CN101949737B

CN101949737B - 一种红外焦平面阵列的行选通电路

Info

Publication number: CN101949737B
Application number: CN2010102579862A
Authority: CN
Inventors: 吕坚; 蒋亚东; 冷余平; 周云; 李凯
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: CN101949737A

Abstract

本发明公开了一种红外焦平面阵列的行选通电路，包括行选控制信号发生器及其控制连接的分别位于每个像素单元(Rs)两端、各自对应的二个选通开关，其特征在于：红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个一侧选通开关、而第2K-1和2K个像素单元共同连接一个另一侧选通开关，K为自然数，进一步包括与每个像素单元并联的对应复位开关。该行选通电路在逐行选通基础上通过复用减少选通开关数量，进一步通过复位开关能够在行选期间短接未被选通的像素单元，消除未被选通的像素单元上寄生电荷对被选通像素单元上读出信号的影响。

Description

一种红外焦平面阵列的行选通电路

技术领域

本发明涉及微电子和光电子技术领域，具体涉及一种红外成像***中红外焦平面阵列的行选通电路。

背景技术

红外焦平面阵列探测器是一种可探测目标红外辐射的探测器，通过光电转换、电信号处理等手段将目标物体的温度分布转换成视频图像，是一种集光、机、电等尖端技术于一体的高科技产品。其具有抗干扰能力强、隐蔽性能好、跟踪、制导精度高等优点，在军事和民用领域获得了广泛的应用。

微测辐射热计焦平面阵列(FPA)具有较高的灵敏度，是应用最广泛的一种非制冷红外焦平面阵列探测器。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探测红外辐射信号的大小。微测辐射热计普遍采用微机械加工技术制作的悬臂梁微桥结构，桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料，桥面由两条具有良好力学性能并镀有导电材料的桥腿支撑，桥腿与衬底的接触点为桥墩，桥墩电学上连接到微测辐射热计FPA下的硅读出电路(ROIC)上。通过桥腿和桥墩，热敏材料连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。

为满足军事和民用需要，非制冷红外探测器的主要发展趋势为进一步缩小体积、增大分辨率、降低功耗和成本等，其中，扩大像素阵列、减小像素尺寸成为红外焦平面阵列研究的热点。九十年代初，Honeywell公司报道了320×240像素的微测辐射热计FPA，像元尺寸为50×50μm²；美国DRS技术公司研制的320×240像素的热像仪U3000，像素尺寸为51×51μm²，2001年研制成功640×480焦平面为核心的热像仪U6000，像素尺寸为25.4×25.4μm²，并于2002年5月对该热像仪进行了演示；Raytheon公司目前已研制成功640×480像素，像元尺寸为25×25μm²，该公司正在研制像元尺寸20×20μm²，640×512阵列的IRFPA。

小尺寸、大阵列是高性能红外焦平面探测器发展的方向。然而，在减小像素尺寸的同时，微测辐射热计的支撑桥腿以及作为与读出电路电学连接的桥墩，面积通常并不能等比例减小，从而导致相比大尺寸像素，其有效红外吸收面积占空比减小，探测器响应率降低，性能下降。为此，红外焦平面阵列发展了一种同列相邻微桥单元共用桥墩的结构，这种阵列中像素单元使用典型的悬臂梁微桥结构，同列中相邻的两个微桥单元各有一条桥腿共同连接到一个桥墩上，微桥单元的另一条桥腿与相邻的另一个微桥单元的一条桥腿共同连接到第二个桥墩上，每列的N个像素单元只需要N+1个桥墩即可。相比传统焦平面阵列每个像素单元独立使用两个桥墩，每一列减少了N-1个桥墩的使用，从而提高了像素红外吸收有效面积占空比，使得在增大像素阵列，减小像素尺寸的同时，仍然保持探测器响应率在较高的水平。这种红外焦平面阵列结构需要与之对应的行选通电路，完成对各像素信号的读取。传统的一种行选通电路是每个像素单元使用两个选通开关控制，每个选通开关控制一个像素单元，对每列的N个像素单元需要2N个选通开关。一方面，选通开关越多，引入的非理想因素就越大，同时在像素阵列下占用的芯片面积就越大，尤其在小尺寸像素阵列下较为明显；另一方面，未被选通的像素单元没有短接，像素单元上的寄生电荷等可能会对被选通像素单元上的读出信号产生影响。

