RU2671295C1 - Ячейка термопарного приемника ик изображения - Google Patents
Ячейка термопарного приемника ик изображения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2671295C1 RU2671295C1 RU2017129269A RU2017129269A RU2671295C1 RU 2671295 C1 RU2671295 C1 RU 2671295C1 RU 2017129269 A RU2017129269 A RU 2017129269A RU 2017129269 A RU2017129269 A RU 2017129269A RU 2671295 C1 RU2671295 C1 RU 2671295C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- thermocouple
- charge
- transistor
- cell
- image
- Prior art date
Links
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 9
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 4
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 4
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/09—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
- H01L27/144—Devices controlled by radiation
- H01L27/146—Imager structures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
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.
Description
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=τ2+τi 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
Claims (1)
- 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017129269A RU2671295C1 (ru) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | Ячейка термопарного приемника ик изображения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017129269A RU2671295C1 (ru) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | Ячейка термопарного приемника ик изображения |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2671295C1 true RU2671295C1 (ru) | 2018-10-30 |
Family
ID=64103286
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017129269A RU2671295C1 (ru) | 2017-08-17 | 2017-08-17 | Ячейка термопарного приемника ик изображения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2671295C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU215680U1 (ru) * | 2022-01-10 | 2022-12-21 | Общество с ограниченной ответственностью "СТЭК-М" | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
WO2023128782A1 (ru) * | 2021-12-29 | 2023-07-06 | Общество с ограниченной ответственностью "СТЭК-М" | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000097765A (ja) * | 1998-09-25 | 2000-04-07 | Matsushita Electric Works Ltd | センサ |
US6163061A (en) * | 1997-08-06 | 2000-12-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Infrared solid-state image sensor and manufacturing method thereof |
JP4040548B2 (ja) * | 2003-07-25 | 2008-01-30 | 株式会社東芝 | 赤外線撮像素子 |
US20080216883A1 (en) * | 2005-05-17 | 2008-09-11 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile Infrared Sensor Array |
RU2339011C2 (ru) * | 2006-12-08 | 2008-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью ООО "Юник Ай Сиз" | Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания |
EP2312286A1 (en) * | 2008-07-25 | 2011-04-20 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Method for manufacturing infrared image sensor and infrared image sensor |
US20110174978A1 (en) * | 2010-01-18 | 2011-07-21 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor by monolithic silicon micromachining |
US20140246749A1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-09-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Infrared detector and infrared image sensor including the same |
-
2017
- 2017-08-17 RU RU2017129269A patent/RU2671295C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6163061A (en) * | 1997-08-06 | 2000-12-19 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Infrared solid-state image sensor and manufacturing method thereof |
JP2000097765A (ja) * | 1998-09-25 | 2000-04-07 | Matsushita Electric Works Ltd | センサ |
JP4040548B2 (ja) * | 2003-07-25 | 2008-01-30 | 株式会社東芝 | 赤外線撮像素子 |
US20080216883A1 (en) * | 2005-05-17 | 2008-09-11 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile Infrared Sensor Array |
RU2339011C2 (ru) * | 2006-12-08 | 2008-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью ООО "Юник Ай Сиз" | Тепловой инфракрасный датчик со схемой считывания |
EP2312286A1 (en) * | 2008-07-25 | 2011-04-20 | Panasonic Electric Works Co., Ltd. | Method for manufacturing infrared image sensor and infrared image sensor |
US20110174978A1 (en) * | 2010-01-18 | 2011-07-21 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor by monolithic silicon micromachining |
US20140246749A1 (en) * | 2013-01-10 | 2014-09-04 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Infrared detector and infrared image sensor including the same |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023128782A1 (ru) * | 2021-12-29 | 2023-07-06 | Общество с ограниченной ответственностью "СТЭК-М" | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
RU215680U1 (ru) * | 2022-01-10 | 2022-12-21 | Общество с ограниченной ответственностью "СТЭК-М" | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3866069B2 (ja) | 赤外線固体撮像装置 | |
Wood | Monolithic silicon microbolometer arrays | |
US6770881B2 (en) | Infrared sensor | |
JP5335006B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
TWI618231B (zh) | 紅外偵測器陣列之緩衝式直接注射像素 | |
US8344321B2 (en) | Infrared imaging device | |
JP4310428B2 (ja) | 光検出器の単光子読出し用のコンパクトな超低雑音広帯域幅ピクセル増幅器 | |
JP4009598B2 (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
RU2671295C1 (ru) | Ячейка термопарного приемника ик изображения | |
US6605806B2 (en) | System and method for generating signals representing infrared radiation | |
JP3793033B2 (ja) | 赤外線センサ及びその駆動方法 | |
Chen et al. | A versatile CMOS readout integrated circuit for microbolometric infrared focal plane arrays | |
Ceylan et al. | Digital readout integrated circuit (DROIC) implementing time delay and integration (TDI) for scanning type infrared focal plane arrays (IRFPAs) | |
Fieque et al. | 320x240 uncooled microbolometer 2D array for radiometric and process control applications | |
Song et al. | Theoretical investigation on input properties of DI and CTIA readout integrated circuit | |
US20210217799A1 (en) | Imaging Device | |
JP3648506B2 (ja) | 赤外線撮像装置 | |
JP2009168611A (ja) | 赤外線固体撮像素子 | |
Sims et al. | Spatial pixel crosstalk in a charge-injection device | |
JP3657885B2 (ja) | 赤外線センサ装置およびその駆動方法 | |
FR2942074A1 (fr) | Dispositif pour la detection d'un rayonnement electromagnetique, et notamment infrarouge | |
Hsieh et al. | New switch-current integration readout structure for infrared focal plane arrays | |
Seshadri et al. | Comparing the low-temperature performance of megapixel NIR InGaAs and HgCdTe imager arrays | |
Nagata et al. | GaAs cryogenic readout electronics for high impedance detector arrays for far-infrared and submillimeter wavelength region | |
Burt | Read-out techniques for focal plane arrays |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190818 |