專利名稱：紅外探測器的制作方法
技術領域：
本發明的實施方式大體上涉及紅外(IR)探測器等。
2.
背景技術：
IR探測器通常被定義為響應頂輻射的光探測器。一種類型的紅外探測器是基于熱的探測器。基于熱的探測器可以在攝像機內實現以根據大體上與物體相關的熱特性來產生該物體的圖像。基于熱的探測器已知包括輻射熱測量計、微輻射熱測量計、熱電物質和熱電堆。微輻射熱測量計基于從物體接收到的輻射能的量改變它的電阻。熱電堆包括許多將來自物體的熱能轉換成電能的熱電偶。這種設備以這種或那種形式被包含在攝像機內用于熱成像目的。概述在至少一種實施方式中，提供了用于產生物體圖像的紅外(IR)探測器。頂探測器包括被布置成M列和N行的陣列的多個熱感應元件。每個熱感應元件被配置成接收至少一個振蕩信號以及響應于所述至少一個振蕩信號來探測來自物體的至少一部分熱輸出。每個熱感應元件還被配置成產生表示至少一部分所探測的熱輸出的電輸出信號，以及用至少一個振蕩信號調制電輸出信號來產生表示物體圖像的至少一部分的調制的輸出信號。附圖的簡要描述本發明的實施方式在所附的權利要求中被特別指出。然而，通過參考下面的結合附圖的詳細描述，各種實施方式的其他特征將變得更明顯和更容易理解，其中
圖1描繪了傳統的基于微輻射熱測量計的探測器；圖2描繪了傳統的基于熱電堆的探測器；圖3描繪了根據本發明的一種實施方式的頂探測器；圖4描繪了根據本發明的一種實施方式，在圖3的頂探測器內實現的函數發生器；圖5描繪了根據本發明的一種實施方式，在圖3的頂探測器內實現的熱電堆陣列；圖6描繪了根據本發明的一種實施方式的另一頂探測器；以及圖7描繪了根據本發明的一種實施方式，在圖6的頂探測器實現的熱電堆陣列。詳細描述本文公開了本發明的詳細實施方式。然而，應該理解所公開的實施方式只是示例
6性的，可以用各種和可選的形式實施本發明。附圖不一定成比例繪制；一些特征可能被放大或縮小以出示特定組件的細節。因此，本文公開的具體結構和功能細節不應該被解釋為限制，而只是權利要求的代表性基礎和/或教導本領域的技術人員以各種方式使用本發明的一種或更多實施方式的代表性基礎。本發明的各種實施方式大體上提供(但不限于)包括基于熱感應器件的陣列的頂探測器。陣列包括多個熱感應元件，每個熱感應元件都包括被分布成M列和N行(例如，MxN 熱電堆陣列)的熱電堆(或其他熱感應器件)。函數發生器(或其他適于產生相應的頻率的振蕩信號的合適的設備)可以用彼此不同的頻率的振蕩信號驅動陣列內的熱感應元件 (為了調制每個熱電堆的輸出信號)中的每一列(或行)，以便為每一列(或行)提供電輸出信號。來自列(或行)中的每一熱電堆的調制電輸出信號可以被提供在單一的調制電輸出端上，并且由給定的列(或行)的放大器(或其他合適的設備)進行放大。解調電路可以在對每一列(或行)放大之后接收每個單一的調制電輸出信號，并且解調被放大的輸出信號(例如，對于每一列(或行)去除來自振蕩信號的常數值)以產生恒定的電學值。恒定的電學值可以表示整個被探測圖像的一部分。整個被探測的圖像可以通過匯集從陣列內的每一行(或列)讀出的所有恒定電學值來重構。可以設想本文描述的實施方式可以用于除了所描述的那些之外的目的，并且本文可能提到的挑戰不旨在是可以被本發明的實施方式克服的挑戰的全部列表。本文可能描述的這樣的挑戰出于示例目的被提到，并且出于簡潔的目的，沒有描述可能被本發明的各種實施方式克服的所有挑戰。而且，可以設想，本文描述的實施方式可以提供任意數量的優勢，以及所提到的那些不旨在是可以獲得的優勢的全部列表。本文公開的這些優勢出于示例目的被提到，并且還為了簡潔目的，沒有描述本發明的實施方式所獲得的所有優勢。