具有溫度自適應(yīng)偏置的輻射熱檢測器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有溫度自適應(yīng)偏置的輻射熱檢測器。一種紅外檢測器，包括檢測輻射熱測量計的陣列（12），每個檢測輻射熱測量計包括懸置在基底上方的測輻射熱膜，以及與輻射熱測量計中的每一個相關(guān)聯(lián)的：檢測支路，包括輻射熱測量計和根據(jù)電壓設(shè)定點來執(zhí)行偏置的電路；補償支路，包括熱化至基底的補償輻射熱測量計和根據(jù)電壓設(shè)定點來執(zhí)行偏置的電路；以及積分器，用于通過對流經(jīng)支路的電流之差進行積分來生成電壓。裝置包括用于控制電壓設(shè)定點的電路（50），其具有用于生成取決于基底溫度的量的電路（44、46）以及用于根據(jù)量來生成電壓設(shè)定點的電路（48）。
【專利說明】具有溫度自適應(yīng)偏置的輻射熱檢測器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及輻射熱紅外成像和高溫測量的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及一種輻射熱檢測器，其包括由懸置在基底上方的膜形成的輻射熱測量計的陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]在所謂的“熱”紅外檢測器的領(lǐng)域，已知的是使用能夠在環(huán)境溫度下進行操作的、對紅外輻射敏感的一維或二維元件陣列。
[0003]熱紅外檢測器一般根據(jù)其溫度使用所謂的“測溫”或“測輻射熱”的材料的物理量的變化。最近，該物理量是所述材料的電阻率，其強烈依賴于溫度。檢測器的單位敏感元件或“輻射熱測量計”通常為膜的形式，每個膜包括一層測溫材料，并且經(jīng)由具有高熱電阻的支承臂而懸置在通常由硅制成的基底上方，懸置膜的陣列通常被稱為“視網(wǎng)膜”。
[0004]特別地,這種膜實現(xiàn)入射輻射吸收功能、將所吸收的輻射的功率轉(zhuǎn)化為熱功率的功能、以及將所生成的熱功率轉(zhuǎn)換為測溫材料的電阻率的變化的測溫功能，這樣的功能由一個或更多個不同的元件實現(xiàn)。
[0005]此外，膜的支承臂也是傳導(dǎo)性的并且連接至所述膜的測溫層，通常在上方懸置有膜的基底中形成有:用于依次對膜的測溫元件進行尋址和加偏壓的裝置以及用于以視頻格式形成有用電信號的裝置?；缀退傻难b置通常被統(tǒng)稱為“讀取電路”。
[0006]通常在非常低的壓力下將檢測器的讀取電路和敏感視網(wǎng)膜集成在密封封裝中，該密封封裝設(shè)置有對感興趣的輻射(其通常具有在8微米至14微米范圍內(nèi)的波長)透明的窗。此范圍對應(yīng)于大氣的透明窗并且與源于300K附近的場景的大部分輻射相對應(yīng)。為了通過這樣的檢測器獲得熱或高溫測量圖像，通過自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將場景聚焦到其上布置有視網(wǎng)膜的焦平面，并且經(jīng)由讀取電路向輻射熱測量計中的每個輻射熱測量計或這樣的輻射熱測量計的每行施加定時電刺激，以獲得形成由所述基本檢測器中的每個檢測器達到的溫度的圖像或測量值的Video (視頻)電信號。該信號可以直接由讀取電路以或多或少復(fù)雜的方式進行成形，然后以模擬或數(shù)字的形式被傳輸?shù)皆诜庋b外部的電子系統(tǒng)。該電子系統(tǒng)通常對由檢測器傳遞的每個視頻幀施加各種校正，特別是校正空間偏移和增益色散(稱為“NUC”(非均勻校正))，以生成能夠被顯示的熱圖像或高溫測量圖像，或者更通常地供從所觀察場景形成的信號的使用。
[0007]這樣的檢測器在制造成本和使用方面具有許多優(yōu)點，但也具有在缺少具體預(yù)防措施時可能限制其性能的缺點。
[0008]更具體地，當基底溫度變化之后、特別是外部條件變化時，產(chǎn)生在輻射熱測量計的輸出端處的平均信號漂移的問題，這基本上反映為通過集成系統(tǒng)元件熱傳導(dǎo)直到基底層級，其限定了敏感膜的平均溫度。現(xiàn)在，公知的是，輻射熱測量計對例如基底溫度的l°c變化的靈敏度通常是對所觀察場景的l°c溫度變化的靈敏度的五十至一百倍。因此，在沒有具體預(yù)防措施的情況下，關(guān)于場景的有用信號被淹沒在不感興趣的此背景成分中。
[0009]為了避免此缺陷，在環(huán)境溫度下操作的輻射熱檢測器自其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起就已經(jīng)被裝配有基底溫度穩(wěn)定模塊，通常為帕爾貼(Peltier)模塊(TEC，“熱電冷卻器”)。通過焦耳效應(yīng)調(diào)節(jié)成與基底保持熱連續(xù)的電阻元件也提供了滿意的溫度穩(wěn)定性，即使不具有主動冷卻能力也如此。然而，這樣的裝置使部件更復(fù)雜且更昂貴，并且暗示在環(huán)境溫度遠離所選擇穩(wěn)定溫度時始終較高的電功率消耗。然而，這樣的輻射熱檢測器的制造成本和實現(xiàn)輻射熱檢測器的系統(tǒng)的電功率消耗正是這樣的檢測器的主要問題。
