一種用于環(huán)境監(jiān)控的自供電圖像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于環(huán)境監(jiān)控的自供電圖像傳感器，包括一種既可采集并利用光能又可圖像傳感的雙模式像素單元電路和對應的電源管理電路,這種CMOS圖像傳感器芯片能夠在光能收集模式和圖像傳感成像模式之間切換,電源管理電路能夠高效率控制傳感器的電源電壓和輔助切換傳感器的工作模式，根據(jù)收集到的電能多少選擇片內(nèi)或片外電源，實現(xiàn)了圖像傳感器的自供電。這種可采集并利用光能的低功耗圖像傳感器可以顯著提高器件的工作壽命，并且與CMOS工藝兼容，成本低。
【專利說明】
一種用于環(huán)境監(jiān)控的自供電圖像傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明具體涉及一種用于環(huán)境監(jiān)控的自供電圖像傳感器，屬于圖像傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]過去幾十年的氣候變化和人類的工業(yè)化活動直接或間接引起了地球環(huán)境變化和環(huán)境污染。持續(xù)監(jiān)測環(huán)境污染，例如定期檢測環(huán)境和空氣中危害人類健康的顆粒物、沙塵、和觀測能見度等變得非常必要。圖像傳感器可以對環(huán)境進行監(jiān)控，獲取環(huán)境數(shù)據(jù)并進行存儲和傳送。但是，如何增加這種傳感器的使用壽命是環(huán)境監(jiān)控的一個挑戰(zhàn)，因為傳感器大多被安裝放置在郊區(qū)或高空等不方便人工更換電池的地方。在環(huán)境長期監(jiān)控的過程中，傳感器會不斷消耗電能，而經(jīng)常檢查和更換電池會使人工成本增高，特別是偏遠地區(qū)的傳感器人工維護成本大大提高。因此，提高電源使用效率并延長電源使用壽命是必需的。CMOS圖像傳感器中的集成光電二極管既可以傳感光信號也可以從周圍光源中收集能量，因此可以把環(huán)境中的光能轉(zhuǎn)為電能存儲起來并給芯片提供電能。一個基于這種光電二極管復用的可以收集周圍光能的圖像傳感器可以顯著提高傳感器的電源使用壽命。目前，傳統(tǒng)的基于PN結(jié)的傳感器像素設(shè)計雖然可以實現(xiàn)采集圖像和收集光能，但是，PN結(jié)上的漏電很大程度上降低了能量收集的效率。本發(fā)明提出的基于CMOS的圖像傳感器在像素單元電路中利用額外的CMOS光電二極管和開關(guān)控制，實現(xiàn)圖像傳感模式和光能收集模式的切換，并且采用背照式CMOS工藝進行像素單元電路設(shè)計，使圖像傳感器不但可以自供電，還提高了收集能量的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明提出的這種包含雙模式像素單元電路的自供電圖像傳感器可以增加環(huán)境監(jiān)控器件的使用壽命，避免頻繁電源檢查和更換操作，降低了成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的在于針對郊外或不便于更換圖像傳感器電源的情況，用發(fā)明的可自供電的圖像傳感器吸收光能，從而延長傳感器的電源使用壽命。發(fā)明主要包括一個適用于圖像傳感和吸收光能的雙模式像素單元電路，在傳感器處于空閑狀態(tài)時通過吸收光能來轉(zhuǎn)化成電路所需的電能;還包括一個電源管理電路，實現(xiàn)供電模式的切換。因此，提出的自供電式CMOS圖像傳感器能很大程度的增加電源使用壽命，并降低成本，實現(xiàn)在郊外或偏遠地區(qū)對于環(huán)境數(shù)據(jù)的長期監(jiān)控。
[0004]技術(shù)方案
[0005]本發(fā)明的目的是通過如下的措施來達到的:
[0006]A.雙模式像素單元電路
