Ячейка термопарного приемника ик изображения

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров. Ячейка термопарного приемника ИК изображения содержит термопарный сенсор, транзистор выборки и усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего емкостью входного транзистора истокового повторителя. Изобретение обеспечивает существенное увеличение чувствительности термопарного приемника ИК изображения. 3 ил.

 

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно, к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров.

Целью изобретения является повышение чувствительности термопарных приемников ИК изображения.

Известны ячейки термопарных кремниевых неохлаждаемых приемников ИК изображения [1, 2], в которых в качестве элемента, чувствительного к излучению в инфракрасной области спектра, используется термопарный сенсор в виде диэлектрической теплочувствительной мембраны, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих микроконсолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара «горячий спай» которой расположен на мембране, а ее «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Мембрана, нагреваясь под действием ИК излучения, повышает температуру «горячего спая», создавая термо-ЭДС между «холодными» контактами. Считывание термо-ЭДС, возникающей в термопаре за счет разности температур «горячего спая» и «холодных» контактов, осуществляется КМОП-схемами, интегрированными непосредственно в кристалл [3].

Отличительной особенностью термопарных сенсоров является то, что они, обладая высоким отношением сигнал/шум, характеризуются низким уровнем отклика на тепловое излучение. Соответственно, для достижения высокой чувствительности приемника ИК изображения на основе этих сенсоров необходимо обеспечить такое усиление сигнала в ячейке, при котором входной шум усилительного тракта приемника ИК изображения не снижал бы отношения сигнал/шум сенсора.

Конструкция термопарной сенсорной ячейки, наиболее часто используемой для реализации приемника ИК изображения рассмотрена в работе [4], а также детально описана в патентной заявке [5], которая выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения. Приведенные в этих источниках сенсорные ячейки содержат термопарный сенсор и транзистор выборки, осуществляющий коммутацию ячеек с предусилителем.

При организации на основе таких сенсоров матричных приемников ИК изображения необходимое начальное усиление сигнала осуществляется предусилителями, которые расположены на периферии кристалла по одному на каждую строку (столбец) матрицы. В кристалле ИК приемника изображения с числом элементов М×N, где М - число столбцов, а N - число строк, считывание сигнала, формируемого каждым пикселем матрицы за время кадра τƒ, осуществляется методом мультиплексирования с последовательно выборкой столбцов (либо строк) матрицы. Такой способ мультиплексирования обеспечивает одновременную коммутацию элементов столбца (либо строки) с предусилителями сигналов в течении времени τƒ/М (либо τƒ/N). С увеличением числа элементов в приемнике время считывание сигнала предусилителями уменьшается, что приводит к увеличению полосы частот усилительного тракта и, соответственно, к возрастанию его шума и уменьшению чувствительности приемника.

В предлагаемом изобретении указанное ограничение снимается за счет включения в состав сенсора малошумящего каскада усиления сигнала, реализованного в виде усилителя с накачкой заряда, осуществляющего в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и его интегрирование.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности термопарного ИК приемника изображения за счет усиления сигнала сенсора при многократном его суммировании непосредственно в самой ячейке, обеспечивающим также и увеличение отношения сигнал/шум.

Указанный результат достигается за счет того, что в известную ячейку, содержащую термопарный сенсор и транзистор выборки введен усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.

Фиг. 1 иллюстрирует известную ячейку термопарного приемника ИК изображения (прототип) и схему организации матрицы ячеек ИК приемника изображения.

На фиг. 2 показана предлагаемая ячейка с термопарным сенсором и транзистором выборки, в состав которой включен усилитель с накачкой заряда, состоящий из трех полевых электродов GB, GTS, Gc с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда Di, транзистора предустановки Т2 и входного транзистора Т3 истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра τƒ приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала VTS термопарного сенсора в заряд и интегрирование последнего на емкости Csum затвора входного транзистора Т3.

На фиг. 3 приведена диаграмма импульсов, обеспечивающая функционирование ячейки, представленной на фиг. 2.

Ячейка на фиг. 2 функционирует следующим образом (фиг. 3).