[0010]實際上，趨勢為不具有熱穩(wěn)定系統(tǒng)，因而必須解決基底溫度變化對信號穩(wěn)定性的不利影響的問題。通常實施的解決方案為:在用于形成與成像輻射熱測量計(如此稱呼，原因在于其對入射電磁輻射敏感)的溫度有關(guān)的信號的電子電路中，布置補償焦平面溫度(FPT)、自身輻射熱的元件，即，使其電行為跟隨基底溫度但對輻射基本上不敏感的元件。這一結(jié)果例如通過如下而獲得的:借助于通過構(gòu)造而提供朝向基底的低熱電阻的測輻射熱結(jié)構(gòu)，和/或通過將這些結(jié)構(gòu)掩蔽在不傳導(dǎo)熱輻射的防護物后面。
[0011]使用這種補償元件還具有消除源于成像(也稱為“活躍”)輻射熱測量計的大部分所謂共模電流的優(yōu)點。
[0012]此外，需要通常小于50mK (豪開爾文)的熱分辨率(能夠與場景的背景層水平分離的最小溫度差距)。輻射和光學(xué)的定律規(guī)定在場景與基本輻射熱測量計的膜之間該溫度差的衰減因子在50至100的范圍內(nèi)。敏感元件通常具有約-2%每度的電阻溫度系數(shù)(TCR)；這些不同的比例因子導(dǎo)致需要區(qū)分小于2X10_5 (20PPM)的電阻相對變化。
[0013]因允許在恒定偏壓下的電阻讀取模式，從而必須區(qū)分每個測輻射熱電阻器兩端的電流的細微變化。為了實現(xiàn)這一點，必需消除獨立于場景的大多數(shù)所謂共模信號，以有效地描述與所觀察的場景有關(guān)的空間和時間變化，并且這在讀取電路的可用電氣動態(tài)范圍內(nèi)。
[0014]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的不具有溫度調(diào)節(jié)或“無TEC”檢測器的輻射熱檢測器10的電氣圖，其包括共模補償結(jié)構(gòu)；并且圖2是用于形成共模補償檢測器的輻射熱測量計的讀取信號的電路的電氣圖。這種檢測器例如在如下文獻中進行描述:“Uncooled amorphoussilicon technology enhancement for25um pixel pitch achievement” ；E.Mottin etal，Infrared Technology and Application XXVIII，SPIE，vol.4820E。
[0015]檢測器10包括具有相同單位輻射熱檢測元件14或“像素”的二維陣列12，每個單位輻射熱檢測元件14均包括懸置在襯底上方的膜的形式的(如之前所描述的)、且具有電阻Rac的敏感電阻輻射熱測量計16。每個輻射熱測量計16在其端子中之一處連接至恒定電壓VDET，特別地為檢測器10的地，并在其另一端子處連接至以飽和狀態(tài)進行操作的偏置MOS晶體管18，例如NMOS晶體管，其借助于柵極控制電壓GAC來設(shè)定輻射熱測量計16兩端的電壓Va。。如果A表示對應(yīng)于M0S18的源極的節(jié)點并且如果VA為該節(jié)點處的取決于柵極電壓GAC的電壓，則電壓Vae等于Vac=VA-VDET。像素14還包括選擇開關(guān)20，該選擇開關(guān)20連接在MOS晶體管18與針對陣列12的各列所設(shè)置的節(jié)點S之間并且由控制信號“選擇”驅(qū)動，從而能夠選擇輻射熱測量計16進行讀取。晶體管18和開關(guān)20通常在基底中形成在輻射熱測量計16的膜的足跡中。元件16和18形成所謂的檢測支路。特別地，由于像素是相同的，并且對于所有像素而言一方面電壓VDET并且另一方面電壓GAC是相同的，所以輻射熱測量計16在相同的電壓Va。下被電壓偏置。此外，柵極電壓GAC是恒定的，因此電壓Va。也是恒定的。
[0016]檢測器10還包括在陣列12中的每列的底部的補償結(jié)構(gòu)22，通常也被稱為“掠過(skimming)”結(jié)構(gòu)。如之前所描述的，檢測輻射熱測量計16的電阻值在很大程度上受基底溫度支配。因而，流經(jīng)檢測輻射熱測量計16的電流包括依賴于基底溫度且獨立于所觀察的場景的大量分量。補償結(jié)構(gòu)22具有輸送電流以用于部分或完全補償此分量的功能。在本發(fā)明的含義中，檢測輻射熱測量計16的受基底溫度支配的電流分量被表示為“共模檢測電流”。由補償結(jié)構(gòu)22為了補償共模檢測電流而生成的電流被稱為“共模補償電流”。
[0017]結(jié)構(gòu)22包括補償熱輻射測量計24，其具有電阻Rem，且使其對源于待觀察的場景的入射輻射不敏感。輻射熱測量計24是借助于與輻射熱測量計16相同的測溫材料構(gòu)成的，但具有朝向襯底的低熱阻。例如，補償熱輻射測量計24的電阻元件被直接形成為與基底接觸，或輻射熱測量計24包括與借助于具有非常低的熱阻的結(jié)構(gòu)懸置在基底上方的檢測輻射熱測量計16的膜類似的膜，或者補償輻射熱測量計24包括與檢測輻射熱測量計16的膜和支承臂基本上相同的膜和支承臂，并且作為良好熱導(dǎo)體的材料填充輻射熱測量計24的膜與基底之間的空間。因而，輻射熱測量計24的電阻基本上由基底溫度支配，然后輻射熱測量計24被說成是“熱化”至基底。
