CN104897290A - 一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法，所述像元等效电路包括：等效盲像元，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；等效有效像元，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；读出电路，用于对所述等效对照信号及等效探测信号进行放大及读出；所述等效盲像元包括第一MOS管及第一开关，所述等效有效像元包括第二MOS管及第二开关。本发明具有以下有益效果：1）可以显著提高面阵型红外探测器的生产效率和产品良率；2）实现了面阵型红外探测器中MEMS结构制造前的全功能测试；3）降低面阵型红外探测器产品的测试封装成本。

Description

一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法

技术领域

本发明属于MEMS与集成电路设计领域，特别是涉及一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法。

背景技术

红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

红外焦平面阵列是20世纪70年代末80年代初，在国防应用以及其它战略与战术应用的推动下发展起来的。它是获取景物红外热辐射信息的重要光电器件。红外焦平面阵列属于第二代红外成像器件，是现代红外成像***的核心部件，具有结构简单、工作稳定、噪声等效温差小、灵敏度高等优点。因此，红外焦平面阵列被广泛用于军事、工业、农业、医疗、森林防火等各个领域中。

面阵型红外探测器的像元面积较大，占了大半部分的芯片面积，像元质量的好坏决定了后面图像的显示效果。像元接受外界信息后，其微弱的电流信号要经过读出电路处理，变成可检测的电压信号。

非制冷红外焦平面读出电路(ROIC)是一种专用的数模混合信号集成处理电路，随着集成电路工艺和技术的发展，尤其是CMOS集成制造技术和工艺的成熟，使ROIC得到了迅猛的发展。像元是面阵型红外探测器必不可少的一部分，像元的尺寸和结构是影响后面成像质量的关键因素。目前，常见的方法都是先做好读出电路，然后在上面生长出MEMS像元（即VOx薄膜），但是，在前期电路设计中，读出电路的性能是不可预知的。

现有技术中，对读出电路的测试往往是在MEMS像元制作完成并封装后进行，但是，如果MEMS像元制作完成后再发现读出电路出现问题，会对生产造成严重的损失，包括MEMS像元的制作成本以及封装成本的浪费和生产效率的降低。

鉴于以上现有技术中的问题，提供一种在MEMS像元制作前对读出电路进行测试的电路及测试方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法，用于解决现有技术中因MEMS像元形成前面阵型红外探测器读出电路性能不可预知而导致制作成本和封装成本提高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种面阵型红外探测器的像元等效电路，至少包括：

等效盲像元，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；

等效有效像元，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；

读出电路，用于对所述等效对照信号及等效探测信号进行放大及读出；

所述等效盲像元包括第一MOS管及第一开关，其中，所述第一MOS管的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关连接于所述第一MOS管的第二极及所述读出电路之间；

所述等效有效像元包括第二MOS管及第二开关，其中，所述第二MOS管的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关连接于所述第二MOS管的第一极及所述读出电路之间。

作为本发明的面阵型红外探测器的像元等效电路的一种优选方案，其中，通过调节所述第一可调电压以调节所述第一MOS管的电阻，实现所述等效盲像元对MEMS盲像元的模拟；通过调节所述第二可调电压以调节所述第二MOS管的电阻，实现所述等效有效像元对MEMS有效像元的模拟。

作为本发明的面阵型红外探测器的像元等效电路的一种优选方案，所述第一开关与第二开关相连后作为所述等效盲像元及等效有效像元的共同输出端与所述读出电路连接。

作为本发明的面阵型红外探测器的像元等效电路的一种优选方案，所述第一开关为第一开关MOS管，所述第一开关MOS管通过第一选通信号实现其导通或关断；所述第二开关为第二开关MOS管，所述第二开关MOS管通过第二选通信号实现其导通或关断。

本发明还提供一种利用所述面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法，包括步骤：

1）通过控制所述第一可调电压实现所述等效盲像元对MEMS盲像元的模拟，输出等效对照信号；同时，通过控制所述第二可调电压实现所述等效有效像元对MEMS有效像元的模拟，输出等效探测信号；