1. Термопарный сенсор TS, включенный между электродами GB и GTS, создает между ними малую разность потенциалов VTS, генерируемую сенсором TS под действием ИК излучения. Электроды GB и GTS смещены напряжением VB, формирующим в приповерхностных областях полупроводниковой подложки под этими электродами области инверсии проводимости. В начале кадра в момент времени τ1 диод Di инжекции-сброса заряда смещен в обратном направлении, выходной электрод Gc заперт (Фset=0), а импульс напряжения Фset на затворе транзистора предустановки Т2 заряжает емкость Csum, равную сумме емкостей затвора транзистора Т3 и истока ST2 транзистора Т2, до потенциала VDD. Ячейка приходит в исходное состояние.

2. В момент времени t=τ2 диод Di инжекции-сброса заряда смещается в прямом направлении (Ф1=0), инжектируя за время заряд под электроды GB и GTS и переходя затем в момент времени t=τ2i в обратно смещенное состояние. При этом под электродом GTS остается часть инжектированного заряда ΔQn=CTSVTS, где CTS - емкость электрода GTS.

3. В момент времени t=τ3 открывается электрод Gc и происходит считывание заряда ΔQn на емкость Csum, уменьшая потенциал затвора транзистора Т3 на величину

4. Циклы преобразования информационного сигнала VTS в заряд и его считывание, описанные в пунктах 2 и 3, повторяются n раз. За счет этого в течение времени кадра τƒ осуществляется n-кратное суммирование заряда на емкости Csum и уменьшение

потенциала затвора транзистора Т3 на величину после чего на транзистор выборки подается импульс напряжения Фreset, производящий считывание интегрированного информационного сигнала на вход внешнего предусилителя. Таким образом, коэффициент усиления ячейки, приведенный ко входу истокового повторителя, составляет величину, равную:

Для термопарного сенсора VTS=αΔTTS, где α - коэффициент Зеебека, достигающий для сенсора с термопарами из поликристаллического кремния величины 300 мкВ/К, а ΔTTS - разность температур между «горячим» спаем и «холодными» контактами термопары. Формируемая на мембране сенсора разность температур ΔT определяется его теплофизическими параметрами и величиной поглощенного теплового излучения:

где G - теплопроводность термопары, ΔР - мощность поглощенного сенсором теплового излучения, - постоянная времени, характеризующая время реакции мембраны сенсора на изменение мощности теплового излучения, С - теплоемкость мембраны [Дж/K]. Стационарное значение ΔTTS определяется следующим выражением:

где ht - толщина термопары, gt - удельная теплопроводность материала (поликремний) термопары, Δp - поглощенная единицей площади мембраны избыточная мощность излучения абсолютно черного тел, w - ширина термопары, L - длина одного плеча термопары, А - площадь теплоприемной мембраны сенсора. Здесь учтено, что теплопроводность термопары складывается из теплопроводностей каждого из двух плеч термопары и, соответственно, равна

Принимая во внимание, что (Δp/ΔT)=ηqj, где ΔT - изменение температуры тепловой сцены, η - доля поглощаемого теплоприемной мембраной падающего излучения, q - оптический фактор, равный q=Hto/4, где H - светосила, to - пропускание объектива, а j≈2,62 Вт/м2⋅К для диапазона 8÷14 мкм, получим:

Тогда для сенсора с поликремниевой термопарой и параметрами, которые можно реализовать МЭМС-технологией с проектными нормами 0,35 мкм, а именно, ht=0,2 мкм, wt=2 мкм, А≅2500 мкм2, L≅60 мкм, а также с учетом gt=25 Вт/м⋅К, η=0,8, H=1, to=0,9, получим:

и, соответственно,

Исходя из этого, при тепловом рельефе сцены порядка 80K необходимо воспроизводить сигналы от сенсора до значений VTS≈100 мкВ.

Полагая с учетом величины напряжении питания VDD=3,0 В максимальный диапазон изменений потенциала суммирующей емкости Csum равным ΔVsum=1,0 В, а также учитывая технологически возможное соотношение получим для максимального число циклов nmax:

Соответственно, максимальный коэффициент усиления, реализуемый предлагаемой ячейкой в этом случае, будет равен:

При этом соотношение сигнал/шум по сравнению с прототипом может быть увеличено до максимальной величины, равной что существенным образом снижает требования к усилителям на периферии кристалла.