[0018]輻射熱測量計24在其端子中之一處連接至恒定電壓VSK，并且補償結(jié)構(gòu)22包括以飽和狀態(tài)進行操作的、具有與檢測像素14的晶體管18的極性相反的極性的至少一個偏置MOS晶體管26，例如為PMOS晶體管，其借助于柵極控制電壓GCM來設(shè)定輻射熱測量計24兩端的電壓Vem并且連接在補償輻射熱測量計24的另一端子與節(jié)點S之間。將B稱為與MOS晶體管26的漏極相對應(yīng)的節(jié)點并且將VB稱為此節(jié)點處的電壓，那么電壓Vem等于Vem=VSK-VB。元件24和26形成每一列所共有的所謂補償支路。
[0019]共模補償電流的值由輻射熱測量計24的電阻Rem的值以及其偏置參數(shù)的值定義。
[0020]根據(jù)第一變型， 電阻Rm被選擇為與檢測輻射熱測量計16的電阻基本上相同，并且補償輻射熱測量計24的偏置電壓被選擇為接近檢測輻射熱測量計的偏置電壓，以獲得接近共模檢測電流的共模補償電流。然而，應(yīng)當注意，沒必要在設(shè)計上將輻射熱測量計24的電阻1^調(diào)節(jié)為接近檢測輻射熱測量計16的電阻的值，原因在于輻射熱測量計24的電阻Rm傳導(dǎo)的電流應(yīng)當僅調(diào)節(jié)為與讀取期間流經(jīng)檢測支路的電流接近的值。
[0021]根據(jù)第二變型，借助于比檢測輻射熱測量計16的電阻小的補償輻射熱測量計24的電阻以及以大致相同的比例小的偏置電壓V?，也獲得該結(jié)果。
[0022]第二變型通常是優(yōu)選的，原因在于其使得能夠更高效地分發(fā)在測輻射熱橋上可獲得的偏置幅度VSK-VDETJf CMOS技術(shù)的特征用于制造讀取電路。實際上，通常有利的是對有源輻射熱測量計進一步加偏壓來使補償輻射熱測量計的偏置損失，也就是說，強加Vac>VCffl以獲得檢測器的最佳靈敏度。
[0023]檢測器10還包括在陣列12中的每列的底部處的CTIA (“電容跨阻放大器”)型的積分器28，例如其包括運算放大器30和連接在放大器30的反相輸入端和輸出端之間的電容器32。放大器30的反相端子和非反相端子進一步分別連接至節(jié)點S和恒定電壓VBUS。因而，電壓VBUS形成用于輸出信號的參考，并且處于從VDET到VSK的范圍內(nèi)。還設(shè)置有與電容器32并聯(lián)的、由信號“重置”驅(qū)動的開關(guān)34,以用于使電容器32放電。CTIA28的輸出最終例如連接至各個采樣和保持電路36，以借助于多路復(fù)用器38朝向一個或多個串聯(lián)的輸出放大器40、以復(fù)用模式方式來傳送CTIA的電壓Vout。其還可以借助于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)集成在數(shù)字化裝置的輸出端處。[0024]最后，檢測器10包括控制不同的之前描述的開關(guān)的定序單元42。在操作中，逐行讀取陣列12。為了讀取陣列12的行，接通像素14的行的開關(guān)20，而斷開其他行的開關(guān)20。
[0025]在列的底部處的CTIA積分器的電容器放電的階段之后，由此針對被讀取的行的每個像素獲得如圖2所示的電路，所述電容器的放電是通過在斷開開關(guān)34之后、借助于信號Reset閉合開關(guān)34而實現(xiàn)的。在通過MOS晶體管18對檢測熱輻射測量計16的電壓進行偏置的作用下，電流Ia。流過像素的檢測熱輻射測量計16 ;并且在通過MOS晶體管26對補償熱輻射測量計24的電壓進行偏置的作用下，電流流過補償結(jié)構(gòu)的補償熱輻射測量計24。這些電流在節(jié)點S處彼此相減，并且由CTIA28在預(yù)定的積分時期期間Tint對由此產(chǎn)生的電流差進行積分。因而，CTIA28的輸出電壓Vout是由待檢測的入射輻射所引起的檢測輻射熱測量計16的電阻變化的測量值，原因在于電流Ia。的取決于基底溫度的無用部分通過尤其生成來再現(xiàn)該無用信號的電流Im至少部分地進行補償。
[0026]通常，借助于晶體管18和26來調(diào)節(jié)檢測輻射熱測量計16和補償輻射熱測量計24的偏置電壓，以將輸出信號Vout在給定參考溫度定位在下積分器28的電氣動態(tài)范圍Dei內(nèi)，所述參考溫度通常為關(guān)于檢測器的操作溫度范圍的平均參考溫度，特別是接近300° K的參考溫度。當檢測器10的環(huán)境溫度改變時，基底溫度由于缺乏熱調(diào)節(jié)也改變，因而檢測輻射熱測量計16的溫度也改變。然而，補償輻射熱測量計24熱化至基底，其也經(jīng)受由基底的溫度改變所導(dǎo)致的溫度改變。因而，當檢測器的環(huán)境溫度改變并且基底的溫度因而改變時，流經(jīng)檢測輻射熱測量計和補償輻射熱測量計的電流自然地在第一級彼此補償。因而獲得對基底溫度(也被稱為“焦平面溫度(FPT)”)的顯著抑制。
