专利名称：红外探测器的制作方法
技术领域：
本发明的实施方式大体上涉及红外(IR)探测器等。
2.
背景技术：
IR探测器通常被定义为响应顶辐射的光探测器。一种类型的红外探测器是基于热的探测器。基于热的探测器可以在摄像机内实现以根据大体上与物体相关的热特性来产生该物体的图像。基于热的探测器已知包括辐射热测量计、微辐射热测量计、热电物质和热电堆。微辐射热测量计基于从物体接收到的辐射能的量改变它的电阻。热电堆包括许多将来自物体的热能转换成电能的热电偶。这种设备以这种或那种形式被包含在摄像机内用于热成像目的。概述在至少一种实施方式中，提供了用于产生物体图像的红外(IR)探测器。顶探测器包括被布置成M列和N行的阵列的多个热感应元件。每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号以及响应于所述至少一个振荡信号来探测来自物体的至少一部分热输出。每个热感应元件还被配置成产生表示至少一部分所探测的热输出的电输出信号，以及用至少一个振荡信号调制电输出信号来产生表示物体图像的至少一部分的调制的输出信号。附图的简要描述本发明的实施方式在所附的权利要求中被特别指出。然而，通过参考下面的结合附图的详细描述，各种实施方式的其他特征将变得更明显和更容易理解，其中
图1描绘了传统的基于微辐射热测量计的探测器；图2描绘了传统的基于热电堆的探测器；图3描绘了根据本发明的一种实施方式的顶探测器；图4描绘了根据本发明的一种实施方式，在图3的顶探测器内实现的函数发生器；图5描绘了根据本发明的一种实施方式，在图3的顶探测器内实现的热电堆阵列；图6描绘了根据本发明的一种实施方式的另一顶探测器；以及图7描绘了根据本发明的一种实施方式，在图6的顶探测器实现的热电堆阵列。详细描述本文公开了本发明的详细实施方式。然而，应该理解所公开的实施方式只是示例
6性的，可以用各种和可选的形式实施本发明。附图不一定成比例绘制；一些特征可能被放大或缩小以出示特定组件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应该被解释为限制，而只是权利要求的代表性基础和/或教导本领域的技术人员以各种方式使用本发明的一种或更多实施方式的代表性基础。本发明的各种实施方式大体上提供(但不限于)包括基于热感应器件的阵列的顶探测器。阵列包括多个热感应元件，每个热感应元件都包括被分布成M列和N行(例如，MxN 热电堆阵列)的热电堆(或其他热感应器件)。函数发生器(或其他适于产生相应的频率的振荡信号的合适的设备)可以用彼此不同的频率的振荡信号驱动阵列内的热感应元件 (为了调制每个热电堆的输出信号)中的每一列(或行)，以便为每一列(或行)提供电输出信号。来自列(或行)中的每一热电堆的调制电输出信号可以被提供在单一的调制电输出端上，并且由给定的列(或行)的放大器(或其他合适的设备)进行放大。解调电路可以在对每一列(或行)放大之后接收每个单一的调制电输出信号，并且解调被放大的输出信号(例如，对于每一列(或行)去除来自振荡信号的常数值)以产生恒定的电学值。恒定的电学值可以表示整个被探测图像的一部分。整个被探测的图像可以通过汇集从阵列内的每一行(或列)读出的所有恒定电学值来重构。可以设想本文描述的实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战不旨在是可以被本发明的实施方式克服的挑战的全部列表。本文可能描述的这样的挑战出于示例目的被提到，并且出于简洁的目的，没有描述可能被本发明的各种实施方式克服的所有挑战。而且，可以设想，本文描述的实施方式可以提供任意数量的优势，以及所提到的那些不旨在是可以获得的优势的全部列表。本文公开的这些优势出于示例目的被提到，并且还为了简洁目的，没有描述本发明的实施方式所获得的所有优势。另外，出于示例目的公开了本文提供的例子，并且不旨在是能够实现的例子的全部列表，以及不旨在以任何方式限制本发明的实施方式的范围。