高時，其本身固有的熱激發(fā)過程會快速増加，從而使得暗電流和噪聲迅速上升，會極大地降低紅外焦平面陣列探測器的性能，所以需要制冷設(shè)備使其工作在低溫環(huán)境下。但是由于制冷設(shè)備的存在，使得探測系統(tǒng)在體積、重量、功耗和成本方面都大量増加，從而增加了它應(yīng)用的困難性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們提出了非制冷紅外焦平面陣列探測器。非制冷紅外焦平面陣列探測器可在常溫下工作，無需制冷設(shè)備，并具有質(zhì)量輕、體積小、壽命長、成本低、功耗小、啟動快及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，滿足了民用紅外系統(tǒng)和部分軍事紅外系統(tǒng)對長波紅外探測器的迫切需要。因而使這項技術(shù)得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。微測輻射熱計焦平面陣列(FPA)具有較高的靈敏度，是應(yīng)用最廣泛的一種非制冷紅外焦平面陣列探測器。其工作原理是熱敏材料吸收入射的紅外輻射后溫度改變，從而引起自身電阻值的變化，通過測量其電阻值的變化探測紅外輻射信號的大小。非制冷紅外焦平面陣列探測器并非真的完全不需要制冷，而是使用熱電制冷器(Thermo-Electric Cooler, TEC)來穩(wěn)定其工作溫度，而TEC本身具有一定的體積和功耗，從而使非制冷紅外焦平面陣列探測器的應(yīng)用受到一定程度的影響，所以人們嘗試去除TEC。然而去除TEC后，由于像元接受紅外輻射后溫度會升高，襯底溫度的變化會導(dǎo)致焦平面陣列極大的非均勻性，從而影響讀出結(jié)果。通常解決無TEC的非制冷紅外焦平面陣列探測器的非均勻性的方法，一方面在于エ藝上的改進(jìn)，另ー方面在于涉及具有非均勻性校正功能的讀出電路，從而在讀出電路上對這種非均勻性進(jìn)行補償，使得非制冷紅外焦平面陣列探測器在沒有TEC作為溫度穩(wěn)定裝置的情況下，也能正常工作，輸出具有良好質(zhì)量的圖像?，F(xiàn)有的能夠?qū)oTEC非制冷紅外焦平面陣列探測器的非均勻性進(jìn)行校正的讀出電路的非均勻性校正的效果會受到元件由于加工エ藝等的影響而產(chǎn)生的相同類型元件之間的性能差異的影響，從而使得這種現(xiàn)有的讀出電路的非均勻性校正效果不是很好。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之ー是提供ー種非均勻性校正效果不受元件之間性能差異的影響的紅外焦平面陣列探測器的讀出電路。本發(fā)明實施例公開的技術(shù)方案包括
提供了一種紅外焦平面陣列探測器的讀出電路，所述紅外焦平面陣列探測器包括微測輻射熱計陣列，其特征在干包括至少兩個列讀出電路，每個所述列讀出電路分別連接到所述微測輻射熱計陣列中的與所述列讀出電路對應(yīng)的列中的微測輻射熱計；其中每個所述列讀出電路包括第一晶體管、第二晶體管、參比電阻和列輸出端；所述第一晶體管的源極連接到所述微測輻射熱計陣列中的與所述列讀出電路對應(yīng)的列中的微測輻射熱計，所述第一晶體管的漏極連接到所述第二晶體管的漏極，所述第一晶體管的柵極連·接到第一偏置電壓；所述第二晶體管的源極連接到所述參比電阻的一端；所述第二晶體管的柵極連接到第ニ偏置電壓；所述參比電阻的另一端連接到第三偏置電壓；所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏極還連接到所述列輸出端；其中所述至少兩個列讀出電路的所述參比電阻相互并聯(lián)。進(jìn)ー步地，每個所述列讀出電路還包括運算放大器，所述運算放大器的反相輸入端連接到所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏扱；所述運算放大器的同相輸入端連接到參考電壓；所述運算放大器的輸出端連接到列輸出端。