[0027]如果理想地對于無論任何基底溫度均獲得完美抑制，那么實際上，在相對于參考溫度的改變(特別是正的改變)超過幾十度時出現(xiàn)限制。
[0028]更具體地，檢測輻射熱測量計16的偏置電壓Va。和補償輻射熱測量計24的偏置電壓Vm被設(shè)定為使得:當補償輻射熱測量計24暴露于具有與參考溫度相同的溫度的均勻場景或“參考場景”時，檢測器的輸出電壓的平均值在積分器28的電氣動態(tài)范圍中被定位在該動態(tài)范圍的被認為最佳的特定位置處。在均勻場景前面的輸出電壓通常被稱為“連續(xù)電平”并且這些電壓的空間平均值通常被稱為“平均連續(xù)電平”。
[0029]當檢測器處于服務(wù)中時，即在基底溫度接近參考溫度下觀察任何種類的場景，則暴露于待觀察的場景的檢測器的輸出電壓Vout不同于平均連續(xù)電平，特別地，原因在于在源于所觀察場景的入射輻射的作用下輻射熱測量計被加熱以及在于輻射熱測量計16的固有分散特性。因而平均連續(xù)電平“在工廠中”(投入服務(wù)之前)被設(shè)定在所讀取動態(tài)范圍中，從而針對使用檢測器時通常遇到的觀察條件的最寬可能范圍，相對于平均連續(xù)電平的輸出電壓差落在所讀取動態(tài)范圍內(nèi)。因而，平均電平通常不會集中于所讀取動態(tài)范圍，而是針對所建議的電路極性被定位在動態(tài)范圍的后三分之一處，以改善對比環(huán)境背景的溫度更熱的點的觀察。
[0030]此外，如之前所提及的，提供補償輻射熱測量計以在盡可能寬的焦平面溫度范圍內(nèi)來補償流經(jīng)檢測輻射熱測量計的共模電流。在溫度補償為完美的理想情況下，當檢測器觀察在焦平面溫度附近的場景時，平均連續(xù)電平因而不會隨溫度而改變并且理想地保持落在所讀取動態(tài)范圍內(nèi)。
[0031]現(xiàn)在，可以觀察到，該平均電平仍然隨著基底溫度而改變，并且這以顯著的比例進行改變。此外，檢測輻射熱測量計16具有其固有的分散特性，特別是以在均勻場景前面時不同的檢測器輸出電壓為特征的所謂“偏移”分散，該檢測器輸出電壓根據(jù)基底溫度來改變。
[0032]針對檢測輻射熱測量計16的很大一部分超出基底的特定溫度時，這樣的改變導(dǎo)致積分器28的飽和。超出此溫度，則檢測器場景動態(tài)范圍變?yōu)榱?。實際上，作為檢測器的基本量的場景動態(tài)范圍Ds。由場景中任一點的溫度改變的幅度限定，這形成在輸出端處可用(即在檢測器的電氣動態(tài)范圍內(nèi))的信號。
[0033]因此，之前指出的現(xiàn)象限制檢測器的操作溫度范圍。為了正確理解這些限制，必須開發(fā)各種所涉及現(xiàn)象。
[0034]本發(fā)明人觀察到，平均連續(xù)電平隨基底溫度的改變(更具體地為上升)特別地與在所讀取偏置的作用下由焦耳效應(yīng)所引起的檢測輻射熱測量計16的“自發(fā)熱”現(xiàn)象相關(guān)。實際上，幀頻率ft (即每秒形成的完整圖像的數(shù)目)通常為30Hz、50Hz或60Hz，這導(dǎo)致檢測福射熱測量計16從16ms到32ms的尋址的復(fù)發(fā)。對于每次復(fù)發(fā),在第一級(at the firstorder)等于Vac;2/Ra。的焦耳功率PJ在輻射熱測量計16中消散，這會導(dǎo)致在每個時段Tint期間相當于Tint.P/Cth的加熱，其中Cth為輻射熱測量計16的熱容量。場的常用量導(dǎo)致輻射熱測量計16在每個讀取脈沖結(jié)束時約幾十度的加熱。
[0035]現(xiàn)在，輻射熱測量計16的熱時間常數(shù)通常在8ms至20ms的范圍內(nèi)。因此，檢測輻射熱測量計16沒有時間進行冷卻，并且在經(jīng)受新偏置之前沒有時間找到接近基底的溫度的平衡溫度。因此，輻射熱測量計16的膜的平均動態(tài)平衡溫度通常比補償輻射熱測量計24所保持在的基底溫度基本上高幾度的量AT。由于此差與P1成比例并且因而與I/Ra。成比例的事實，以及對于具有負溫度系數(shù)的常規(guī)測溫材料，輻射熱測量計的電阻Ra。以約每度2%的方式隨溫度降低的事實，在檢測輻射熱測量計16與基底(補償輻射熱測量計24)之間的平均溫升Λ T隨著基底溫度增 加。
[0036]因此，檢測輻射熱測量計16和補償輻射熱測量計24遵循電阻曲線R(FPT)，該電阻曲線R(FPT)在基底溫度與參考溫度偏離時逐步分開。
[0037]最后，在CTIA隨時間Tint積分之后，則定義平均連續(xù)電平的量(IaJt)_I?(t))在基底溫度改變超出參考溫度時規(guī)律地增加。這為平均連續(xù)電平根據(jù)基底溫度而移動的主要來源，如圖6的“現(xiàn)有技術(shù)NC”曲線所示。