[0007]圖1為可進行圖像采集和能量收集的雙模式像素單元電路。復位晶體管103、源極跟隨晶體管104、第一開關(guān)晶體管105和第一光電二極管101組成一個傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)像素單元電路，即第一開關(guān)晶體管105的柵極與行選擇控制信號SEL相連，其源極與列位線COL相連，復位晶體管103的柵極與復位信號RST相連，其漏極與電源信號VAA相連，其中第一開關(guān)晶體管105的源極節(jié)點即為圖像傳感的信號輸出端。在此傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)上加入一個額外的采能光電二極管102和第二開關(guān)晶體管106，形成了新的雙模式像素單元電路。電源管理電路100的輸入端通過第一能量采集使能開關(guān)晶體管107與所有雙模式像素單元電路中的采能光電二極管102的正極相連。電路工作狀態(tài)由雙模式像素單元電路內(nèi)的第二開關(guān)晶體管106和傳感器第一能量采集使能開關(guān)晶體管107和第二能量采集使能開關(guān)晶體管108的狀態(tài)來決定，通過使能控制信號EH可實現(xiàn)傳感器光能采集模式和圖像傳感模式的切換。
[0008]當EH信號為邏輯高電平，第二開關(guān)晶體管106導通，與采能光電二極管102正端相連的第一能量采集使能開關(guān)晶體管107也導通，第一光電二極管101兩端短接到地(GND)，此時為能量收集模式。在能量收集模式下，采能光電二極管102接收光照產(chǎn)生反向電流經(jīng)過第一能量采集使能開關(guān)晶體管107為電源管理電路100中的儲能電容充電，這部分收集和儲存的電能將代替電池給傳感器供電。當電源管理電路中的儲能電容被充滿后，控制信號EH變?yōu)檫壿嫷碗娖?，第二開關(guān)晶體管106和第一能量采集使能開關(guān)晶體管107截止，此時電路被切換到圖像傳感模式。在圖像傳感模式下，第一光電二極管101和采能光電二極管102同時檢測光信號強弱，并把反向光生電流在這兩個光電二極管的共同正端節(jié)點上轉(zhuǎn)換成的電壓通過源極跟隨晶體管104和第一開關(guān)晶體管105輸出到COL總線，通過外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出。輸出電壓的大小與這個像素點的光強成正比。
[0009]B.電源管理電路
[0010]與雙模式像素單元電路相連的電源管理電路100如圖2所示，包括最大電源點跟蹤模塊304、栗壓器模塊309、調(diào)節(jié)器模塊311和電源管理決策模塊317。
[0011]當傳感器中所有像素單元切換到能量收集模式后，傳感器上的所有采能光電二極管102組成了一個大的光生電流源，通過最大電源點跟蹤模塊304中的第一遲滯比較器303的正輸入端口(Vscilar)向電源管理電路100進行充電。最開始電感308上的電流為O ,Vscilar電壓等于最大電源點跟蹤模塊304中第一遲滯比較器303負輸入端的通過分壓電阻301連接到的導航電壓源提供的參考電壓Vpilcit C3Vpilcit在分壓電阻301和可調(diào)電阻302分壓后，最大電源點跟蹤模塊304中第一遲滯比較器303的負端節(jié)點Vmpp的電壓小于正端電壓VSQLAR，第一遲滯比較器303輸出電壓Vcnt為邏輯高電平，從而控制栗壓器模塊309中的第四開關(guān)晶體管305和第五開關(guān)晶體管306導通，第六開關(guān)晶體管307截止。此時所有光生電流通過栗壓器模塊309中的電感308流到地(GND)，當電感308中通過電流后，Vscilar電壓慢慢下降。當Vscilar電壓下降至IJ低于VMPP+Vh(Vh是遲滯比較器303的遲滯電壓)時，比較器輸出Vcnt變?yōu)檫壿嫷碗娖讲⒖刂频谒拈_關(guān)晶體管305和第五開關(guān)晶體管306截止、第六開關(guān)晶體管307導通。由于電感308中的電流不能突變，此時電感上的電流將流向栗壓器模塊309的輸出端(Vout)，即第六開關(guān)晶體管307的漏極，并存儲在儲能電容312中。由于第四開關(guān)晶體管305截止，Vsqlar端的電壓因為像素單元電路中光電二極管的電流繼續(xù)充電而慢慢上升，當電壓VSCILAR大于VMPP+Vh時，第一遲滯比較器303的輸出又變?yōu)楦唠娖?，第四第五開關(guān)晶體管305和306導通、第六開關(guān)晶體管307截止，此時光生電流又通過電感308流到地。就這樣不斷重復上述過程，儲能電容312不斷被充電，電容上的電壓(Vqut)逐漸升高，當Vqut電壓大于電源管理決策模塊317中第二遲滯比較器314的正極輸入端的電池電壓VBATT+Vh(Vh是第二遲滯比較器314的遲滯電壓)時，第二遲滯比較器314輸出邏輯低電平，通過電源管理決策模塊317中的第一反相器318使Vstrt信號變?yōu)檫壿嫺唠娖剑藭r第七開關(guān)晶體管316截止、第八開關(guān)晶體管315導通，傳感器電源管理決策模塊317的供電電壓(Vaa)短接到儲能電容312上。這樣，儲能電容312上收集的電能將為圖像傳感器電路供電。