另外，出于示例目的公開了本文提供的例子，并且不旨在是能夠實現的例子的全部列表，以及不旨在以任何方式限制本發明的實施方式的范圍。在圖3-8提到的本發明的實施方式大體上圖示和描述了多個電路或其他電氣設備。對所有的電路和其他電氣設備以及由每一個所述電路和電氣設備提供的功能的參考， 不旨在限于只包含本文所圖示和描述的。雖然特定的標簽可能被分配到所公開的各種電路或其他電氣設備，但這樣的標簽不旨在限制電路和其他電氣設備的運行范圍。這樣的電路和其他電氣設備可以基于在攝像機中所需要的特定類型的電氣實現以任何方式彼此結合和/或分離。可以認識到，本文公開的任何電路或其他電氣設備可以包括任意數目的微處理器、集成電路、存儲器件(例如，FLASH、RAM、R0M、EPR0M、EEPR0M或其其他合適的變形)和彼此共同作用來產生振蕩信號以執行陣列輸出的模數轉換和解調陣列輸出的軟件。圖1描繪了傳統的基于微輻射熱測量計的探測器20。探測器20可以在攝像機內實現。探測器20可以包括被布置成320x240陣列(例如，320列和240行)的多個像素22。 每個像素22包括微輻射熱測量計M和開關觀。開關觀可以實現為場效應晶體管(FET)。 已知微輻射熱測量計M和開關觀形成在半導體襯底上。探測器20可以用3. 3V、0. 5um互補金屬氧化物半導體(CMOS)技術實現為具有45um的像素間距。可選擇的基于DC的電源(沒有示出)依次逐行地關閉開關觀(例如，一行中的所有開關同時被關閉，而在不同行的所有其他開關都開著)，以便來自一個微輻射熱測量計 M的電流從那流動。在循環重復之前，在1/N(其中N對應行的數目)的一個時間片內測量3/10 頁
單一輻射熱測量計的情況通常被定義為時分復用(TDM)。對于給定的列，電容跨阻放大器(CTIA) 30被耦合到每個像素22的輸出端。電容器32被耦合到每個CTIA 30。電容器32的大小控制CTIA輸出端的增益。每個CTIA 30通過對電容器32上的電荷進行累積執行電流-電壓轉換。開關34可有助于復位由CTIA 30 執行的電流到電壓的轉換。開關36和電容器42被耦合到CTIA 30的輸出端，來執行對于給定列的采樣保持 (S&H)操作。當電容器32兩端的電荷量累積到適當的量，開關36瞬間關閉以傳送電荷給電容器42。S&H操作的目的是保持從電容器32收集的電荷以等待數字化。布置額外的放大器38和開關40，以便可以讀來自每一列的輸出。開關40可以被配置成關閉以使相應列的輸出能通過多路器。一旦確定了對于給定列的輸出，開關觀和40 打開，并且前一行的開關觀和40關閉，以便可以確定對這一行的讀取。這一序列對于陣列內的每一行來說都發生一次。如上所述，探測器20使用TDM方法以便給定行的FET開關觀每次關閉一個，以便確定給定行的相應的輸出。每一列的輸出通過信號VIDE0_0UTPUT被傳輸至模-數(A/D)轉換器(沒有示出)。當結合使用TDM方法時，探測器20可能展現出噪聲混疊現象。噪聲混疊可能改變噪聲頻譜的形狀(例如，噪聲展現出非線性模式)并且變得較難預測。這樣一來，如果人們不能預測噪聲，那么就不能使用設計選項，可以其他方式消除這樣的可預測噪聲的影響，來增加攝像機的性能。圖2描繪了傳統的基于熱電堆的探測器50。探測器50可以在攝像機內部實現。 探測器50通常被包裝，安裝在電路板上，并且由罩子包圍，其中鏡頭布置在罩子中。探測器 50包括可以布置成320x240 (例如，320列和240行)陣列的多個像素52。每一像素52包括熱電堆感應元件討和開關56。開關56被實現為FET。提供了列解碼器58，其包括DC電源，DC電源基于列可選擇性地關閉開關56，每次關閉一列(即，探測器50使用TDM方案)。