[0038]平均連續(xù)電平NC隨基底溫度改變的另一來源與通常由MOS晶體管形成的電子偏置元件的各自性質(zhì)和幾何形狀有關(guān)。實際上，由于必需平衡在兩個輻射熱檢測和補償支路中可用電壓，所以由NMOS晶體管控制檢測輻射熱測量計16兩端的電壓，并且由PMOS晶體管控制補償輻射熱測量計24兩端的電壓，或由PMOS晶體管控制檢測輻射熱測量計16兩端的電壓，并且由NMOS晶體管控制補償輻射熱測量計24兩端的電壓。這樣的晶體管除了類型相反之外，各自具有根據(jù)幾何體積和電子噪聲限制的矛盾約束而確定為優(yōu)先的特定幾何形狀，特別是溝道寬度和長度。因此，在兩個輻射熱支路中分別產(chǎn)生電流的方面，即在平均NC根據(jù)基底溫度而漂移的方面，這樣的晶體管的各自溫度行為是普通不理想的。
[0039]由于已被非詳盡討論的這種現(xiàn)象，平均NC跨過積分器28的電氣輸出動態(tài)范圍的一個或另一個限制，從而只要環(huán)境溫度比用于初始預(yù)置偏壓的參考溫度超出幾十度，將使信號大致飽和。從而，在甚至不考慮空間分散現(xiàn)象的情況下，在每個支路中的各個差分貢獻限制了可觀察的場景動態(tài)范圍Ds。。
[0040]另一限制與輻射熱檢測和補償電阻的值的自然分散有關(guān)。實際上，在均勻溫度下場景前面的原始信號Vout根據(jù)由檢測和補償電阻的自然組合分散產(chǎn)生的分布進行分布。
[0041]例如，檢測輻射熱測量計16的電阻Ra。的分布(雖然優(yōu)異地為+/-1.5% (對應(yīng)于+/-3 ο /m),通過共模補償電流自身以+/-1.5% (對應(yīng)于+/-3 ο /m)進行分散而使平均值m被補償至90%)導(dǎo)致差分電流的相對統(tǒng)計變化大于+/-20%(對應(yīng)于+/-3 σ /m)。在設(shè)定偏置電流、由電容Cint32定義的積分器28的增益以及此類型電路的通常積分持續(xù)時間Tint的條件下，這樣的輸入差分電流的分散可以容易地達到連續(xù)電平NC的擴展的空間分散Λ NC的
0.3V至0.5V，以與通常在積分器28的輸出端處獲得的2V至3V的總電氣動態(tài)范圍(Del)相當。
[0042]因而，這樣的分布已經(jīng)嚴重限制了有用場景動態(tài)范圍，其被定義為:輸出(Del)的飽和極限之間的殘余電壓空間減去之前估計的NC分布的寬度Λ NC,并除以檢測器的平均響應(yīng)(或響應(yīng)度)髓*綱C/?，其中Tsc為場景溫度:
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測紅外輻射的輻射熱檢測器，包括檢測輻射熱測量計(16)的陣列(12)，每個檢測輻射熱測量計(16)包括懸置在基底上方的測輻射熱膜，所述輻射熱檢測器包括: ?與所述檢測輻射熱測量計(16)中的每一個相關(guān)聯(lián)的: 々檢測支路，所述檢測支路包括所述檢測輻射熱測量計(16)和根據(jù)電壓設(shè)定點來設(shè)定所述檢測輻射熱測量計(16)兩端的電壓的偏置電路(18);々補償支路，所述補償支路包括基本上具有基底溫度的補償輻射熱測量計(24)和用于根據(jù)電壓設(shè)定點來設(shè)定所述補償輻射熱測量計(24)兩端的電壓的偏置電路(26);以及今積分器(30、32)，所述積分器(30、32)用于通過對流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(16)和所述補償輻射熱測量計(24)的電流之間的差進行積分來生成電壓，所述積分器具有預(yù)定的電氣輸出動態(tài)范圍； ?電路(50)，所述電路(50)用于控制所述檢測支路和所述補償支路的偏置電路的電壓設(shè)定點， 其中，所述電壓設(shè)定點控制電路(50)包括: ?用于生成取決于基底溫度的量的電路(44、46 ),包括: 々基本上具有所述基底溫度的至少一個輻射熱測量計(44)；以及+用于偏置所述至少一個輻射熱測量計的電路(46)，所述偏置所述至少一個輻射熱測量計將生成所述量； ?電路(48)，所述電路(48)用于根據(jù)所述量來生成所述檢測支路和所述補償支路的電壓設(shè)定點，使得當所述輻射熱測量計陣列(12)暴露于均勻參考場景時，流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計的電流iT和流經(jīng)所述補償輻射熱測量計的電流之間的差的平均值或“連續(xù)電平”在基底溫度_30°C至90°C之間的范圍內(nèi)時處于積分器動態(tài)范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成所述電壓設(shè)定點的電路(48)生成電壓設(shè)定點，使得: ?流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(16)的電流/:實時地遵循根據(jù)以下關(guān)系式的定律:
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成所述電壓設(shè)定點的電路(48)生成電壓設(shè)定點，使得流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(16)的電流/=與流經(jīng)所述補償輻射熱測量計(24)的電流7?之間的比率Imc ac/Inic cm等于:
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的輻射熱檢測器，其中，函數(shù)f2(FPT)為第二級，特別是低于 0.1。
5.根據(jù)權(quán)利要求2、3或4所述的輻射熱檢測器，其中，函數(shù)f2(FPT)根據(jù)所述基底的溫度FPT增加。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射熱檢測器，其中，函數(shù)f1 (FPT)根據(jù)所述基底的溫度FPT增加。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成取決于所述基底溫度的量的電路(48)包括: ?包括第一支路和第二支路的電流鏡(541、561)，每個支路包括輸入端和輸出端； ?連接至所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸入端的恒流源(563)； ?連接在所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸出端與第一;〖亙定電位(510 )之間的第一電阻器(512c、562)，所述第一電阻器(512c、562)包括:基本上具有所述基底溫度并且具有與所述檢測輻射熱測量計(16)的電阻基本上相同的電阻的第一輻射熱測量計(512c);以及與所述第一輻射熱測量計(512c)串聯(lián)連接的非測輻射熱電阻器(562)； ?連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路的輸出端與所述第一恒定電位(510)之間的第二電阻器(512b)，所述第二電阻器(512b)包括與所述第一輻射熱測量計(512c)基本上相同的第二輻射熱測量計，在所述電流鏡(541、561)的第二支路中流動的電流形成所述量；以及 ?連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路(54)的輸入端與第二恒定電位(550)之間的第三電阻器(522b、542)。
8.一種用于檢測紅外輻射的輻射熱檢測器，包括檢測輻射熱測量計(16)的陣列(12)，每個檢測輻射熱測量計(16)包括懸置在基底上方的測輻射熱膜，所述輻射熱檢測器包括: ?與所述檢測輻射熱測量計(16)中的每一個相關(guān)聯(lián)的: 々檢測支路，所述檢測支路包括所述檢測輻射熱測量計(16)和根據(jù)電壓設(shè)定點來設(shè)定所述檢測輻射熱測量計(16)兩端的電壓的偏置電路(18); 々補償支路，所述補償支路包括基本上具有基底溫度的補償輻射熱測量計(24)和用于根據(jù)電壓設(shè)定點來設(shè)定所述補償輻射熱測量計(24)兩端的電壓的偏置電路(26);以及 +積分器(30、32)，所述積分器(30、32)用于通過對流經(jīng)所述檢測輻射熱測量計(16)和所述補償輻射熱測量計(24)的電流之間的差進行積分來生成電壓，所述積分器具有預(yù)定的電氣輸出動態(tài)范圍； ?電路(50)，所述電路(50)用于控制所述檢測支路和所述補償支路的偏置電路的電壓參考，其中，用于控制電壓設(shè)定點的電路(50)包括: ?用于生成取決于基底溫度的量的電路(44、46 ),包括: 々基本上具有所述基底溫度的至少一個輻射熱測量計(44)；以及+用于偏置所述至少一個輻射熱測量計的電路(46)，所述偏置所述至少一個輻射熱測量計將生成所述量； ?電路(48)，所述電路(48)用于根據(jù)所述量來生成所述檢測支路和所述補償支路的電壓設(shè)定點，所述電路包括: 今包括第一支路和第二支路的電流鏡(541、561)，每個支路包括輸入端和輸出端； 今連接至所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸入端的恒流源(563)； 々連接在所述電流鏡(541、561)的第一支路的輸出端與第一;〖亙定電位(510 )之間的第一電阻器(512c、562)，所述第一電阻器(512c、562)包括:基本上具有所述基底溫度并且具有與所述檢測輻射熱測量計(16)的電阻基本上相同的電阻的第一輻射熱測量計(512c);以及與所述第一輻射熱測量計(512c)串聯(lián)連接的非測輻射熱電阻器(562)； 今連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路的輸出端與所述第一;〖亙定電位(510)之間的第二電阻器(512b)，所述第二電阻器(512b)包括與所述第一輻射熱測量計(512c)基本上相同的第二輻射熱測量計，流經(jīng)所述電流鏡(541、561)的第二支路的電流形成所述量；以及 々連接在所述電流鏡(541、561)的第二支路的輸入端與第二恒定電位(550 )之間的第三電阻器(522b、542)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的輻射熱檢測器，其中，所述第一電阻器(512c、562)中的非測輻射熱電阻(562)能夠在預(yù)定參考溫度下在所述第一電阻器(512c、562)的輻射熱測量計(512c)的電阻值的O至30%之間的值的范圍內(nèi)進行編程。