发明内容

本发明所要解决的问题是：如何提供一种红外焦平面阵列的行选通电路，它能对采用同列相邻微桥单元共用桥墩结构的焦平面阵列实现逐行选通；并在此基础上实现选通开关复用，减少选通开关的数量；进一步，该行选通电路可使用复位控制开关，在行选期间短接未被选通的像素单元，消除未被选通的像素单元上寄生电荷对被选通像素单元上读出信号的影响，保证该红外焦平面阵列结构的微测辐射热计能够正常工作。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种红外焦平面阵列的行选通电路，包括行选控制信号发生器及其控制连接的分别位于每个像素单元两端、各自对应的二个选通开关(前置选通开关和后置选通开关)，其特征在于：红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个一侧选通开关、而第2K-1和2K个像素单元共同连接一个另一侧选通开关，K为自然数，具体可以是：(一)红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个前置选通开关、而第2K-1和2K个像素单元共同连接一个后置选通开关，或者(二)红外焦平面阵列每列中第2K-1和2K个像素单元共同连接一个前置选通开关、而第2K和2K+1个像素单元共同连接一个后置选通开关。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列的行选通电路，其特征在于，包括两种形式：

(一)所述红外焦平面阵列的行数是2N，K＜N，N为自然数，所述红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个一侧选通开关，而第2K-1和2K个像素单元共同连接一个另一侧选通开关，且第1和2N个像素单元单独连接各自的一个一侧选通开关。

(二)所述红外焦平面阵列的行数是2N+1，K＜N，N为自然数，所述红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个一侧选通开关，而第2K-1和2K个像素单元共同连接一个另一侧选通开关，且第1个像素单元单独连接一个一侧选通开关，第2N+1个像素单元单独连接一个另一侧选通开关。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列的行选通电路，其特征在于，所述一侧是偏置电压侧，另一侧是读出电路侧；或者所述一侧是读出电路侧，另一侧是偏置电压侧；按信号读出方向定义偏置电压VDET侧选通开关为前置选通开关、读出电路ROIC侧选通开关为后置选通开关，具体以2N行数的红外焦平面阵列为例，包括两种具体电路形式：

①前多后少结构(如图3)：红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个前置选通开关，第2K-1和2K个像素单元共同连接一个后置选通开关，而由于0＜K＜N，则没有前置选通开关相邻共用像素单元的第1和2N个像素单元单独连接使用各自的一个前置选通开关；

②前少后多结构(如图4)：红外焦平面阵列每列中第2K-1和2K个像素单元共同连接一个前置选通开关、第2K和2K+1个像素单元共同连接一个后置选通开关，而由于0＜K＜N，则没有后置选通开关相邻共用像素单元的第1和2N个像素单元单独连接使用各自的一个后置选通开关。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列的行选通电路，其特征在于，该行选通电路还包括与每个像素单元并联的对应复位开关。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列的行选通电路，其特征在于，所述复位开关控制端连接行选控制信号发生器。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列的行选通电路，其特征在于，控制信号发生器包括但不限制于采用微处理器的脉宽调制PWM模块实现。

按照本发明所提供的红外焦平面阵列的行选通电路，其特征在于，所述选通开关优选场效应CMOS晶体管。

本发明有益效果在于：1、采用此种行选通电路，能够对采用同列相邻微桥单元共用桥墩结构的焦平面阵列实现有效地逐行选通；2、采用此种红外焦平面阵列结构对应的行选通电路，结构简单，能够实现选通开关复用，减少选通开关的使用数量；进一步：3、采用此种红外焦平面阵列结构对应的行选通电路，能够在行选期间短接未被选通的像素单元，消除未被选通的像素单元上寄生电荷对被选通像素单元上读出信号的影响。