在相應列中的每個熱電堆M響應于開關56關閉都產生輸出電壓。低噪聲放大器60被可操作地耦合到在給定行中的每一個熱電堆54。 放大器60通常被配置成提供比和探測器20結合使用的放大器(例如，基于微輻射熱測量計的探測器)的輸出增益更高的輸出增益。可以用于增大來自熱電堆M的增益的代表性放大器是由 1630 McCarthy Blvd.，Milpitas, CA 95035-7417 的線性技術提供的 LT6014。 導線62被安裝用于分配來自熱電堆M的輸出電壓到未包括在探測器50內的設備。放大器56增大由熱電堆M提供的輸出電壓。一般來講，在給定列內的每個熱電堆M由相應的FET開關56啟用之后，被耦合到熱電堆M的每個放大器60都需要一設置時間。在達到這樣的設置時間后，被熱電堆M提供的輸出電壓被數字化，以便圖像能被呈現為電子圖像。已知熱電堆通常具有良好的信噪比。還已知熱電堆通常展現出低響應和低噪聲。 為了增加響應，低噪聲放大器60可能需要增大特定行的像素52的增益。然而，這樣的低噪聲放大器的應用仍然可能在探測器50的讀數中增加顯著的噪聲。尤其是對于包含在與探測器50相同的硅襯底上的放大器。探測器50也可能經歷噪聲混淆現象。如上所述，這一狀況可能降低預測噪聲的能力。如果噪聲不能被預測，那么可能不能實現可以減輕可預測的噪聲模式的影響的設計選擇。圖3描繪了根據本發明的一種實施方式的熱電堆頂探測器70。探測器70可以在成像設備69如(但不限于)攝像機內實現。探測器70通常被包裝并安裝在電路板71上。 探測器70和電路板71由罩73包圍，其中鏡頭74布置在罩73中。探測器70大體上包括函數發生器72和熱電堆陣列76。函數發生器72可以用振蕩載波(或振蕩信號)在同一時間驅動熱電堆的每一行(或列)。每一熱電堆響應于從物體捕捉的熱能產生電輸出信號。由熱電堆產生的相應的電輸出信號用振蕩載波信號進行振幅調制并由此被發送。熱電堆的每一列(或行)在彼此不同的唯一的頻率處被驅動。一般來講，函數發生器72被配置成激活所有列(或行)中的所有熱電堆以用振蕩載波(對每一列(或行)來說，都具有唯一的頻率)來振幅調制來自每一個熱電堆的輸出信號(例如，通過使用可能被耦合到每一個熱電堆的一個或多個開關)。所有的熱電堆可以在同一時間工作。包括多個放大器的增益電路 78被可操作地耦合到熱電堆陣列76。每個放大器被耦合到熱電堆的特定列(或行)來增加每一列(或行)的熱電堆的信號強度。為了產生被捕捉的原始圖像的電子圖像，解調電路84通常被耦合到增益電路78并且被配置成分離每一列(或行)的熱電堆的正交載波， 以便可以確定來自每一列熱電堆的相應的電壓輸出信號。可以設想，本發明的實施方式可以使用頻率調制或相位調制。用對于每一列具有唯一頻率的振蕩載波調制所有列(或行)的所有熱電堆(其中，所有的載波都被同時提供給每一列(或行)并在陣列內被調制)的概念通常被定義為頻分復用(FDM)方法。FDM方法使得能夠使用待增加到熱電堆76中的每一行的專用放大器，來增加信號強度而不考慮由這樣的放大器產生的噪聲量。例如，對于，用預定頻率的唯一載波信號振幅調制給定列(或行)的每個熱電堆，接著同時提供這樣的信號給具有增益電路78的放大器的自然結果是，信道的寬帶噪聲變大了(例如，寬帶噪聲的標準差增大列 (或行)上的熱電堆的數目的平方根)。如果寬帶信道噪聲相比于寬帶放大器噪聲“較大”， 由于信道和放大器兩者的寬帶噪聲加起來作為正交和(例如，噪聲標準差的平方和的平方根)所以由電子引入的噪聲量被認為是微不足道的這個事實，由給定列(行)上的放大器產生的寬帶噪聲變得顯著。