2)对所述等效对照信号机等效探测信号进行积分形成积分电流，并将该积分电流输出至所述读出电路；

3）基于所述积分电流对所述读出电路进行读出测试，以确定对应的读出电路的性能是否达到标准。

作为本发明的利用面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法的一种优选方案，所述测试方法进行于MEMS盲像元及MEMS有效像元形成之前。

作为本发明的利用面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法的一种优选方案，其中，基于所述第一可调电压的等效对照信号的值设定为MEMS盲像元工作时的最小输出值及最大输出值之间；基于所述第二可调电压的等效探测信号的值设定为MEMS有效像元工作时的最小输出值及最大输出值之间。

本发明还提供一种面阵型红外探测器，包括：

MEMS像元阵列，包括多个呈矩形阵列排列的MEMS像元，用于根据温度的变化输出变化的电流信号；

多个等效盲像元，各等效盲像元与各列MEMS像元列对应设置，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；其中，所述等效盲像元包括第一MOS管及第一开关，所述第一MOS管的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关连接于所述第一MOS管的第二极及读出电路阵列之间；

多个等效有效像元，各等效有效像元与各列MEMS像元列对应设置，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；其中，所述等效有效像元包括第二MOS管及第二开关，所述第二MOS管的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关连接于所述第二MOS管的第一极及读出电路阵列之间；

读出电路阵列，用于对各该MEMS像元输出的电流信号、各该等效盲像元输出的等效对照信号及各该等效有效像元输出的等效探测信号进行放大及读出。

作为本发明的面阵型红外探测器的一种优选方案，所述等效盲像元及所述等效有效像元分别设置于各列MEMS像元的上下两侧。

如上所述，本发明提供一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法，所述像元等效电路包括：等效盲像元，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；等效有效像元，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；读出电路，用于对所述等效对照信号及等效探测信号进行放大及读出；所述等效盲像元包括第一MOS管及第一开关，其中，所述第一MOS管的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关连接于所述第一MOS管的第二极及所述读出电路之间；所述等效有效像元包括第二MOS管及第二开关，其中，所述第二MOS管的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关连接于所述第二MOS管的第一极及所述读出电路之间。本发明具有以下有益效果：可以显著提高面阵型红外探测器的生产效率和产品良率；2）实现了面阵型红外探测器中MEMS结构制造前的全功能测试；3）降低面阵型红外探测器产品的测试封装成本。

附图说明

图1显示为本发明的面阵型红外探测器的像元等效电路的结构示意图。

图2显示为本发明的利用所述面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法的步骤流程示意图。

图3显示为本发明的面阵型红外探测器的结构示意图。

元件标号说明

10                    等效盲像元

20                    等效有效像元

30                    读出电路

Mbeqv                 第一MOS管

M1                    第一开关

Maeqv                 第二MOS管

M2                    第二开关

S11～S13              步骤1）～步骤3）

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本实施例提供一种面阵型红外探测器的像元等效电路，至少包括：

等效盲像元10，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；

等效有效像元20，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；

读出电路30，用于对所述等效对照信号及等效探测信号进行放大及读出；

所述等效盲像元10包括第一MOS管Mbeqv及第一开关M1，其中，所述第一MOS管Mbeqv的栅极连接第一可调电压VBEQV，第一极连接电源VSK，所述第一开关M1连接于所述第一MOS管Mbeqv的第二极及所述读出电路30之间；

所述等效有效像元20包括第二MOS管Maeqv及第二开关M2，其中，所述第二MOS管Maeqv的栅极连接第二可调电压VAEQV，第二极接地VDET，所述第二开关M2连接于所述第二MOS管Maeqv的第一极及所述读出电路30之间。

作为示例，通过调节所述第一可调电压以调节所述第一MOS管Mbeqv的电阻，实现所述等效盲像元10对MEMS盲像元的模拟；通过调节所述第二可调电压以调节所述第二MOS管Maeqv的电阻，实现所述等效有效像元20对MEMS有效像元的模拟。