在图3-8提到的本发明的实施方式大体上图示和描述了多个电路或其他电气设备。对所有的电路和其他电气设备以及由每一个所述电路和电气设备提供的功能的参考， 不旨在限于只包含本文所图示和描述的。虽然特定的标签可能被分配到所公开的各种电路或其他电气设备，但这样的标签不旨在限制电路和其他电气设备的运行范围。这样的电路和其他电气设备可以基于在摄像机中所需要的特定类型的电气实现以任何方式彼此结合和/或分离。可以认识到，本文公开的任何电路或其他电气设备可以包括任意数目的微处理器、集成电路、存储器件(例如，FLASH、RAM、R0M、EPR0M、EEPR0M或其其他合适的变形)和彼此共同作用来产生振荡信号以执行阵列输出的模数转换和解调阵列输出的软件。图1描绘了传统的基于微辐射热测量计的探测器20。探测器20可以在摄像机内实现。探测器20可以包括被布置成320x240阵列(例如，320列和240行)的多个像素22。 每个像素22包括微辐射热测量计M和开关观。开关观可以实现为场效应晶体管(FET)。 已知微辐射热测量计M和开关观形成在半导体衬底上。探测器20可以用3. 3V、0. 5um互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现为具有45um的像素间距。可选择的基于DC的电源(没有示出)依次逐行地关闭开关观(例如，一行中的所有开关同时被关闭，而在不同行的所有其他开关都开着)，以便来自一个微辐射热测量计 M的电流从那流动。在循环重复之前，在1/N(其中N对应行的数目)的一个时间片内测量3/10 页
单一辐射热测量计的情况通常被定义为时分复用(TDM)。对于给定的列，电容跨阻放大器(CTIA) 30被耦合到每个像素22的输出端。电容器32被耦合到每个CTIA 30。电容器32的大小控制CTIA输出端的增益。每个CTIA 30通过对电容器32上的电荷进行累积执行电流-电压转换。开关34可有助于复位由CTIA 30 执行的电流到电压的转换。开关36和电容器42被耦合到CTIA 30的输出端，来执行对于给定列的采样保持 (S&H)操作。当电容器32两端的电荷量累积到适当的量，开关36瞬间关闭以传送电荷给电容器42。S&H操作的目的是保持从电容器32收集的电荷以等待数字化。布置额外的放大器38和开关40，以便可以读来自每一列的输出。开关40可以被配置成关闭以使相应列的输出能通过多路器。一旦确定了对于给定列的输出，开关观和40 打开，并且前一行的开关观和40关闭，以便可以确定对这一行的读取。这一序列对于阵列内的每一行来说都发生一次。如上所述，探测器20使用TDM方法以便给定行的FET开关观每次关闭一个，以便确定给定行的相应的输出。每一列的输出通过信号VIDE0_0UTPUT被传输至模-数(A/D)转换器(没有示出)。当结合使用TDM方法时，探测器20可能展现出噪声混叠现象。噪声混叠可能改变噪声频谱的形状(例如，噪声展现出非线性模式)并且变得较难预测。这样一来，如果人们不能预测噪声，那么就不能使用设计选项，可以其他方式消除这样的可预测噪声的影响，来增加摄像机的性能。图2描绘了传统的基于热电堆的探测器50。探测器50可以在摄像机内部实现。 探测器50通常被包装，安装在电路板上，并且由罩子包围，其中镜头布置在罩子中。探测器 50包括可以布置成320x240 (例如，320列和240行)阵列的多个像素52。每一像素52包括热电堆感应元件讨和开关56。开关56被实现为FET。提供了列解码器58，其包括DC电源，DC电源基于列可选择性地关闭开关56，每次关闭一列(即，探测器50使用TDM方案)。在相应列中的每个热电堆M响应于开关56关闭都产生输出电压。低噪声放大器60被可操作地耦合到在给定行中的每一个热电堆54。 放大器60通常被配置成提供比和探测器20结合使用的放大器(例如，基于微辐射热测量计的探测器)的输出增益更高的输出增益。可以用于增大来自热电堆M的增益的代表性放大器是由 1630 McCarthy Blvd.