[0012]當傳感器進入圖像傳感模式，儲能電容312中收集的電能被慢慢消耗，電容312上的電壓(Vciut)慢慢下降。一旦Vciut降低到小于VBATT-Vh，電源管理決策模塊317中的第二遲滯比較器314輸出變?yōu)檫壿嫺唠娖?，第七開關(guān)晶體管316導通、第八開關(guān)晶體管315截止，此時傳感器的電源線(Vaa)又被短接到電池電壓(Vbatt)，暫時由電池電壓(Vbatt)供電。電源管理決策模塊317等待下次儲能電容312再被充滿時將會再次切斷電池(Vbatt)并由電容312上存儲的電能給圖像傳感器供電。
[0013]電源管理電路中的調(diào)節(jié)器模塊311是為了調(diào)節(jié)儲能電容312上的電壓(Vqut)大小。在傳感器收集光能并轉(zhuǎn)化成光生電流充電時，電容312上的電壓(Vqut)不斷提高，當Vqut大于調(diào)節(jié)器模塊311中調(diào)節(jié)P型晶體管310的柵極電壓(Vref)和其閾值電壓(Vt)之和時，多余的光電電流將通過調(diào)節(jié)器模塊311中的調(diào)節(jié)P型晶體管310流向地。這樣通過晶體管310的電流電壓調(diào)節(jié)，使儲能電容312上的電壓(Vqut)穩(wěn)定在(VREF+Vt)左右，所以可以進一步通過改變晶體管310的柵極電壓(Vref)來調(diào)節(jié)傳感器期望的供電電壓值。
[0014]C.背照式CMOS工藝
[0015]在普通的CMOS工藝中，用于制作光電二極管的硅襯底和N型摻雜井位于器件的最底層，二氧化硅和金屬走線分布在中間層，位于最上方的傳感器表面是氮化硅鈍化層。光線通過層層折射和反射，到達底層光電二極管時已經(jīng)損失了很多能量，因此光電轉(zhuǎn)換效率較低。本發(fā)明使用的背照式CMOS工藝如圖3所示，光電二極管B5所在的硅襯底B4和N井B10置于器件的表面頂層，二氧化硅和金屬層B8在底部。這種背照式CMOS工藝制作的接觸式圖像傳感器可以使入射光BI直接照在器件靠近表面的光電二極管上，從而可以吸收更多的光能，更高效地轉(zhuǎn)化為電能，增加傳感器電源的使用壽命。
[0016]有益效果
[0017]針對用于環(huán)境監(jiān)控的圖像傳感器，本發(fā)明的自供電圖像傳感器提高了光電轉(zhuǎn)換效率。圖像傳感器中包含的一種既可以傳感光強信號又可以收集光能的雙模式像素單元電路，使傳感器可以收集并利用周圍環(huán)境中的光能，從而大大延長了傳感器的電源使用壽命。同時，本發(fā)明采用背照式CMOS工藝設(shè)計的圖像傳感器具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率，可以讓傳感器以更高的效率把光能并轉(zhuǎn)化成電能，進一步延長了傳感器的電源使用壽命。因此，發(fā)明的背照式自供電CMOS圖像傳感器可以放置在偏遠的郊區(qū)或高空進行環(huán)境長期監(jiān)控，不需要頻繁的人工檢測或人工維護，降低了成本，易于操作。
[0018]此外，自供電圖像傳感器不僅僅局限于應用在環(huán)境監(jiān)控，還可以使用在其他的應用領(lǐng)域例如生物細胞觀測、交通監(jiān)控等。
【附圖說明】
[0019]1、圖1為雙模式像素單元電路圖:進行光能收集和圖像傳感；
[0020]2、圖2為傳感器中的電源管理電路圖；
[0021]3、圖3為傳感器制造工藝:背照式(BSI)CMOS工藝示意圖。
[0022]4、圖4為自供電圖像傳感器系統(tǒng)框圖。