作为示例，所述第一开关M1与第二开关M2相连后作为所述等效盲像元10及等效有效像元20的共同输出端与所述读出电路30连接。

作为示例，所述第一开关M1为第一开关MOS管，所述第一开关MOS管通过第一选通信号实现其导通或关断；所述第二开关M2为第二开关MOS管，所述第二开关MOS管通过第二选通信号实现其导通或关断。在本实施例中，所述第一开关MOS管及第二开关MOS管均设计为NMOS管。

需要说明的是，本实施例的面阵型红外探测器的像元等效电路制作完成后，MEMS像元还没有形成，预留有待形成MEMS像元区域。

具体地，本实施例的面阵型红外探测器的像元等效电路工作时，所述电源输入高电压，第一选通信号及第二选通信号输入高电平使所述第一开关MOS管及第二开关MOS管导通，所述第一可调信号依据实际测试需求输入电压，产生等效对照信号，所述第二可调信号依据实际测试需求输入电压，产生等效探测信号，所述等效对照信号及等效探测信号从两个开关相连的节点叠加后形成积分电流输出至所述读出电路30，便可对所述读出电路30的各项性能进行测试，根据测试结果判断出该读出电路30是否达到标准，以排除残次品，提高产品良率，节约封装成本。

如图2所示，本实施例还提供一种利用所述面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路30的测试方法，包括步骤：

首先进行步骤1）S11，通过控制所述第一可调电压实现所述等效盲像元10对MEMS盲像元的模拟，输出等效对照信号；同时，通过控制所述第二可调电压实现所述等效有效像元20对MEMS有效像元的模拟，输出等效探测信号；

然后进行步骤2)S12，对所述等效对照信号机等效探测信号进行积分形成积分电流，并将该积分电流输出至所述读出电路30；

最后进行步骤3）S13，基于所述积分电流对所述读出电路30进行读出测试，以确定对应的读出电路30的性能是否达到标准。

在本实施例中，所述测试方法进行于MEMS盲像元及MEMS有效像元形成之前。

在本实施例中，基于所述第一可调电压的等效对照信号的值设定为MEMS盲像元工作时的最小输出值及最大输出值之间；基于所述第二可调电压的等效探测信号的值设定为MEMS有效像元工作时的最小输出值及最大输出值之间。

如图3所示，本实施例还提供一种面阵型红外探测器，包括：

MEMS像元阵列，包括多个呈矩形阵列排列的MEMS像元，用于根据温度的变化输出变化的电流信号；

多个等效盲像元10，各等效盲像元10与各列MEMS像元列对应设置，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；其中，所述等效盲像元10包括第一MOS管Mbeqv及第一开关M1，所述第一MOS管Mbeqv的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关M1连接于所述第一MOS管Mbeqv的第二极及读出电路阵列之间；

多个等效有效像元20，各等效有效像元20与各列MEMS像元列对应设置，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；其中，所述等效有效像元20包括第二MOS管Maeqv及第二开关M2，所述第二MOS管Maeqv的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关M2连接于所述第二MOS管Maeqv的第一极及读出电路阵列之间；

读出电路阵列，用于对各该MEMS像元输出的电流信号、各该等效盲像元10输出的等效对照信号及各该等效有效像元20输出的等效探测信号进行放大及读出。

作为示例，所述等效盲像元10及所述等效有效像元20分别设置于各列MEMS像元的上下两侧。

作为示例，各列MEMS像元、对应列的等效盲像元10及对应列的等效有效像元20通过同一根位线连接至所述读出电路阵列。

如上所述，本发明提供一种面阵型红外探测器的像元等效电路及测试方法，所述像元等效电路包括：等效盲像元10，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；等效有效像元20，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；读出电路30，用于对所述等效对照信号及等效探测信号进行放大及读出；所述等效盲像元10包括第一MOS管Mbeqv及第一开关M1，其中，所述第一MOS管Mbeqv的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关M1连接于所述第一MOS管Mbeqv的第二极及所述读出电路30之间；所述等效有效像元20包括第二MOS管Maeqv及第二开关M2，其中，所述第二MOS管Maeqv的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关M2连接于所述第二MOS管Maeqv的第一极及所述读出电路30之间。本发明具有以下有益效果：可以显著提高面阵型红外探测器的生产效率和产品良率；2）实现了面阵型红外探测器中MEMS结构制造前的全功能测试；3）降低面阵型红外探测器产品的测试封装成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种面阵型红外探测器的像元等效电路，其特征在于，至少包括：