進(jìn)ー步地，每個所述列讀出電路還包括電容，所述電容連接在所述運算放大器的反相輸入端和所述運算放大器的輸出端之間。進(jìn)ー步地，每個所述列讀出電路還包括復(fù)位開關(guān)，所述復(fù)位開關(guān)連接在所述運算放大器的反相輸入端和所述運算放大器的輸出端之間。進(jìn)ー步地，每個所述列讀出電路還包括列選擇開關(guān)，所述列選擇開關(guān)一端連接到所述第一晶體管的漏極，另一端連接到所述第二晶體管的漏扱。進(jìn)ー步地,所述第一晶體管為NMOS管。進(jìn)ー步地,所述第二晶體管為PMOS管。進(jìn)ー步地，每個列讀出電路還包括采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏極與所述列輸出端之間。進(jìn)ー步地，每個列讀出電路還包括采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在所述運算放大器的輸出端和所述列輸出端之間。本發(fā)明實施例中，并聯(lián)的參比電阻與每個列讀出電路相連接。這樣，即使因為制造エ藝、制造誤差、工作環(huán)境等等因素導(dǎo)致某一列或者某幾列中的參比電阻的性能與其他列不一樣，但由于每一行工作時，流進(jìn)每一列的電流是一祥的，因此當(dāng)溫度變化時，流入每ー列的電流的變化是一致的，相同的電流對每一列的輸出結(jié)果的校正是一致的，從而大大提高了輸出圖像的均勻性。


圖I是本發(fā)明一個實施例的紅外焦平面陣列探測器的讀出電路的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例中，紅外焦平面陣列探測器是基于微測輻射熱計的紅外焦平面探測器，該探測器中的探測單元是微測輻射熱計。即本實施例中，紅外焦平面探測器包括微測輻射熱計陣列，該微測輻射熱計陣列即構(gòu)成了該紅外焦平面探測器的探測單元陣列。
通常，每個微測輻射熱計具有采用微機械加工技術(shù)制作的懸臂梁微橋結(jié)構(gòu)，微橋的橋面沉積有ー層具有高電阻溫度系數(shù)(TCR)的熱敏材料，橋面通常由兩條具有良好力學(xué)性能并鍍有導(dǎo)電材料的橋腿支撐，橋腿與襯底的接觸點為橋墩，橋墩電連接到微測輻射熱計讀出電路上。通過橋腿和橋墩，熱敏材料被連接到讀出電路的電學(xué)通道中，形成一個對溫度敏感并連接到讀出電路上的像素単元。微測輻射熱計的具體結(jié)構(gòu)和工作方式可以使用本領(lǐng)域內(nèi)常用的結(jié)構(gòu)和方式，在此不再詳細(xì)描述。本發(fā)明的實施例中，微測輻射熱計陣列成“行列”排列，即微測輻射熱計陣列可以分為多個“行”和多個“列”。本文中，“行”和“列”意指普通意義上的“行”和“列”，但是對于具體的紅外焦平面陣列探測器的微測輻射熱計陣列，不具體限制要求一定是某個方向的為“行”而相應(yīng)的另ー個方向的為“列”，而是可以靈活設(shè)定哪個方向的為“行”，哪個方向的為“列”。圖I示意性地顯示了本發(fā)明ー個實施例的紅外焦平面探測器的讀出電路。如圖I所示，本發(fā)明ー個實施例中，紅外焦平面探測器的讀出電路包括至少兩個列讀出電路，每個列讀出電路對應(yīng)連接到微測輻射熱計陣列的一列。本實施例中，列讀出電路的數(shù)量可以根據(jù)具體的紅外焦平面探測器中的微測輻射熱計陣列的列數(shù)確定，每一列對應(yīng)ー個列讀出電路，即列讀出電路的個數(shù)可以與微測輻射熱計陣列的列的個數(shù)相等。圖I中示意性地顯示了多個列讀出電路，其中每個大矩形框示意性地表示一個列讀出電路的至少一部分。圖I中示意性地顯示了 8個列讀出電路。本發(fā)明的實施例中，各個列讀出電路的結(jié)構(gòu)和元件可以是都是相同或者類似的，因此，這里以其中一個為例進(jìn)行說明。