附图说明

图1是本发明所针对的红外焦平面阵列结构图；

图2是该焦平面阵列结构所用一种传统的选通电路图；

图3是本发明所用的一种选通电路图；

图4是本发明所用的另一种选通电路图；

图5是本发明在图3所示电路基础上的一种具有复位功能的选通电路图；

图6是本发明在图3所示电路基础上的一种读出电路通道结构图；

图7是本发明在图5所示电路基础上的一种具有复位功能的读出电路通道结构图；

图8是本发明对应图6所示电路的一种选通电路的信号波形图；

图9是本发明对应图7所示电路的一种具有复位功能的选通电路信号波形图。

具体实施方式

首先，说明本发明基础和核心：

本发明红外焦平面阵列的行选通电路，该焦平面阵列的像素单元具体使用悬臂梁微桥结构，桥腿、桥墩为微桥单元提供与读出电路连接的电学通道，同列中相邻微桥单元采用共用桥墩的设计方式连接到行选通电路上；采用一种相应的行选通电路，行选通电路由选通开关与行选控制信号产生电路组成，选通开关在行选控制信号的控制下闭合或断开；每个像素单元分别由两个选通开关同时控制，两个选通开关同时闭合时该像素单元被选通，连接到信号读出通道闭合回路中；每个选通开关同时控制两个像素单元实现开关复用，任一选通开关断开时，其控制的两个像素单元均不被选通，不被连接到信号读出通道闭合回路中。在相应的行选控制信号下对像素阵列进行逐行选通。

上述选通开关的一端连接到微桥桥墩上，另一端连接到信号读出通道中，一个微桥单元两端桥墩分别连接到两个选通开关上；行数为2N的焦平面阵列，每一列需要2N+1个选通开关S0、S1、S2……S2N，其中开关S0、S2……S2N控制像素单元与偏置电压VDET的连接，开关S1、S3……S2N-1控制像素单元与MOS偏置管的源极连接，第i个像素单元由选通开关Si-1和Si共同控制，1≤i≤2N，Si-1和Si同时闭合时，第i个像素单元被选通，连接到信号读出通道闭合回路中，否则不被选通。

上述选通开关S0、S1、S2……S2N的闭合与关断由行选控制信号SEL_0、SEL_1、SEL_2……SEL_2N决定；进行逐行选通时，首先在第一个选通有效周期，置每列的SEL_0和SEL_1有效，开关S0、S1闭合，第1个像素单元通过开关S0、S1分别连接到VDET和MOS偏置管的源极，从而连接到信号读出通道闭合回路中，开关S2、S3……S2N关断，第2～2N个像素单元不被选通；下一个选通有效周期，置每列的SEL_1和SEL_2有效，S1、S2闭合，第2个像素单元通过开关S1、S2分别连接到MOS偏置管的漏极和VDET，从而连接到信号读出通道闭合回路中，开关S0、S3、S4……S2N关断，第1、3～2N个像素单元不被选通；以此类推，依次选通每列第3～2N个像素单元。

上述行选通电路在每列可使用2N个复位控制开关SR1、SR2……SR2N将不被选通的像素单元短接，开关SRi的两端分别连接到第i个像素单元的两端，防止像素单元在电学上一端悬空；SR1、SR2……SR2N的闭合与关断由控制信号EN_1、EN_2……EN_2N决定。第1个像素单元被选通时，EN_1无效，SR1关断，EN_2、EN_3……EN_2N有效，SR2、SR3……SR2N闭合；以此类推，依次在第i个像素单元选通时关断SRi闭合其余复位控制开关。

第二，结合附图对本发明作进一步描述：

图1是本发明所针对的焦平面阵列结构，像素单元使用悬臂梁微桥结构，桥面沉积有一层具有高电阻温度系数(TCR)的热敏材料(如氧化钒或非晶硅等)，桥面由两条具有良好力学性能的桥腿支撑，使用L形桥腿从而增大长度，减小热导，桥腿连接到与衬底接触的桥墩上，桥墩在电学上与读出电路相连。通过桥腿和桥墩，热敏材料连接到读出电路的电学通道中，形成一个对温度敏感并连接到读出电路上的像素单元。每一列中相邻的两个微桥单元各有一条桥腿共同连接到一个桥墩上，微桥单元的另一条桥腿与相邻的另一个微桥单元的一条桥腿共同连接到第二个桥墩上；每一列的第一个微桥单元与最后一个微桥单元分别有一条桥腿独自使用一个桥墩，列与列之间的像素单元不共用桥墩。因此对M×N像素阵列只需要M×(N+1)个桥墩，其中M为像素阵列的行数，N为列数。对4×4焦平面阵列，总共只需要4×5个桥墩。