[0023]其中:100為傳感器中與雙模式像素單元電路相連的電源管理電路模塊；101為傳感器雙模式像素單元電路中的第一光電二極管；102為額外增加的采能光電二極管；103為電壓復位晶體管；104為源極跟隨晶體管；105為第一開關(guān)晶體管；106為第二開關(guān)晶體管；107為第一能量采集使能開關(guān)晶體管；108為第二能量采集使能開關(guān)晶體管；
[0024]301為分壓電阻；302為可調(diào)電阻;303為第一遲滯比較器;304為最大電源點跟蹤模塊;305為第四開關(guān)晶體管；306為第五開關(guān)晶體管；307為第六開關(guān)晶體管；308為電感;309為栗壓器模塊;310為調(diào)節(jié)P型晶體管;311為調(diào)節(jié)器模塊;312為儲能電容;313為接地電阻；314為第二遲滯比較器;315為第八開關(guān)晶體管;316為第七開關(guān)晶體管;317為電源管理決策模塊;318為第一反相器;319為第二反相器;320為緩沖器；
[0025]BI為環(huán)境周圍光源;B2為環(huán)境中需要監(jiān)控的物體或顆粒;B3為物體陰影;B4為背照式工藝中的硅襯底層;B5為形成光電二極管所在區(qū)域;B6為N型摻雜擴散區(qū)；B7為晶體管柵極區(qū)域;B8為金屬層;B9為N型重摻雜區(qū);BlO為N井;BI I為N型重摻雜區(qū)；
[0026]200為像素陣列；201為寄存器與數(shù)字控制模塊;202為行譯碼器;203為偏置電路和斜坡發(fā)生器模塊;204為上方讀出電路;205為電源管理電路;206為下方讀出電路;207為列偏置和列選擇模塊;208為列解碼和靈敏放大器模塊;209為列級模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0027 ] 210為比較器;211為計數(shù)器;212為靜態(tài)存儲器;213為雙模式像素單元電路。
【具體實施方式】
[0028]根據(jù)前述
【發(fā)明內(nèi)容】
，通過臺灣積體電路制造股份有限公司(TSMC)的背照式(BSI)CMOS工藝，即光電二極管所在的硅襯底和N井置于器件的表面頂層，二氧化硅和金屬層在底部，流片制造一塊大陣列的圖像傳感器芯片。自供電圖像傳感器的電路設(shè)計可以采用圖4中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0029]結(jié)構(gòu)圖的中間部分200是上萬個雙模式像素單元電路213組成的大陣列。電源管理電路205決定傳感器的工作模式，分別控制圖像傳感器進行光能吸收存儲或圖像傳感。在光能存儲模式下，陣列中所有雙模式像素單元電路213都將光電二極管產(chǎn)生的光電流傳輸?shù)诫娫垂芾黼娐?05實現(xiàn)電能采集存儲和自供電。將在圖像傳感模式下，所有的像素在行解碼器202和列解碼器207控制下被逐行讀取。行解碼器和行驅(qū)動器202循序地處理每一行，列解碼器207循序地控制掃描2056列像素的輸出。上下讀取電路204和206中每一列對應有一個10位的單斜式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器209將結(jié)果轉(zhuǎn)換成數(shù)字編碼的輸出，和圖像中像素點的光強大小值相對應。這個模數(shù)轉(zhuǎn)換器209由比較器210、計數(shù)器211、靜態(tài)存儲器212和斜坡發(fā)生器203組成。201是一個全局靜態(tài)寄存器，可以設(shè)置傳感器的工作模式。電源管理電路205給芯片提供需要的電源電壓。傳感器芯片通過外部FPGA或集成的數(shù)字電路實現(xiàn)控制傳感器芯片的電路時序，從而決定整個系統(tǒng)的工作模式和調(diào)整電路的所有組成。
[0030]其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖中雙模式像素單元電路213和電源管理電路205相結(jié)合實現(xiàn)能量收集和圖像傳感的工作原理如下:
[0031]在圖1的雙模式像素單元電路中，復位晶體管103、源極跟隨晶體管104、第一開關(guān)晶體管105和第一光電二極管101組成一個傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)像素單元電路，第一開關(guān)晶體管105的源極節(jié)點即為圖像傳感的信號輸出端。在此傳統(tǒng)的3T結(jié)構(gòu)上加入一個額外的采能光電二極管102和第二開關(guān)晶體管106，形成了新的雙模式像素單元電路。電源管理電路100的輸入端通過第一能量采集使能開關(guān)晶體管107與所有雙模式像素單元電路中的采能光電二極管的正極相連。電路工作狀態(tài)由雙模式像素單元電路內(nèi)的第二開關(guān)晶體管106、第一能量采集使能開關(guān)晶體管107、和第二能量采集使能開關(guān)晶體管108的狀態(tài)來決定，通過使能控制信號EH可實現(xiàn)傳感器光能采集模式和圖像傳感模式的切換。
[0032]當信號為邏輯高電平，第二開關(guān)晶體管106和第一能量采集使能開關(guān)晶體管107導通，第一光電二極管101兩端短接到地(GND)，此時為能量收集模式。在能量收集模式下，采能光電二極管102接收光照產(chǎn)生反向電流為電源管理電路100中的儲能電容充電，這部分收集和儲存的電能將代替電池給傳感器供電。當電源管理電路中的儲能電容被充滿后，控制信號EH變?yōu)檫壿嫷碗娖?，第二開關(guān)晶體管106和第一能量采集使能開關(guān)晶體管107截止，此時電路被切換到圖像傳感模式。在圖像傳感模式下，第一光電二極管101和采能光電二極管102同時檢測光信號強弱，并把反映光強的電壓通過源極跟隨晶體管104和第一開關(guān)晶體管105輸出到COL總線，通過外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出。輸出電壓的大小與這個像素點的光強成正比。
[0033]當傳感器中所有像素單元切換到能量收集模式后，傳感器上的所有采能光電二極管組成了一個大的光生電流源，通過圖2所示的電源管理電路中最大電源點跟蹤模塊304的正輸入端口(Vsqlar)向電源管理電路進行充電。最開始電感308上的電流為O，Vsqlar電壓等于最大電源點跟蹤模塊304負輸入端的參考電壓Vpilcit C3Vpilcit在分壓電阻301和可調(diào)電阻302分壓后，最大電源點跟蹤模塊304中第一遲滯比較器303的負端節(jié)點Vmpp的電壓小于正端電壓Vsolar，第一遲滯比較器303輸出電壓Vcnt為邏輯高電平，從而控制栗壓器模塊309中的第四開關(guān)晶體管305和第五開關(guān)晶體管306導通，第六開關(guān)晶體管307截止。此時所有光生電流通過栗壓器模塊309中的電感308流到地(GND)，當電感308中通過電流后，Vsolar電壓慢慢下降。當Vsolar電壓下降到低于VMPP+Vh(Vh是遲滯比較器303的遲滯電壓)時，比較器輸出Vcnt變?yōu)檫壿嫷碗娖讲⒖刂频谒拈_關(guān)晶體管305和第五開關(guān)晶體管306截止、第六開關(guān)晶體管307導通。由于電感308中的電流不能突變，此時電感上的電流將流向栗壓器模塊309的輸出端(Vqut)并存儲在儲能電容312中。由于第四開關(guān)晶體管305截止，Vsour端的電壓因為像素單元電路中光電二極管的電流繼續(xù)充電而慢慢上升，當電壓Vscilar大于VMPP+Vh時，第一遲滯比較器303的輸出又變?yōu)楦唠娖剑谒牡谖彘_關(guān)晶體管305和306導通、第六開關(guān)晶體管307截止，此時光生電流又通過電感308流到地。就這樣不斷重復上述過程，儲能電容312不斷被充電，電容上的電壓(Vqut)逐漸升高，當Vqut電壓大于電源管理決策模塊317的正極輸入端的電池電壓VBATT+Vh(Vh是第二遲滯比較器314的遲滯電壓)時，第二遲滯比較器314輸出邏輯低電平，通過第一反相器318使Vstrt信號變?yōu)檫壿嫺唠娖?，此時第七開關(guān)晶體管316截止、第八開關(guān)晶體管315導通，傳感器電源管理決策模塊317的供電電壓(Vm)短接到儲能電容312上。這樣，儲能電容312上收集的電能將為圖像傳感器電路供電。
[0034]當傳感器進入圖像傳感模式，儲能電容312中收集的電能被慢慢消耗，電容312上的電壓(Vciut)慢慢下降。一旦Vciut降低到小于VBATT-Vh，電源管理決策模塊317中的第二遲滯比較器314輸出變?yōu)檫壿嫺唠娖剑谄唛_關(guān)晶體管316導通、第八開關(guān)晶體管315截止，此時傳感器的電源線(Vaa)又被短接到電池電壓(Vbatt)，暫時由電池電壓(Vbatt)供電。電源管理決策模塊317等待下次儲能電容312再被充滿時將會再次切斷電池(Vbatt)并由電容312上存儲的電能給圖像傳感器供電。