如圖I所示，本發(fā)明的實施例中，每個列讀出電路包括第一晶體管Q1、第二晶體管Q2、參比電阻Rbl和列輸出端P。第一晶體管Ql和第二晶體管Q2可以采用MOS (金屬氧化物半導(dǎo)體)管，第一晶體管Ql的源極連接到微測輻射熱計陣列中當(dāng)前列讀出電路對應(yīng)的列中的微測輻射熱計Rs ；第一晶體管Ql的漏極連接到第二晶體管Q2的漏極；第一晶體管Ql的柵極連接到第一偏置電壓Vfid，該第一偏置電壓Vfid由外部提供，用于偏置微測輻射熱計Rs，控制信號放大倍數(shù)，其電壓值可以是在I. I疒2. 5V之間。前述的“當(dāng)前列讀出電路對應(yīng)的列”是指當(dāng)前的列讀出電路(即當(dāng)前正在描述的列讀出電路)與其連接并從其中讀出數(shù)據(jù)的微測輻射熱計的列。前述的該微測輻射熱計Rs的另一端連接到電路的電源電壓Vss。這樣，Vfid和Vss可以共同對該微測輻射熱計Rs進(jìn)行偏置。如上所述，第二晶體管Q2的漏極連接到第一晶體管Ql的漏極。此外，第二晶體管Q2的源極連接到參比電阻Rbl的一端；第二晶體管Q2的柵極連接到第二偏置電壓Veb，該第ニ偏置電壓Veb由基準(zhǔn)提供。 參比電阻Rbl的另一端連接到第三偏置電壓Vsk，該第三偏置電壓Vsk是由外部提供的。第三偏置電壓Vsk和第二偏置電壓Veb用于偏置參比電阻Rbl,控制暗電流的大小。第三偏置電壓Vsk的電壓值可以為4疒4. 9V，第二偏置電壓Veb的電壓值可以為2. 5V 3. 5V。本實施例中，第一晶體管Ql的漏極和第二晶體管Q2的漏極還可以連接到列輸出端P。從該列輸出端P輸出的電流或者電壓即為這個列讀出電路讀出的數(shù)值。本發(fā)明的實施例中，第一晶體管Ql為NMOS管(N型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管)，第ニ晶體管Q2為PMOS管(P型金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管)。如前文所述，本發(fā)明實施例中，包括多個列讀出電路，列讀出電路的個數(shù)與微測輻射熱計陣列的列的個數(shù)相同。每個列讀出電路都具有上述的結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，本發(fā)明實施例的讀出電路中，當(dāng)微測輻射熱計陣列的列的個數(shù)為η (η為大于或等于2的整數(shù))，也即該讀出電路包括η個列讀出電路吋，該讀出電路將包括η個參比電阻(Rbl、Rb2、Rb3、……、Rbn)。本發(fā)明的實施例中，該η個參比電阻(Rbl、Rb2、Rb3、……、Rbn)相互并列，也就是本發(fā)明的實施例中，讀出電路中的該至少兩個列讀出電路的參比電阻相互并聯(lián)。如圖I所示。本發(fā)明的實施例中，參比電阻(Rbl、Rb2、Rb3、……、Rbn)也具有較高的電阻溫度系數(shù)(TCR)0本發(fā)明的實施例中，電壓Vfid通過第一晶體管Ql (例如，匪OS管)與Vss共同對ー列微測輻射熱計Rs進(jìn)行偏置。微測輻射熱計Rs接收目標(biāo)的紅外輻射，自身溫度升高，同吋，由于環(huán)境溫度變化也會使微測輻射熱計Rs受到影響。所以微測輻射熱計Rs產(chǎn)生電流Is不僅與目標(biāo)的紅外輻射有夫，還與環(huán)境溫度有夫。電壓Veb通過第二晶體管Q2 (例如，PMOS管)與Vsk共同偏置并聯(lián)的參比電阻Rbl、
Rb2、Rb3、Rb4、......Rbn-3、Rbn-2、Rbn-i、Rbn，用于對系統(tǒng)暗電流進(jìn)行補償。RbiQ=I, 2，3，......η)不