图2是图1所述焦平面阵列结构所用一种传统的选通电路图，Rs代表一行像素单元，每个像素单元由两个选通开关同时控制选通，每个选通开关控制一个像素单元的选通，因此行数为2N的焦平面阵列，每一列共有2N个Ts，共需要4N个选通开关。选通开关由对应行选控制信号sel0、sel1……sel2N决定。第一个行选通有效周期，sel0有效时，选通第一行像素单元，sel2、sel3……sel2N无效，断开第2～2N行像素单元；以此类推对像素阵列逐行选通。这种选通结构使用了较多的选通开关，同时在行选期间没有对未选通像素单元短接复位。

图3是本发明所用的一种选通电路图，Rs代表图1中所示的一行像素单元，每个像素单元两端的桥墩分别连接1个选通开关，S0、S1、S2……S2N为选通开关，选通开关的一端连接到微桥桥墩上，另一端连接到信号读出通道中；行数为2N的焦平面阵列，每一列共有2N个Rs，同列相邻的Rs共用1个选通开关，实现开关复用，共需要2N+1个选通开关S0、S1、S2……S2N。其中开关S0、S2……S2N控制像素单元与偏置电压VDET的连接，开关S1、S3……S2N-1控制像素单元与读出通道的另一部分读出电路ROIC连接，第i个像素单元由选通开关Si-1和Si共同控制，1≤i≤2N，Si-1和Si同时闭合时，第i个像素单元被选通，连接到信号读出通道闭合回路中，否则不被选通。

同理，按信号读出方向定义VDET侧选通开关为前置选通开关，ROIC侧选通开关为后置选通开关，颠倒前后顺序建立图4所示的本发明另一种选通电路，可实现图3所示电路相同功能。

图5是本发明所用的一种具有复位功能的选通电路图，与图3选通电路相比，图5选通电路为每个像素单元两端分别增加了一个复位开关。每列使用2N个复位控制开关SR1、SR2……SR2N短接不被选通的像素单元，开关SRi的两端分别连接到第i个像素单元的两端，防止像素单元在电学上一端悬空。第1个像素单元被选通时，SR1关断，SR2、SR3……SR2N闭合，使第2～2N个像素单元两端短路；以此类推，依次在第i个像素单元选通时关断SRi，闭合其余复位控制开关。

图6是本发明所用的一种读出电路通道结构图，选通开关S0、S1、S2……S2N使用NMOS晶体管实现，S0、S1、S2……S2N的导通与关断由行选控制信号SEL_0、SEL_1、SEL_2……SEL_2N决定；进行逐行选通时，首先在第一个选通有效周期，置SEL_0和SEL_1高有效，S0、S1导通，第1个像素单元分别连接到VDET和偏置MOS晶体管NM的源极，从而连接到信号读出通道闭合回路中，S2、S3……S2N关断，第2～2N个像素单元不被选通；下一个选通有效周期，置SEL_1和SEL_2高有效，S1、S2导通，第2个像素单元分别连接到NM的源极和VDET，从而连接到信号读出通道闭合回路中，S0、S3、S4……S2N关断，第1、3～2N个像素单元不被选通；以此类推，依次选通每列第3～2N个像素单元。被选通的像素单元连接到信号读出通道闭合回路中，电压VFID通过NMOS晶体管NM与电压VDET偏置被选通的Rs，产生电流Is；Rb为盲像元，用于消除***暗电流，电压Veb通过PMOS晶体管PM与电压Vsk共同偏置Rb，产生电流Ib；放大器Op与积分电容Cint构成积分器，Vref为参考电压，Is与Ib的差值id为积分电流，在积分有效期间，Cint的复位开关Reset断开，id在Cint上进行积分得到输出电压Vout，不同的选通周期，对应选通相应像素单元Rs，信号读出通道得到对应的输出电压Vout。

图7是本发明所用的一种具有复位功能的读出电路通道结构图，复位控制开关SR1、SR2……SR2N使用NMOS管实现，SRi的两端分别连接到第i个像素单元的两端，防止像素单元在为选通时电学上一端悬空。SR1、SR2……SR2N的导通与关断由控制信号EN_1、EN_2……EN_2N决定。第1个像素单元被选通时，EN_1低无效，EN_2、EN_3……EN_2N高有效，SR1导通，SR2、SR3……SR2N闭合；以此类推，依次在第i个像素单元选通时关断SRi，其余复位控制开关导通。其余部分控制信号时序和功能与图6所示相同。