等效盲像元，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；

等效有效像元，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；

读出电路，用于对所述等效对照信号及等效探测信号进行放大及读出；

所述等效盲像元包括第一MOS管及第一开关，其中，所述第一MOS管的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关连接于所述第一MOS管的第二极及所述读出电路之间；

所述等效有效像元包括第二MOS管及第二开关，其中，所述第二MOS管的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关连接于所述第二MOS管的第一极及所述读出电路之间。

2.根据权利要求1所述的面阵型红外探测器的像元等效电路，其特征在于：

通过调节所述第一可调电压以调节所述第一MOS管的电阻，实现所述等效盲像元对MEMS盲像元的模拟；

通过调节所述第二可调电压以调节所述第二MOS管的电阻，实现所述等效有效像元对MEMS有效像元的模拟。

3.根据权利要求1所述的面阵型红外探测器的像元等效电路，其特征在于：所述第一开关与第二开关相连后作为所述等效盲像元及等效有效像元的共同输出端与所述读出电路连接。

4.根据权利要求1所述的面阵型红外探测器的像元等效电路，其特征在于：所述第一开关为第一开关MOS管，所述第一开关MOS管通过第一选通信号实现其导通或关断；所述第二开关为第二开关MOS管，所述第二开关MOS管通过第二选通信号实现其导通或关断。

5.一种利用权利要求1～4任意一项所述的面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法，其特征在于：包括步骤：

1）通过控制所述第一可调电压实现所述等效盲像元对MEMS盲像元的模拟，输出等效对照信号；同时，通过控制所述第二可调电压实现所述等效有效像元对MEMS有效像元的模拟，输出等效探测信号；

2)对所述等效对照信号机等效探测信号进行积分形成积分电流，并将该积分电流输出至所述读出电路；

3）基于所述积分电流对所述读出电路进行读出测试，以确定对应的读出电路的性能是否达到标准。

6.根据权利要求5所述的利用面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法，其特征在于：所述测试方法进行于MEMS盲像元及MEMS有效像元形成之前。

7.根据权利要求5所述的利用面阵型红外探测器的像元等效电路对读出电路的测试方法，其特征在于：

基于所述第一可调电压的等效对照信号的值设定为MEMS盲像元工作时的最小输出值及最大输出值之间；

基于所述第二可调电压的等效探测信号的值设定为MEMS有效像元工作时的最小输出值及最大输出值之间。

8.一种面阵型红外探测器，其特征在于，包括：

MEMS像元阵列，包括多个呈矩形阵列排列的MEMS像元，用于根据温度的变化输出变化的电流信号；

多个等效盲像元，各等效盲像元与各列MEMS像元列对应设置，用于模拟MEMS盲像元，提供等效对照信号；其中，所述等效盲像元包括第一MOS管及第一开关，所述第一MOS管的栅极连接第一可调电压，第一极连接电源，所述第一开关连接于所述第一MOS管的第二极及读出电路阵列之间；

多个等效有效像元，各等效有效像元与各列MEMS像元列对应设置，用于模拟MEMS有效像元，提供等效探测信号；其中，所述等效有效像元包括第二MOS管及第二开关，所述第二MOS管的栅极连接第二可调电压，第二极接地，所述第二开关连接于所述第二MOS管的第一极及读出电路阵列之间；

读出电路阵列，用于对各该MEMS像元输出的电流信号、各该等效盲像元输出的等效对照信号及各该等效有效像元输出的等效探测信号进行放大及读出。

9.根据权利要求8所述的面阵型红外探测器，其特征在于：所述等效盲像元及所述等效有效像元分别设置于各列MEMS像元的上下两侧。