接受目標(biāo)紅外輻射的照射，并聯(lián)參比電阻產(chǎn)生的電流Ib只與環(huán)境溫度有關(guān)，而與紅外輻射無關(guān)。并聯(lián)的參比電阻與每一列的微測輻射熱計單元的列讀出電路相連接。由于每ー個列讀出電路的結(jié)構(gòu)、器件是ー樣的，因此參比電阻產(chǎn)生的電流Ib將等分成η份(Ib/n)流到每ー個列讀出電路中。在每ー個列讀出電路內(nèi)將Rs部分產(chǎn)生的電流Is減去Ib/n，得到電流id，電流id已消去了環(huán)境溫度的影響，而只與目標(biāo)的紅外輻射有關(guān)，可直接作為該列讀出電路的輸出值輸出或者經(jīng)過其它處理和/或轉(zhuǎn)換后從列輸出端P輸出。這樣，即使因為制造エ藝、制造誤差、工作環(huán)境等等因素導(dǎo)致某一列或者某幾列中的參比電阻的性能與其他列不一樣，但由于每一行工作時，流進(jìn)每一列的電流是一祥的，因此當(dāng)溫度變化時，流入每一列的電流的變化是一致的，相同的電流對每一列的輸出結(jié)果的校正是一致的，從而大大提高了輸出圖像的均勻性。此外，本發(fā)明的實施例中，每個參比電阻上流過的電流較小，減小了參比電阻的熱増加，延長了參比電阻的使用壽命。本發(fā)明另ー個實施例中，在前述實施例的基礎(chǔ)上，每個列讀出電路中，在第一晶體管Ql的漏極和第二晶體管Q2的漏極與列輸出端P之間還可以包括積分電路。該積分電路包括運算放大器Ol和電容C。第一晶體管Ql的漏極和第二晶體管Q2的漏極連接到運算放大器01的反相輸入端；運算放大器01的輸出端連接到列輸出端P ;電容C連接在運算放大器01的反相輸入端和該運算放大器01的輸出端之間；運算放大器01的同相輸入端連接到參考電壓VMf。這樣，該積分電路可 以對電流id進(jìn)行積分，得到電壓V。#該電壓Vrat與環(huán)境溫度無關(guān)，可以作為列讀出電路的輸出從列輸出端P輸出。本發(fā)明另ー個實施例中，在前述實施例的基礎(chǔ)上，每個列讀出電路還包括復(fù)位開關(guān)K2，復(fù)位開關(guān)K2連接在運算放大器01的反相輸入端和該運算放大器01的輸出端之間，即與電容C并聯(lián)。當(dāng)斷開K2吋，電路對輸出電流id進(jìn)行積分放大后輸出，當(dāng)閉合K2吋，則使輸出結(jié)果復(fù)位到參考電壓Vref。本發(fā)明另ー個實施例中，在前述實施例的基礎(chǔ)上，每個列讀出電路還包括列選擇開關(guān)K1，該列選擇開關(guān)Kl 一端連接到第一晶體管Ql的漏扱，另一端連接到第二晶體管Q2的漏扱。這樣，通過控制列選擇開關(guān)Kl閉合或者斷開，即可控制選擇從該列讀出數(shù)據(jù)或者取消從該列讀出數(shù)據(jù)。本發(fā)明另ー個實施例中，在前述實施例的基礎(chǔ)上，每個列讀出電路還包括采樣/保持(S/Η)電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，S/Η電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在運算放大器01的輸出端和列輸出端P之間，或者連接在第一晶體管Ql的漏極和第二晶體管Q2的漏極與列輸出端P之間。這樣，S/Η電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以對Vwt或者id進(jìn)行相應(yīng)的處理后輸出。
以上通過具體的實施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換 只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，以上多處所述的“ー個實施例”表示不同的實施例，當(dāng)然也可以將其全部或部分結(jié)合在一個實施例中。
權(quán)利要求