，Milpitas, CA 95035-7417 的线性技术提供的 LT6014。 导线62被安装用于分配来自热电堆M的输出电压到未包括在探测器50内的设备。放大器56增大由热电堆M提供的输出电压。一般来讲，在给定列内的每个热电堆M由相应的FET开关56启用之后，被耦合到热电堆M的每个放大器60都需要一设置时间。在达到这样的设置时间后，被热电堆M提供的输出电压被数字化，以便图像能被呈现为电子图像。已知热电堆通常具有良好的信噪比。还已知热电堆通常展现出低响应和低噪声。 为了增加响应，低噪声放大器60可能需要增大特定行的像素52的增益。然而，这样的低噪声放大器的应用仍然可能在探测器50的读数中增加显著的噪声。尤其是对于包含在与探测器50相同的硅衬底上的放大器。探测器50也可能经历噪声混淆现象。如上所述，这一状况可能降低预测噪声的能力。如果噪声不能被预测，那么可能不能实现可以减轻可预测的噪声模式的影响的设计选择。图3描绘了根据本发明的一种实施方式的热电堆顶探测器70。探测器70可以在成像设备69如(但不限于)摄像机内实现。探测器70通常被包装并安装在电路板71上。 探测器70和电路板71由罩73包围，其中镜头74布置在罩73中。探测器70大体上包括函数发生器72和热电堆阵列76。函数发生器72可以用振荡载波(或振荡信号)在同一时间驱动热电堆的每一行(或列)。每一热电堆响应于从物体捕捉的热能产生电输出信号。由热电堆产生的相应的电输出信号用振荡载波信号进行振幅调制并由此被发送。热电堆的每一列(或行)在彼此不同的唯一的频率处被驱动。一般来讲，函数发生器72被配置成激活所有列(或行)中的所有热电堆以用振荡载波(对每一列(或行)来说，都具有唯一的频率)来振幅调制来自每一个热电堆的输出信号(例如，通过使用可能被耦合到每一个热电堆的一个或多个开关)。所有的热电堆可以在同一时间工作。包括多个放大器的增益电路 78被可操作地耦合到热电堆阵列76。每个放大器被耦合到热电堆的特定列(或行)来增加每一列(或行)的热电堆的信号强度。为了产生被捕捉的原始图像的电子图像，解调电路84通常被耦合到增益电路78并且被配置成分离每一列(或行)的热电堆的正交载波， 以便可以确定来自每一列热电堆的相应的电压输出信号。可以设想，本发明的实施方式可以使用频率调制或相位调制。用对于每一列具有唯一频率的振荡载波调制所有列(或行)的所有热电堆(其中，所有的载波都被同时提供给每一列(或行)并在阵列内被调制)的概念通常被定义为频分复用(FDM)方法。FDM方法使得能够使用待增加到热电堆76中的每一行的专用放大器，来增加信号强度而不考虑由这样的放大器产生的噪声量。例如，对于，用预定频率的唯一载波信号振幅调制给定列(或行)的每个热电堆，接着同时提供这样的信号给具有增益电路78的放大器的自然结果是，信道的宽带噪声变大了(例如，宽带噪声的标准差增大列 (或行)上的热电堆的数目的平方根)。如果宽带信道噪声相比于宽带放大器噪声“较大”， 由于信道和放大器两者的宽带噪声加起来作为正交和(例如，噪声标准差的平方和的平方根)所以由电子引入的噪声量被认为是微不足道的这个事实，由给定列(行)上的放大器产生的宽带噪声变得显著。还可以设想，用来构建阵列76中的热电堆的材料可以包括(BihSbx)2(TehSey)3 家族(例如，铋-碲家族)中的化合物。为简便起见，化合物家族将通过Bi2I^3来表征。使用Bi2Te53来构建阵列76中的热电堆可能引起热电堆的电阻下降到低于IOK欧姆，这将引起热电堆(或探测器)的噪声量下降。虽然基于Bi2Te53的材料可以用来构建TDM方法的热电堆以减少热电堆噪声，当与由放大器(例如，参见图2中的放大器60)产生的噪声量相比时，这样的噪声减少可以最小化，由此引起仍将导致上面提到的噪声混淆问题的噪声混淆现象。由放大器产生的较大数量的噪声，因为上面提到的原因，在很大程度上由于FDM方法的实施可以被减轻。一般来讲，如果放大器是理想无噪声的，Bi2Te53的使用可以制作基于热电堆的非常高性能的探测器。