焦平面红外传感器及其信号读出方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，特别是涉及一种焦平面红外传感器及其信号读出方法。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本技术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。
6.本技术提供一种焦平面红外传感器，包括：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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
11.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。
12.本技术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
13.下步骤：
14.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；
15.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；
16.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
17.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。
18.本技术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。
19.为让本技术的上述和其他目的、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
20.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；
21.图2是本技术一实施例的焦平面红外传感器的电路结构示意图；
22.图3是本技术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
23.图4是本技术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
24.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不
是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
25.本技术中所使用的术语“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。
26.本技术中所使用的术语“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技术的限制。
27.下面结合附图对本技术实施例做进一步详述。
28.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，n型mos管m20的栅极接收一控制信号gfidv。若干行选通开关mos管mr0-mrn的栅极分别接收行选控制信号rs《0》-rs《n》，其中n为大于等于1的任意整数。盲元电阻rb的第一端接收电压信号vsk，第二端连接p型mos管的源端，p型mos管m10的漏极连接n型mos管的漏极和积分放大器的负输入端，积分放大器a0的正输入端接收一参考信号vref。积分电容c10和重置开关m30连接在积分放大器a0的负输入端和输出端之间。n型mos管m20的源极连接若干行选通开关mos管mr0-mrn的漏极，行选通开关mos管mr0-mrn的源极分别通过敏感元电阻r0-rn接地。敏感元电阻r0-rn会随着受到的红外辐射的不同而改变，使流过自身的电流ia发生变化，ib为流过盲元电阻rb的电流，积分电流iint＝ib-ia，积分电压δvint＝iint
×
tint/c10，其中tint为积分时间，输出电压为vout＝vref-δvint，因此，输出电压vout会随着红外辐射温度的变化而改变。
29.上述焦平面红外传感器的电路结构由于盲元电阻rb和敏感元电阻r0-rn连接的电路结构不一致，使敏感元电阻mr0-mrn上的电压不稳定，因此积分电流iint容易受到干扰，输出信号中固定格式噪声明显，影响热成像质量，即使在后端通过调整vsk电压做逐点校正，也无法做到理想状态，同时大幅度增加系统复杂度与成本。
30.本技术提供的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，并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。
31.图2是本技术一实施例的焦平面红外传感器的电路结构示意图。本技术焦平面红外传感器包括运算放大器amp10，盲元电路100，敏感元电路200，减法电路300，以及积分电路400。所述运算放大器amp10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amp10的正输入端接收一第一参考电压信号vrep1。
32.所述盲元电路100包括若干盲元电阻rd0-rdn(本实施例中n＝1)，所述盲元电路100与所述运算放大器amp10的负输入端以及输出端相连，所述盲元电路100根据所述运算放大器amp10的偏置产生暗场电流id。所述暗场电流id包括没有红外辐照时盲元电阻rd0～rdn所感应的电流，或是红外辐照下热量快速散失时的电流；所述盲元电阻rd0～rdn可以通
过挡光结构遮挡红外辐照，或者通过加速散热结构，避免电阻上热量积累。