Источники информации

1. Патент США № US 8,592,765 В2

2. Патент США № US 6,163,061

3. Патент США № US 7842922

4. М. Hirota, Y. Nakajima, М. Saito, F. Satou, M. Uchiyama, 120×90 Element Thermopile Array Fabricated with CMOS Technology, Proceedings of SPIE Vol. 4820 (2003), pp. 239-249.

5. Европейская патентная заявка № ЕР 2312286 A1

Ячейка термопарного приемника ИК изображения, содержащая термопарный сенсор и транзистор выборки строки, отличающаяся тем, что с целью повышения чувствительности в ячейку введен усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего емкостью входного транзистора истокового повторителя.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптоэлектронным устройствам и может быть использовано в качестве генератора колебаний синусоидальной, пилообразной и сложной (сумма нескольких синусоид) форм на основе однородного кристалла CdS, управляемого светом.
Изобретение относится к области преобразования вакуумного ультрафиолетового излучения (ВУФ) в электричество и регистрации ВУФ излучения. Предложен высокотемпературный фотопреобразователь ультрафиолетового диапазона, содержащий чувствительный элемент на основе синтетического алмаза, при этом конструкция преобразователя содержит гомоэпитаксиальную структуру, представляющую собой подложку из НРНТ алмаза р-типа, сильно легированного бором, с нанесенной алмазной CVD-пленкой типа IIa толщиной ~10 мкм, и дополнительно введенный нагревающий элемент для обеспечения рабочей температуры УФ преобразователя до температуры 300°C.

Изобретение относится к оптоэлектронной технике, а именно к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения.

Изобретение относится к технологии материалов электронной техники, а именно к способам получения эпитаксиальных слоев узкозонных полупроводниковых твердых растворов CdxHg1-xTe для изготовления на их основе фотовольтаических приемников инфракрасного излучения.

Использование: для обнаружения и/или измерения электромагнитных излучений. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковая структура, способная принимать электромагнитное излучение (λ) и преобразовывать его в электрический сигнал, содержит первую и вторую области одного и того же типа проводимости, которые состоят из одних и тех же элементов, барьерную область между первой и второй областями для действия в качестве барьера для основных носителей первой и второй зон на толщине барьера, причем барьерная область имеет наименьшую ширину запрещенной зоны, определяющую барьерное соотношение для барьера, первую граничную область, расположенную так, чтобы граничить с первой областью и барьерной областью с первой граничной толщиной, причем первая граничная область имеет состав из составляющих элементов, который изменяется от соотношения, соответствующего соотношению первого материала, до барьерного соотношения, и первая граничная толщина равна, по меньшей мере, половине толщины барьера.

Изобретение относится к радиографии, в частности к системам цифрового изображения в рентгеновских и гамма-лучах с помощью многоканальных полупроводниковых детекторов на основе полуизолирующего арсенида галлия.

Изобретение относится к инфракрасной технике и может быть использовано при изготовлении микроболометрических матриц, детектирующих излучение в двух инфракрасных (ИК) диапазонах с длинами волн 3-5 мкм и 8-14 мкм, соответствующих окнам прозрачности атмосферы.

Изобретение относится к оптоэлектронике и вакуумной микроэлектронике и может быть использовано при создании сверхширокополосных фотодетекторов в ультрафиолетовой, видимой и ИК области спектра для оптической спектроскопии и диагностики, систем оптической связи и визуализации.

Использование: для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения. Сущность изобретения заключается в том, что автономный приемник для регистрации рентгеновского и ультрафиолетового излучения включает металлический корпус, прозрачную диэлектрическую подложку, фоточувствительный слой из АФН-пленки и металлические контакты, при этом между прозрачной диэлектрической подложкой и металлическим корпусом помещено отражающее покрытие, приемник снабжен полусферической зеркальной крышкой, имеющей окно, прозрачное для рентгеновского и ультрафиолетового излучения.