還可以設想，用來構建陣列76中的熱電堆的材料可以包括(BihSbx)2(TehSey)3 家族(例如，鉍-碲家族)中的化合物。為簡便起見，化合物家族將通過Bi2I^3來表征。使用Bi2Te53來構建陣列76中的熱電堆可能引起熱電堆的電阻下降到低于IOK歐姆，這將引起熱電堆(或探測器)的噪聲量下降。雖然基于Bi2Te53的材料可以用來構建TDM方法的熱電堆以減少熱電堆噪聲，當與由放大器(例如，參見圖2中的放大器60)產生的噪聲量相比時，這樣的噪聲減少可以最小化，由此引起仍將導致上面提到的噪聲混淆問題的噪聲混淆現象。由放大器產生的較大數量的噪聲，因為上面提到的原因，在很大程度上由于FDM方法的實施可以被減輕。一般來講，如果放大器是理想無噪聲的，Bi2Te53的使用可以制作基于熱電堆的非常高性能的探測器。因為基于Bi2Te53的熱電堆的阻抗(或電阻)如此低，它的噪聲也低。為了讀出低阻抗熱電堆并且不增加任何噪聲到輸出信號，可能需要非常低噪聲的放大器。這對于TDM方法而言可能是個問題，因為可能須要用非常高性能的放大器讀出高性能的熱電堆。高性能可能意味著高功率，因為來自放大器的噪聲被減少，放大器的輸入級消耗的功率越多。另一方面，FDM方法可以包括串聯(參見圖幻的低電阻(例如，高性能)熱電堆來增加提供給放大器的總噪聲。由于總的噪聲標準差通過熱電堆標準差(所有串聯的)和放大器標準差的平方和的平方根計算，總的噪聲可能被來自熱電堆的噪聲占主導地位。雖然在 解調之前的總信號可能有噪聲，這樣的噪聲信號可以在較長的時間(例如，圖像幀率時間) 上被平均(例如，通過積分)。因為總信號可以在這一較長時間被積分，所以信號在解調后 可以被恢復到單一熱電堆探測器的噪聲比，這接近它的原始值，并且可以證明放大器噪聲 的影響幾乎消失。這種情況可以說明預測噪聲和在設計方案內使用措施來消除其影響的概
ブ匕、O下面說明與TDM方法相比，FDM方法可以減少電子噪聲的方式。特別地，對于TDM 方法和FDM方法，將會計算信噪(SNR)比。在TDM方法中，來自ith探測器(熱電堆)的信 號可以寫作ri(t) = vsi+nd(t)+ne(t)(1)其中r, (t)=從第i個探測器接收的信號vsi =來自第i個探測器的信號電壓(V)
權利要求
1.一種用于產生物體的圖像的紅外(IR)探測器，所述頂探測器包括多個熱感應元件，其被布置成具有M列和N行的陣列，每個熱感應元件被配置成接收至少一個振蕩信號；響應于所述至少一個振蕩信號，探測來自所述物體的熱輸出的至少一部分；產生表示所探測的熱輸出的至少一部分的電輸出信號，以便所述電輸出信號；以及用所述至少一個振蕩信號調制所述電輸出信號來產生表示所述物體的圖像的至少一部分的調制輸出信號。
2.如權利要求1所述的頂探測器，其中，在M列中的每列內的每個熱感應元件還被配置成在唯一的頻率處接收所述至少一個振蕩信號。
3.如權利要求1所述的頂探測器，其中，在N行中的每行內的每個熱感應元件還被配置成在唯一的頻率處接收所述至少一個振蕩信號。
4.如權利要求1所述的頂探測器，其中，所述調制輸出信號是振幅調制的輸出信號。
5.如權利要求1所述的頂探測器，還包括可操作地耦合到所述陣列來增大每個調制輸出信號的增益電路。
6.如權利要求5所述的頂探測器，其中，所述增益電路包括多個放大器，每個放大器具有反相輸入端和非反相輸入端，以及其中每個放大器的所述非反相輸入端可操作地耦合到所述陣列。
7.如權利要求1所述的頂探測器，其中，每個調制輸出信號都包括常量分量和振蕩分量，以及其中所述頂探測器還包括被配置成從每個調制輸出信號中去除所述振蕩分量的解調電路。