[0035]電源管理電路中的調(diào)節(jié)器模塊311是為了調(diào)節(jié)儲能電容312上的電壓(Vqut)大小。在傳感器收集光能并轉(zhuǎn)化成光生電流充電時，電容312上的電壓(Vqut)不斷提高，當Vqut大于調(diào)節(jié)器模塊311中調(diào)節(jié)P型晶體管310的柵極電壓(Vref)和其閾值電壓(Vt)之和時，多余的光電電流將通過調(diào)節(jié)器模塊311中的調(diào)節(jié)P型晶體管310流向地。這樣通過晶體管310的電流電壓調(diào)節(jié)，使儲能電容312上的電壓(Vqut)穩(wěn)定在(VREF+Vt)左右，所以可以進一步通過改變晶體管310的柵極電壓(Vref)來調(diào)節(jié)傳感器期望的供電電壓值。
[0036]在流片制造后，圖像傳感器芯片進行封裝，通過封裝模塊的引腳插口，把可自供電的圖像傳感器芯片焊接到一個特別設(shè)計的印刷電路板(PCB)上。然后將PCB連接到Xilinx公司VirteX-6FPGA開發(fā)板上，該設(shè)計的開發(fā)版給傳感器芯片提供電源和數(shù)字時序控制信號。
[0037]數(shù)據(jù)輸出過程:在傳感器芯片的像素單元電路中，環(huán)境監(jiān)控物體或顆粒圖像對應的像素點光強大小的通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓需要輸出到讀取電路。陣列中這些像素點的電壓首先一行一行逐次被讀取電路中的列級采樣電路采集和保持，之后這些電壓信號被列級ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)據(jù)逐列被讀出。每一幀被傳感器逐行逐列讀出的數(shù)據(jù)由上萬個10位的二進制數(shù)組成一個數(shù)組，在基于MATLAB的圖形用戶界面還原成圖像。
[0038]計算機的基于MATLAB的圖形用戶界面(GUI)計算并顯示出環(huán)境圖像數(shù)據(jù)。利用計算機圖像識別和算法進一步實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)分析。
[0039]在本發(fā)明實例中，圖像傳感器芯片中讀取像素單元電路輸出電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換器是列級單斜式模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，即每一列對應有一個單斜式ADC。傳感器芯片的讀取電路還可由其它類型的ADC如過采樣式ADC、逐次逼近式ADC等實現(xiàn)。此外，在傳感器芯片內(nèi)部讀出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，本實例采用列級讀取，也可以使用其它系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)讀取比如全局ADC，即使用一個ADC完成讀取所有像素單元電路的輸出數(shù)據(jù)。
[0040]由此，通過使用背照式CMOS工藝制造的自供電圖像傳感器芯片并利用其中的雙模式像素單元電路和電源管理電路，實現(xiàn)圖像傳感器芯片在郊區(qū)或高空進行長期環(huán)境監(jiān)控并吸收周圍的光能，避免了頻繁地更換電源，降低了人工和維護成本。
【主權(quán)項】