33.所述敏感元电路200包括若干敏感元电阻ra0-ran，所述敏感元电路200与所述运算放大器amp10的负输入端以及输出端相连，所述敏感元电路200根据所述运算放大器amp10的偏置产生热电流ia；其中，所述盲元电阻rd0-rdn与所述敏感元电阻ra0-ran具有相同的电路连接结构。所述减法电路300与所述盲元电路100和所述敏感元电路200的输出端相连，用于将所述暗场电流id与所述热电流ia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。
34.其中，所述减法电路300还包括一选择电路310，所述选择电路310选择性导通以使所述盲元电路100或所述敏感元电路200根据所述运算放大器amp10的偏置产生所述暗场电流id或热电流ia；以及积分电路400，与所述减法电路300相连，用于在积分周期内对所述电流差进行积分。
35.在一个实施例中，所述盲元电路100还包括第一开关晶体管ms1，第二开关晶体管ms2，和第一晶体管m1。所述盲元电阻rd0-rdn的第一端接地，其第二端通过所述第一开关晶体管ms1连接到所述运算放大器amp10的负输入端，且与所述第一晶体管m1的第一端相连，所述第一晶体管m1的栅极连接到所述运算放大器amp10的输出端，所述第一晶体管m1的的第二端通过所述第二开关晶体管ms2连接到所述减法电路300，所述第一开关晶体管ms1与所述第二开关晶体管ms2的栅极受到盲元行选信号rsd《0》～rsd《n》控制使所述盲元电阻rd0-rdn工作或不工作。在一个实施例中，所述第一开关晶体管ms1，第二开关晶体管ms2，第一晶体管m1为nmos晶体管。
36.在一个实施例中，所述敏感元电路200包括第三开关晶体管ms3，第四开关晶体管ms4和第二晶体管m2。所述敏感元电阻ra0-ran的第一端接地，其第二端通过所述第三开关晶体管ms3连接到所述运算放大器amp10的负输入端，并且还与所述第二晶体管m2的第一端相连，所述第二晶体管m2的栅极连接到所述运算放大器amp10的输出端，所述第二晶体管m2的的第二端通过所述第四开关晶体管ms4连接到所述减法电路300，所述第三开关晶体管ms3与所述第四开关晶体管ms4的栅极受到敏感元行选信号rsa《0》～rsa《n》控制以使所述敏感元电阻ra0-ran工作或不工作。在一个实施例中，所述第三开关晶体管ms3，第二开关晶体管ms4和第二晶体管m2为nmos晶体管。
37.在一个实施例中，所述减法电路300为一镜像偏置电路，包括第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5以及第六晶体管m6，所述第三晶体管m3和第四晶体管m4的第一端与一电压源vdd相连，所述第三晶体管m3和第四晶体管m4的第二端分别与所述第五晶体管m5和第六晶体管m6的第一端相连，所述第三晶体管m3与所述第四晶体管m4的栅极通过一第一采样开关s1互连,所述第三晶体管m3的栅极还与所述第五晶体管m5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c1接地；所述第五晶体管m5和第六晶体管m6的栅极通过一第二采样开关s2互连，所述第五晶体管m5的第二端与所述第六晶体管m6的第二端与所述选择电路310相连，第六晶体管m6的栅极还通过一第二采样电容c2接地。其中，所述第一采样开关s1、第二采样开关s2可以是晶体管开关，比如nmos晶体管开关、pmos晶体管开关或是cmos晶体管开关。
38.在一个实施例中，所述选择电路310包括第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6。所述第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6的第一端分别与所述第五晶体管m5和
第六晶体管m6的第二端相连，所述第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6的第二端相连，并与所述盲元电路100和敏感元电路200的输出端相连，所述第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6的栅极分别接收控制信号sel_d和sel_a以交替导通或截止，从而使所述盲元电路100根据所述运算放大器amp10的偏置产生暗场电流id，或使所述敏感元电路200根据所述运算放大器amp10的偏置产生热电流ia。
39.在一个实施例中，所述第五开关晶体管ms5、第六开关晶体管ms6、第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5以及第六晶体管m6为pmos晶体管。在一个实施例中，所述第三晶体管m3、第四晶体管m4、第五晶体管m5、第六晶体管m6、所述第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6分别包括若干并联的单个晶体管，所述第三晶体管m3和第四晶体管m4中的单个晶体管尺寸相同，所述第五晶体管m5和第六晶体管m6的单个晶体管尺寸相同，所述第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6中的单个晶体管尺寸相同，且所述第五晶体管m5与第六晶体管m6中的单个晶体管的数量比例关系，与所述第三晶体管m3与第四晶体管m4中的中的单个晶体管的数量比例关系相等，也与所述第五开关晶体管ms5和第六开关晶体管ms6中的单个晶体管的数量比例关系相等。该数量比例关系等于盲元电阻rd0～rdn的数量。本实施例中，所述盲元电阻rd0～rdn的数量为2个。在其他实施例中，所述盲元电阻rd0～rdn的数量可为多个。