Изобретение относится к области низкоразмерной нанотехнологии и высокодисперсным материалам и может быть использовано при изготовлении детекторов электромагнитного излучения, преимущественно оптического, с наноструктрированным поглощающим (фоточувствительным) слоем.

Устройство фотоэлектрического преобразования, содержащее первый участок фотоэлектрического преобразования, являющийся первым фотодиодом и выполненный с возможностью формировать электроны; и второй участок фотоэлектрического преобразования, являющийся вторым фотодиодом и выполненный с возможностью формировать дырки.

Изобретение относится к твердотельному датчику изображений и камере. Твердотельный датчик изображений включает в себя группу микролинз, в которой множество микролинз скомпонованы так, чтобы составлять множество строк и множество колонок.

Изобретение относится к устройству захвата изображения. Устройство захвата изображения содержит: пиксельную область, имеющую множество пикселей, которые размещены двухмерным образом, причем каждый из множества пикселей служит в качестве пикселя захвата изображения и пикселя обнаружения фокуса, каждый из множества пикселей выполнен с возможностью выдавать сигнал для обнаружения фокуса на основе обнаружения разности фаз; множество асимметричных микролинз, причем каждая из множества асимметричных микролинз размещена согласно множеству блоков фотоэлектрического преобразования соответствующих пикселей.

Изобретение относится к устройству захвата изображения. Устройство захвата изображения содержит: пиксельную область, имеющую множество пикселей, которые размещены двухмерным образом, причем каждый из множества пикселей служит в качестве пикселя захвата изображения и пикселя обнаружения фокуса, каждый из множества пикселей выполнен с возможностью выдавать сигнал для обнаружения фокуса на основе обнаружения разности фаз; множество асимметричных микролинз, причем каждая из множества асимметричных микролинз размещена согласно множеству блоков фотоэлектрического преобразования соответствующих пикселей.

Изобретение относится к устройству формирования изображений. Технический результат заключается в обеспечении линии управления для каждой ячейки в модуле формирования изображений.

Изобретение относится к устройству формирования изображения, системе формирования изображения и способу изготовления устройства формирования изображения. Изобретение позволяет уменьшить изменение характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом.

Группа изобретений относится к области фиксации изображений с помощью пиксельной матрицы с фотоэлектрическим преобразованием. Раскрыты устройство фиксации изображений и способы возбуждения для устройства фиксации изображений.

Предоставлен полевой транзистор, содержащий электрод затвора, предназначенный для приложения напряжения затвора, электрод истока и электрод стока, оба из которых предназначены для вывода электрического тока, активный слой, образованный из оксидного полупроводника n-типа, предусмотренный в контакте с электродом истока и электродом стока, и изолирующий слой затвора, предусмотренный между электродом затвора и активным слоем, при этом работа выхода электрода истока и электрода стока составляет 4,90 эВ или более, а концентрация электронов - носителей заряда оксидного полупроводника n-типа составляет 4,0×1017 см-3 или более.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения содержит фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя, транзистор выборки строки и малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра.

Изобретение относится к устройству фотоэлектрического преобразования и к системе формирования изображений. Устройство фотоэлектрического преобразования согласно изобретению включает в себя пиксел, который включает в себя блок фотоэлектрического преобразования, транзистор сброса и усилительный транзистор, который выводит сигнал из блока фотоэлектрического преобразования.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается детектора электромагнитного излучения. Детектор содержит множество микроучастков, каждый из которых включает в себя чувствительную к излучению мембрану.

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным приемникам изображения, а более конкретно к инфракрасным неохлаждаемым твердотельным приемникам ИК изображения на основе термопарных сенсоров. Ячейка термопарного приемника ИК изображения содержит термопарный сенсор, транзистор выборки и усилитель с накачкой заряда, который состоит из 3-х полевых электродов с зарядовой связью между смежными электродами, диода инжекции-сброса заряда, транзистора предустановки и входного транзистора истокового повторителя, осуществляющих в течение времени кадра приемника ИК изображения многократное преобразование информационного сигнала в заряд и интегрирование последнего емкостью входного транзистора истокового повторителя. Изобретение обеспечивает существенное увеличение чувствительности термопарного приемника ИК изображения. 3 ил.

Наверх