8.如權利要求1所述的頂探測器，其中，所述至少一個振蕩信號包括至少一個沃爾什函數及至少一個正弦和余弦函數這兩者中的一個。
9.如權利要求8所述的頂探測器，其中，所述至少一個沃爾什函數包括sal(X，t)和 cal (y，t)函數中的至少一個，其中χ是第一整數，y是第二整數，t是時間。
10.如權利要求9所述的頂探測器，還包括被配置成產生sal(x，t)和cal(y，t)函數中的所述至少一個的函數發生器。
11.如權利要求1所述的頂探測器，其中，每個熱感應元件包括至少一個開關及熱電堆和微輻射熱測量計中的一個。
12.如權利要求1所述的頂探測器，其中，每個熱感應元件包括由鉍和碲中的至少一種形成的熱電堆。
13.如權利要求1所述的頂探測器，其中，在所述陣列內的所述多個熱感應元件被配置成響應于每個熱感應元件接收所述至少一個振蕩信號，在同一時間保持活躍。
14.一種用紅外(IR)探測器產生物體的圖像的方法，所述頂探測器包括被布置成具有 M列和N行的陣列的多個熱感應元件，所述方法包括在所述熱感應元件的每個處接收振蕩信號；以及響應于所述振蕩信號，從所述熱感應元件中的每個發送對應所述物體的圖像的至少一部分的調制輸出信號。
15.如權利要求14所述的方法，其中，在每個所述熱感應元件處接收所述振蕩信號還包括在所述M列的每列內的每個熱感應元件處接收具有唯一頻率的所述振蕩信號。
16.如權利要求14所述的方法，其中，在每個所述熱感應元件處接收所述振蕩信號還包括在所述N行的每行內的每個熱感應元件處接收具有唯一頻率的所述振蕩信號。
17.如權利要求14所述的方法，還包括在接收所述振蕩信號之前用函數發生器產生所述振蕩信號。
18.如權利要求14所述的方法，其中，所述調制輸出信號是振幅調制的輸出信號。
19.如權利要求14所述的方法，還包括解調每個調制輸出信號來確定所述物體的圖像的所述至少一部分。
20.如權利要求14所述的方法，其中，每個熱感應元件包括至少一個開關及熱電堆和微輻射熱測量計中的一個。
21.如權利要求20所述的方法，其中，所述熱電堆由鉍和碲中的至少一種形成。
22.如權利要求14所述的方法，還包括響應于每個熱感應元件接收所述振蕩信號，在同一時間激活在所述陣列內的所述多個熱感應元件。
23.一種用于產生物體的圖像的紅外(IR)探測器，所述頂探測器包括多個熱感應元件，其被布置成具有M列和N行的陣列，在所述M列內的每個熱感應元件被配置成接收至少一個振蕩信號以便在所述M列內的所有熱感應元件在同一時間被激活；以及響應于所述至少一個振蕩信號，發送對應所述物體的圖像的至少一部分的調制輸出信號。
24.如權利要求23所述的探測器，還包括被配置成解調所述調制輸出信號來獲得所述物體的圖像的所述至少一部分的解調電路。
25.一種用于產生物體的圖像的紅外(IR)探測器，所述頂探測器包括多個熱感應元件，其被布置成具有M列和N行的陣列，在所述N行內的每個熱感應元件被配置成接收至少一個振蕩信號，以便在所述N行內的所有熱感應元件在同一時間被激活；以及響應于所述至少一個振蕩信號，發送對應所述物體的圖像的至少一部分的調制輸出信號。
26.如權利要求25所述的探測器，還包括被配置成解調所述振幅調制的輸出信號來獲得所述物體的圖像的所述至少一部分的解調電路。
27.一種基于所探測的物體的熱輸出來產生所述物體的圖像的成像設備，所述攝像機包括鏡頭； 電路板；被支撐在所述電路板上的紅外(IR)探測器，所述頂探測器包括被布置成具有M列和 N行的陣列的多個感應元件，每個熱感應元件被配置成 接收至少一個振蕩信號；通過所述鏡頭接收來自所述物體的熱輸出，以探測來自所述物體的熱輸出的至少一部分；產生表示所探測的熱輸出的至少一部分的電輸出信號；以及用所述至少一個振蕩信號來調制所述電輸出信號，以提供表示所述物體的圖像的至少一部分的調制輸出信號。