图8是本发明所用的一种选通电路的信号波形图。信号波形对应图6选通电路部分NMOS开关S0、S1、S2……S2N的控制信号SEL_0、SEL_1、SEL_2……SEL_2N，在第一行选通有效期间，SEL_0和SEL_1高有效，SEL_2、SEL_3……SEL_2N低无效，从而使S0和S1导通，S2、S3……S2N关断；在第二行选通有效期间，SEL_1和SEL_2高有效，SEL_0、SEL_3、SEL_4……SEL_2N低无效，从而S1和S2导通，S0、S3、S4……S2N关断；以此类推，在第i行选通有效期间，SEL_i-1和SEL_i高有效，SEL_0、SEL_1…SEL_i-2、SEL_i+1…SEL_2N低无效，从而使Si-1和Si导通，其余NMOS开关关断。

图9是本发明所用的具有复位功能的选通电路信号波形图。信号波形对应图7选通电路部分NMOS开关S0、S1、S2……S2N的控制信号SEL_0、SEL_1、SEL_2……SEL_2N和复位控制开关SR1、SR2……SR2N的控制信号EN_1、EN_2……EN_2N。在第一行选通有效期间，SEL_0和SEL_1高有效，SEL_2、SEL_3……SEL_2N低无效，S0和S1导通，S2、S3……S2N关断，EN_1低无效，EN_2、EN_3……EN_2N高有效，SR1关断，SR2、SR3……SR2N导通；在第二行选通有效期间，SEL_1和SEL_2高有效，SEL_0、SEL_3、SEL_4……SEL_2N低无效，S1和S2导通，S0、S3、S4……S2N关断，EN_2低无效，EN_1、EN_3、EN_4……EN_2N高有效，SR2关断，SR1、SR3、SR4……SR2N导通；以此类推，在第i行选通有效期间，SEL_i-1和SEL_i高有效，SEL_0、SEL_1…SEL_i-2、SEL_i+1…SEL_2N低无效，使Si-1和Si导通，S0、S1…Si-1、Si+2…S2N关断，EN_i低无效，SRi关断，EN_1、EN_2…EN_i-1、EN_i+1…EN_2N高有效，SR1、SR2…SRi-1、SRi+1…SR2N导通。

Claims

1.一种红外焦平面阵列的行选通电路，包括行选控制信号发生器及其控制连接的分别位于每个像素单元(Rs)两端、各自对应的二个选通开关，其特征在于：红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元共同连接一个一侧选通开关、而第2K-1和2K个像素单元共同连接一个另一侧选通开关，K为自然数。

2.根据权利要求1所述的行选通电路，其特征在于，所述红外焦平面阵列的行数是2N，K＜N，N为自然数，所述红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元(Rs)共同连接一个一侧选通开关，而第2K-1和2K个像素单元(Rs)共同连接一个另一侧选通开关，且第1和2N个像素单元单独连接各自的一个一侧选通开关。

3.根据权利要求1所述的行选通电路，其特征在于，所述红外焦平面阵列的行数是2N+1，K＜N，N为自然数，所述红外焦平面阵列每列中第2K和2K+1个像素单元(Rs)共同连接一个一侧选通开关，而第2K-1和2K个像素单元(Rs)共同连接一个另一侧选通开关，且第1个像素单元单独连接一个一侧选通开关，第2N+1个像素单元单独连接一个另一侧选通开关。

4.根据权利要求2或3所述的行选通电路，其特征在于，所述一侧是偏置电压侧，另一侧是读出电路侧。

5.根据权利要求2或3所述的行选通电路，其特征在于，所述一侧是读出电路侧，另一侧是偏置电压侧。

6.根据权利要求1-3任一项所述的行选通电路，其特征在于，还包括与每个像素单元并联的对应复位开关。

7.根据权利要求6所述的行选通电路，其特征在于，所述复位开关控制端连接行选控制信号发生器。

8.根据权利要求1所述的行选通电路，其特征在于，行选控制信号发生器包括采用微处理器的脉宽调制模块。

9.根据权利要求1所述的行选通电路，其特征在于，所述选通开关是场效应晶体管。