1.一種紅外焦平面陣列探測器的讀出電路，所述紅外焦平面陣列探測器包括微測輻射熱計陣列，其特征在于包括至少兩個列讀出電路，每個所述列讀出電路分別連接到所述微測輻射熱計陣列中的與所述列讀出電路對應(yīng)的列中的微測輻射熱計； 其中 每個所述列讀出電路包括第一晶體管、第二晶體管、參比電阻和列輸出端； 所述第一晶體管的源極連接到所述微測輻射熱計陣列中與所述列讀出電路對應(yīng)的列中的微測輻射熱計，所述第一晶體管的漏極連接到所述第二晶體管的漏極，所述第一晶體管的柵極連接到第一偏置電壓； 所述第二晶體管的源極連接到所述參比電阻的一端；所述第二晶體管的柵極連接到第ニ偏置電壓； 所述參比電阻的另一端連接到第三偏置電壓； 所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏極還連接到所述列輸出端； 其中所述至少兩個列讀出電路的所述參比電阻相互并聯(lián)。
2.如權(quán)利要求I所述的讀出電路，其特征在于每個所述列讀出電路還包括運算放大器，所述運算放大器的反相輸入端連接到所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏極；所述運算放大器的同相輸入端連接到參考電壓；所述運算放大器的輸出端連接到列輸出端。
3.如權(quán)利要求2所述的讀出電路，其特征在于每個所述列讀出電路還包括電容，所述電容連接在所述運算放大器的反相輸入端和所述運算放大器的輸出端之間。
4.如權(quán)利要求2所述的讀出電路，其特征在于每個所述列讀出電路還包括復(fù)位開關(guān)，所述復(fù)位開關(guān)連接在所述運算放大器的反相輸入端和所述運算放大器的輸出端之間。
5.如權(quán)利要求I所述的讀出電路，其特征在于每個所述列讀出電路還包括列選擇開關(guān)，所述列選擇開關(guān)一端連接到所述第一晶體管的漏極，另一端連接到所述第二晶體管的漏極。
6.如權(quán)利要求I所述的讀出電路，其特征在于所述第一晶體管為NMOS管。
7.如權(quán)利要求I所述的讀出電路，其特征在于所述第二晶體管為PMOS管。
8.如權(quán)利要求I所述的讀出電路，其特征在于每個列讀出電路還包括采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在所述第一晶體管的漏極和所述第二晶體管的漏極與所述列輸出端之間。
9.如權(quán)利要求2所述的讀出電路，其特征在于每個列讀出電路還包括采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所述采樣/保持電路或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在所述運算放大器的輸出端和所述列輸出端之間。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種紅外焦平面陣列探測器的讀出電路，包括至少兩個列讀出電路，每個列讀出電路包括第一晶體管、第二晶體管、參比電阻和列輸出端；第一晶體管的源極連接到微測輻射熱計陣列中的微測輻射熱計，漏極連接到第二晶體管的漏極，柵極連接到VFID；第二晶體管的源極連接到參比電阻的一端，柵極連接到Veb；該至少兩個列讀出電路的參比電阻相互并聯(lián)。本發(fā)明實施例中，并聯(lián)的參比電阻與每個列讀出電路相連接。即使某一列中的參比電阻的性能與其他列不一樣，但由于每一行工作時，流進(jìn)每一列的電流是一樣的，因此當(dāng)溫度變化時，流入每一列的電流的變化是一致的，對每一列的輸出結(jié)果的校正是一致的，從而提高了輸出圖像的均勻性。
文檔編號G01J5/00GK102735344SQ201210235930
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者于彩燈, 呂堅, 吳張玉, 周云, 杜一穎 申請人:電子科技大學(xué)