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的檢測器，其中，所述第一電阻器(512c、562)中的非測輻射熱電阻(562)被設(shè)定為特定值，使得所述檢測輻射熱測量計(16)的響應(yīng)度在所述基底溫度的預(yù)定溫度范圍內(nèi)基本上恒定。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的檢測器，其中，形成所述第一輻射熱測量計的測輻射熱材料的活化能接近0.18eV，并且所述第一電阻器(512c、562)中的非測輻射熱電阻(562)的值接近所述第一電阻器(512c、562)中的輻射熱測量計(512c)的電阻值的25%。
12.根據(jù)權(quán)利要求8和9中任一項所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三電阻器(522b、542)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位定義用于所述補償支路偏置電路(26)的電壓設(shè)定點，并且所述第二電阻器(512b)的沒有采用所述第一恒定電位(510)的端子的電位定義用于所述檢測支路偏置電路(18 )的電壓設(shè)定點。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三電阻器(522b、542)包括第三輻射熱測量計(522b)，所述第三輻射熱測量計(522b)基本上具有所述基底溫度并且具有與所述補償輻射熱測量計(24)的電阻基本上相同的電阻。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三輻射熱測量計(522b)的電阻能夠被編程為將所述連續(xù)電平定位在所述積分器(30、32)的電氣動態(tài)范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的輻射熱檢測器，其中，所述第三電阻器(522b、542)包括與所述第三輻射熱測量計(522b)串聯(lián)的非測輻射熱電阻器(542)，所述非測輻射熱電阻器(542)能夠在預(yù)定參考溫度下在所述第三輻射熱測量計(522b)的電阻值的O至10%的范圍內(nèi)進行編程。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項所述的輻射熱檢測器， 籲其中，每個檢測支路的偏置電路(18)由第一MOS晶體管或“TMOS”形成，所述第一MOS晶體管或“TM0S”在所述第一電位(510)與第一電流節(jié)點之間與所述檢測支路的檢測輻射熱測量計(16)串聯(lián)連接； 籲其中，每個補償支路的偏置電路(26)由第二 TMOS形成，所述第二 TMOS在所述第二電位(550)和所述檢測支路的與所述補償支路相關(guān)聯(lián)的第一電流節(jié)點之間與所述補償支路的補償輻射熱測量計(24)串聯(lián)連接，以及具有與所述檢測支路的第一 TMOS (18)的極性相反的極性； ?其中，用于控制所述電壓設(shè)定點的電路(50)還包括用于將所述電壓設(shè)定點施加至所述偏置電路(18、26)的電路(531、532、52)，所述電路(531、532、52)包括: 々與所述第三輻射熱測量計(522b)基本上相同的第四輻射熱測量計(522a)； 今第三TMOS (54b)，所述第三TMOS (54b)與所述補償支路的所述第二 TMOS (26)基本上相同并且在所述第二電位(550)與第二電流節(jié)點之間與第四輻射熱測量計(522a)串聯(lián)連接； +與所述第一輻射熱測量計(512c)和所述第二輻射熱測量計(512b)基本上相同的第五輻射熱測量計(512a)； +第二 TMOS (54a)，所述第二 TMOS (54a)與所述檢測支路的第一 TMOS (18)基本上相同并且在所述第二電流節(jié)點與所述第一電位(510)之間與第五輻射熱測量計(512a)串聯(lián)連接； 今第一運算放大器(532)，所述第一運算放大器(532)的非反相端子連接至所述第三電阻器(522b、542)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位，所述第一運算放大器(532)的反相端子連接至所述第四輻射熱測量計(522a)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位，以及所述第一運算放大器(532)的輸出端連接至所述第三TMOS (54b)的柵極； 々第二運算放大器(531 )，所述第二運算放大器(531)的非反相端子連接至所述第二電阻器(512b)的沒有采用所述第一電位(510)的端子的電位，所述第二運算放大器(531)的反相端子連接至所述第五輻射熱測量計(512a)的沒有采用所述第一電位(510)的端子的電位，以及所述第二運算放大器(531)的輸出端連接至所述第四TMOS (54a)的柵極； ?