40.在一个实施例中，所述积分电路400为电容反馈跨阻放大(ctia)结构，包括一互阻抗放大器a1，一积分电容cin以及一积分重置开关mr1，所述积分电容cin的第一端接所述互阻抗放大器a1的负输入端，所述积分电容cin的第二端接互阻抗放大器a1的输出端，所述互阻抗放大器a1的正输入端接收一第二参考电压信号vref2，所述积分重置开关mr1的第一端接所述互阻抗放大器a1的负输入端，所述积分重置开关mr1的第二端接所述互阻抗放大器a1的输出端，所述积分重置开关mr1用于在自动清零期间接收一积分重置信号az，通过控制积分重置开关mr1以对所述积分电容cin进行重置。在一个实施例中，所述积分电容cin的电容大小可调，通过设置积分电容cin不同的电容大小，可以实现积分增益调节。在一个实施例中，所述积分电路400还包括一积分控制开关s3，连接在所述减法电路300与所述互阻抗放大器a1的负输入端之间，用于控制积分的停止。其中，所述积分控制开关s3可以是晶体管开关，比如nmos晶体管开关、pmos晶体管开关或是cmos晶体管开关。在一个实施例中，所述积分电路400还包括一第三采样电容c3，连接在所述互阻抗放大器a1的负输入端与地之间。
41.本技术图2所提供的焦平面红外传感器的电路结构只示意了一列像素的简化电路结构，在实际产品中，所述盲元电路100、敏感元电路200、以及减法电路300和积分电路400构成的读出电路均以阵列形式存在，每列敏感元像素通过一个读出电路读出信号，以获取一幅完整的热成像图像。
42.图3及图4是本技术提供的两个实施例的焦平面红外传感器的信号读出的工作时序图。本技术提供一种应用于上述焦平面红外传感器的信号读取方法，包括以下步骤：
43.所述盲元电路100的盲元行选信号rsd《0》～rsd《n》选通，所述积分控制开关s3导通，所述选择电路中的第五开关晶体管ms5、第一采样开关s1和第二采样开关s2导通，第六开关晶体管ms6关闭，运算放大器amp10对盲元电路100产生偏置，盲元电路100产生的暗场电流id(暗场电流id的电流值为第一参考电压信号vrep1分别除以盲元电阻rd0-rdn的阻值确定)流过所述减法电路300左半侧，产生偏置电压经过第一采样开关s1和第二采样开关s2
镜像至所述减法电路300的右半侧；
44.所述第五开关晶体管ms5、第一采样开关s1和第二采样开关s2关闭，第六开关晶体管ms6导通，所述偏置电压被采样到所述第一采样电容c1、第二采样电容c2中；
45.所述敏感元电路200的敏感元行选信号rsa《0》～rsa《n》依次选通，所述选择电路中的第六开关晶体管ms6导通，所述敏感元电路200由所述运算放大器amp10产生偏置，产生热电流ia(热电流ia的电流值由第一参考电压信号vrep1分别除以敏感元电阻ra0-ran的阻值确定)，所述敏感元电阻ra0-ran在红外照射下热量积累，温度升高，电阻变大，热电流ia变小，所述敏感元电阻ra0-ran产生的热电流ia流过所述减法电路300右半侧；以及
46.所述暗场电流id和热电流ia在所述减法电路300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，并输入至所述互阻抗放大器a1的负输入端。
47.具体地，在自动清零或重置信号量化期间(t1)，所述积分重置信号az为高电平，所述积分重置开关mr1导通，所述电流差直接流入所述互阻抗放大器a1的输出端，所述互阻抗放大器a1输出端输出的电压信号amp_out等于所述正输入端的第二参考电压信号vref2，代表复位信号。其中，在本技术图3提供的实施例中，在第一次自动清零周期，即开始同时对所述复位信号进行量化(参考信号ramp/count_en的时序)，得到数字化复位信号。在本技术图4提供的实施例中，在第二次自动清零周期，才开始同时对所述复位信号进行量化(参考信号ramp/count_en的时序)，得到数字化复位信号。
48.在自动清零或重置信号量化期间(t1)之后，进入积分周期(t2)，在积分周期(t2)，所述积分重置信号az为低电平，所述积分重置开关mr1断开，所述减法电路300流出的电流差在所述积分电容cin上积分，所述互阻抗放大器a1输出端输出的电压信号amp_out逐渐下降。其中，积分过程中，积分电压与积分电流、积分电容和积分时间的关系与现有技术计算方法一致，即积分电压等于积分电流乘以积分时间除以积分电容，在此不再赘述。
49.在积分周期(t2)之后进入图像信号量化期间(t3)，在图像信号量化期间(t3)，所述积分控制开关s3断开，所述积分电路400停止积分，所述互阻抗放大器a1输出端的电压信号amp_out为图像信号，并对所述图像信号进行量化(参考信号ramp/count_en的时序),得到数字图像信号。此后又进入自动清零/重置信号量化周期周期。
50.在本技术图4所提供的实施例中，由于图像信号和重置信号的量化之间没有间隔较长的积分时间，两次采样时间间隔较短，可以更好地抑制低频噪声。
51.进一步地，通过后端电路对所述数字化复位信号和数字化图像信号做减法，得到最终有效输出量化数字信号，所述最终有效输出量化数字信号正比于所述敏感元电路200所感应的温度。
52.本技术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。而且由于盲元电路和敏感元电路共用一个运算放大器，因此占用面积小，芯片集成度更高。
53.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实
施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
54.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本技术不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
55.应该理解的是，虽然本技术实施例中的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，其可以以其他的顺序执行。而且，图中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，其执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其他步骤或者其他步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
56.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。