1.一種用于環(huán)境監(jiān)控的自供電圖像傳感器，其特征在于，包括雙模式像素單元電路和電源管理電路(100)，電源管理電路(100)的輸入端通過第一能量采集使能開關(guān)晶體管(107)與所有雙模式像素單元電路中的采能光電二極管(102)的正極相連，其中雙模式像素單元電路包括: (1)在用于圖像傳感的復位晶體管(103)、源極跟隨晶體管(104)、第一開關(guān)晶體管(105)，和第一光電二極管(101)所組成的像素讀出單元電路基礎(chǔ)上，增加采能光電二極管(102)和第二開關(guān)晶體管(106)，第一開關(guān)晶體管(105)的柵極與行選擇控制信號SEL相連，其源極與列位線COL相連，復位晶體管(103)的柵極與復位信號RST相連，其漏極與電源信號VAA相連。第一開關(guān)晶體管(105)的源極節(jié)點即為圖像傳感的信號輸出端。 (2)電路工作狀態(tài)由雙模式像素單元電路內(nèi)的第二開關(guān)晶體管(106)和傳感器第一能量采集使能開關(guān)晶體管(107)和第二能量采集使能開關(guān)晶體管(108)的狀態(tài)來決定，通過使能控制信號EH可實現(xiàn)傳感器光能采集模式和圖像傳感模式的切換； (3)采能光電二極管(102)的正極分別通過第一能量采集使能開關(guān)晶體管(107)和第二能量采集使能開關(guān)晶體管(108)與電源管理電路(100)的輸入端和地電位相連;采能光電二極管(102)和第一光電二極管(101)的負極節(jié)點相互連接，并與源極跟隨晶體管(104)的柵極、第二開關(guān)晶體管(106)的漏極相連;在第二能量采集使能開關(guān)(108)導通時，采能光電二極管(102)和第一光電二極管(101)共同進行圖像傳感； (4)第二開關(guān)晶體管(106)和第一能量采集使能開關(guān)晶體管(107)的柵極由同一使能信號EH控制，第二能量采集使能開關(guān)(108)由使能信號EH的互補信號控制；第二開關(guān)晶體管(106)和第一能量采集使能開關(guān)晶體管(107)導通時，采能光電二極管(102)產(chǎn)生的光電流進入電源管理電路(100)的輸入端進行光能收集。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，電源管理電路(100)把光電流轉(zhuǎn)化成電能的能量存儲功能，電源管理電路(100)在電能存滿之后把傳感器切換到圖像傳感模式: (1)電源管理電路(100)包括最大電源點跟蹤模塊(304)、栗壓器模塊(309)、調(diào)節(jié)器模塊(311)和電源管理決策模塊(317)，其中，電源管理電路(100)的輸入端Vscilar與最大電源點跟蹤模塊(304)中的第一遲滯比較器(303)的正輸入端相連，同時也通過第三開關(guān)晶體管(305)與電感(308)輸入端(a)相連，第一遲滯比較器(303)的負輸入端分別通過分壓電阻(301)和可調(diào)電阻302連接到導航電壓源Vpilqt和地電位;第一遲滯比較器(303)的輸出端經(jīng)過緩沖器(320)連接到栗壓器模塊(309)中第四開關(guān)晶體管(305)、第五開關(guān)晶體管(306)、第六開關(guān)晶體管(307)的柵極;第五開關(guān)晶體管(306)的漏極連接到第六開關(guān)晶體管(307)的源極，同時也連接到電感(308)輸出端(b);第六開關(guān)晶體管(307)的漏極接入調(diào)節(jié)器模塊(311)中的調(diào)節(jié)P型晶體管(310)的源極，同時與第二遲滯比較器(314)的負極輸入端和儲能電容(312)上極板相連； (2)電源管理電路中的電源管理決策模塊(317)中的第二遲滯比較器(314)的輸出端通過第一反相器(318)接到第七開關(guān)晶體管(316)的柵極，同時也通過接地電阻(313)連接到地電位；第一反相器(318)的輸出端也同時接到第二反相器(319)的輸入端，第二反相器(319)的輸出端連接第八開關(guān)晶體管(315)的柵極;第七開關(guān)晶體管(316)和第八開關(guān)晶體管(315)的源極都接到電源電壓(Vaa);第七開關(guān)晶體管(316)的漏極接到第二遲滯比較器(314)的正極輸入端(Vbatt)。3.根據(jù)權(quán)利要求1中的傳感器，其特征在于，圖像傳感的信號輸出端即第一開關(guān)晶體管(105)的源極節(jié)點通過外接模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出。
【文檔編號】H04N5/3745GK105979178SQ201610488901
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】嚴媚, 余浩, 劉旭
【申請人】嚴媚