其中，每個補償支路的第二 TMOS (26)的柵極連接至在所述第四輻射熱測量計(522a)與所述第三MOS晶體管(54b)之間形成的電位； ?以及其中，每個檢測支路的第一 TMOS (18)的柵極連接至在所述第五輻射熱測量計(512a)與所述第四TMOS (54a)之間的電位。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的輻射熱檢測器，還包括: 籲用于處理與所述檢測輻射熱測量計(16)相關(guān)聯(lián)的積分器(28)的輸出端處的電壓的第一電路(36、40)； ?積分器(28b)，所述積分器(28b)與用于控制所述電壓設(shè)定點的電路(50)相關(guān)聯(lián)并且與所述檢測輻射熱測量計(16)相關(guān)聯(lián)的積分器(28)相同，以通過對流經(jīng)所述第四輻射熱測量計(522a)的電流與流經(jīng)所述第五輻射熱測量計(512a)的電流之間的差進行積分來生成電壓； ?第二電路(36b、40b)，所述第二電路(36b、40b)用于處理與用于控制所述電壓設(shè)定點的電路(50)相關(guān)聯(lián)的積分器(28b)的輸出電壓，并且與所述第一處理電路(36、40)相同；以及 ?模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(440)，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(440)用于對在所述第一處理電路和所述第二處理電路的輸出電壓之間的差進行轉(zhuǎn)換。
18.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任一項所述的輻射熱檢測器， 籲其中，每個檢測支路的偏置電路(18)由第一MOS晶體管或“TMOS”形成，所述第一MOS晶體管或“TM0S”在所述第一電位(510)與第一電流節(jié)點之間與所述檢測支路的檢測輻射熱測量計(16)串聯(lián)連接； 籲其中，每個補償支路的偏置電路(26)由第二 TMOS形成，所述第二 TMOS在所述第二電位(550)和所述檢測支路的與所述補償支路相關(guān)聯(lián)的第一電流節(jié)點之間與所述補償支路的補償輻射熱測量計(24)串聯(lián)連接，以及具有與所述檢測支路的第一 TMOS (18)的極性相反的極性； ?其中，用于控制所述電壓設(shè)定點的電路(50)還包括用于將所述電壓設(shè)定點施加至所述偏置電路(18、26)的電路(160、260、531、532)，所述電路(160、260、531、532)包括: 今針對每個補償支路的第一運算放大器(260)，所述第一運算放大器(260)的非反相端子具有所述第三電阻器(522b、542)的沒有采用所述第二電位(550)的端子的電位，所述第一運算放大器(260)的反相端子連接在所述補償支路的補償輻射熱測量計(24)與第二TMOS (26)之間，以及所述第一運算放大器(260)的輸出端連接至所述補償支路的第二晶體管(26)的柵極；以及 +針對每個檢測支路的第二運算放大器(160)，所述第二運算放大器(160)的非反相端子具有所述第三電阻器(512b)的沒有采用所述第一電位(510)的端子的電位，所述第二運算放大器(160)的反相端子連接在所述檢測支路的檢測輻射熱測量計(16)與第一 TMOS(18)之間，以及所述第二運算放大器(160)的輸出端連接至所述檢測支路的第一 TMOS (18)的柵極。
19.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的輻射熱檢測器，其中，用于生成所述電壓設(shè)定點的電路包括: ?模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，所述模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器連接至用于生成所述量的電路，以生成所述量的數(shù)字值； 籲數(shù)字數(shù)據(jù)處理單元，所述數(shù)字數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)所述量的數(shù)字值來生成所述電壓設(shè)定點的數(shù)字值；以及 ?數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器連接至所述處理單元并且根據(jù)所述設(shè)定點的數(shù)字值來生成所述偏置電路的電壓設(shè)定點。
【文檔編號】G01J5/20GK104006889SQ201410054185
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月22日
【發(fā)明者】米歇爾·維蘭, 帕特里克·羅伯特 申請人:Ulis股份公司