28.如權利要求27所述的成像設備，其中，每個熱感應元件包括至少一個開關及熱電堆和微輻射熱測量計中的一個。
29.如權利要求27所述的成像設備，其中，每個熱感應元件包括由鉍和碲中的至少一種形成的熱電堆。
30.如權利要求27所述的成像設備，其中，在所述M列的每列內的每個熱感應元件還被配置成在唯一的頻率處接收所述至少一個振蕩信號。
31.如權利要求27所述的成像設備，其中，在所述N行的每行內的每個熱感應元件還被配置成在唯一的頻率處接收所述至少一個振蕩信號。
32.如權利要求27所述的成像設備，其中，所述調制輸出信號是振幅調制的輸出信號。
33.如權利要求27所述的成像設備，還包括被可操作地耦合到所述陣列以增大每個調制輸出信號的增益電路。
34.如權利要求27所述的成像設備，其中，所述增益電路包括多個放大器，每個放大器具有反相輸入端和非反相輸入端，以及其中每個放大器的所述非反相輸入端被可操作地耦合到所述陣列。
35.如權利要求27所述的成像設備，其中，每個調制輸出信號包括常量分量和振蕩分量，以及其中所述頂探測器還包括被配置成去除每個調制輸出信號的所述振蕩分量的解調電路。
36.如權利要求27所述的成像設備，其中，所述至少一個振蕩信號包括至少一個沃爾什函數及至少一個正弦和余弦函數這兩者中的一個。
37.如權利要求36所述的成像設備，其中，所述至少一個沃爾什函數包括sal(x，t)和 cal (y，t)函數中的至少一個，其中χ是第一整數，y是第二整數，t是時間。
38.如權利要求37所述的成像設備，其中，所述頂探測器還包括被配置成產生sal(χ, t)和cal(y，t)函數中的所述至少一個的函數發生器。
39.如權利要求27所述的成像設備，其中，所述整個熱感應元件陣列被配置成響應于在所述陣列內的每個熱感應元件接收所述至少一個振蕩信號，在同一時間保持活躍。
40.一種基于所探測的物體的熱輸出來產生所述物體的圖像的成像設備，所述攝像機包括鏡頭；電路板；被支撐在所述電路板上的紅外(IR)探測器，所述頂探測器包括被布置成陣列的多個感應元件，每個熱感應元件被配置成接收至少一個振蕩信號；響應于所述至少一個振蕩信號，通過所述鏡頭探測來自所述物體的熱輸出；以及基于所探測的所述物體的熱輸出，發送對應所述物體的圖像的至少一部分的調制輸出信號。
41.如權利要求40所述的成像設備，其中，每個熱感應元件包括至少一個開關及熱電堆和微輻射熱測量計中的一個。
42.如權利要求41所述的成像設備，其中，每個熱電堆由鉍和碲中的至少一種形成。
43.如權利要求40所述的成像設備，其中，所述調制輸出信號是振幅調制的輸出信號。
44.如權利要求40所述的成像設備，其中，所述熱感應元件的整個陣列被配置成響應于在所述陣列內的每個熱感應元件接收所述至少一個振蕩信號，在同一時間保持活躍。
全文摘要
在至少一種實施方式中，提供了用于產生物體圖像的紅外(IR)探測器。紅外(IR)探測器包括布置成具有M列和N行的陣列的多個熱感應元件。每個熱感應元件被配置成接收至少一個振蕩信號和探測來自物體的熱輸出的至少一部分。每個熱感應元件還被配置成產生表示所檢測的熱輸出的至少一部分的電輸出信號，以及用至少一個振蕩信號調制電輸出信號來產生表示物體圖像的至少一部分的調制的輸出信號。
文檔編號H01L31/042GK102396075SQ201080016457
公開日2012年3月28日 申請日期2010年3月23日 優先權日2009年4月12日
發明者大衛·科瑞斯考斯基, 賈斯汀·倫肯 申請人:Ud控股有限責任公司