因为基于Bi2Te53的热电堆的阻抗(或电阻)如此低，它的噪声也低。为了读出低阻抗热电堆并且不增加任何噪声到输出信号，可能需要非常低噪声的放大器。这对于TDM方法而言可能是个问题，因为可能须要用非常高性能的放大器读出高性能的热电堆。高性能可能意味着高功率，因为来自放大器的噪声被减少，放大器的输入级消耗的功率越多。另一方面，FDM方法可以包括串联(参见图幻的低电阻(例如，高性能)热电堆来增加提供给放大器的总噪声。由于总的噪声标准差通过热电堆标准差(所有串联的)和放大器标准差的平方和的平方根计算，总的噪声可能被来自热电堆的噪声占主导地位。虽然在 解调之前的总信号可能有噪声，这样的噪声信号可以在较长的时间(例如，图像帧率时间) 上被平均(例如，通过积分)。因为总信号可以在这一较长时间被积分，所以信号在解调后 可以被恢复到单一热电堆探測器的噪声比，这接近它的原始值，并且可以证明放大器噪声 的影响几乎消失。这种情况可以说明预测噪声和在设计方案内使用措施来消除其影响的概
ブ匕、O下面说明与TDM方法相比，FDM方法可以减少电子噪声的方式。特別地，对于TDM 方法和FDM方法，将会计算信噪(SNR)比。在TDM方法中，来自ith探測器(热电堆)的信 号可以写作ri(t) = vsi+nd(t)+ne(t)(1)其中r, (t)=从第i个探测器接收的信号vsi =来自第i个探测器的信号电压(V)
权利要求
1.一种用于产生物体的图像的红外(IR)探测器，所述顶探测器包括多个热感应元件，其被布置成具有M列和N行的阵列，每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号；响应于所述至少一个振荡信号，探测来自所述物体的热输出的至少一部分；产生表示所探测的热输出的至少一部分的电输出信号，以便所述电输出信号；以及用所述至少一个振荡信号调制所述电输出信号来产生表示所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
2.如权利要求1所述的顶探测器，其中，在M列中的每列内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
3.如权利要求1所述的顶探测器，其中，在N行中的每行内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
4.如权利要求1所述的顶探测器，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
5.如权利要求1所述的顶探测器，还包括可操作地耦合到所述阵列来增大每个调制输出信号的增益电路。
6.如权利要求5所述的顶探测器，其中，所述增益电路包括多个放大器，每个放大器具有反相输入端和非反相输入端，以及其中每个放大器的所述非反相输入端可操作地耦合到所述阵列。
7.如权利要求1所述的顶探测器，其中，每个调制输出信号都包括常量分量和振荡分量，以及其中所述顶探测器还包括被配置成从每个调制输出信号中去除所述振荡分量的解调电路。
8.如权利要求1所述的顶探测器，其中，所述至少一个振荡信号包括至少一个沃尔什函数及至少一个正弦和余弦函数这两者中的一个。
9.如权利要求8所述的顶探测器，其中，所述至少一个沃尔什函数包括sal(X，t)和 cal (y，t)函数中的至少一个，其中χ是第一整数，y是第二整数，t是时间。
10.如权利要求9所述的顶探测器，还包括被配置成产生sal(x，t)和cal(y，t)函数中的所述至少一个的函数发生器。
11.如权利要求1所述的顶探测器，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
12.如权利要求1所述的顶探测器，其中，每个热感应元件包括由铋和碲中的至少一种形成的热电堆。
13.如权利要求1所述的顶探测器，其中，在所述阵列内的所述多个热感应元件被配置成响应于每个热感应元件接收所述至少一个振荡信号，在同一时间保持活跃。
14.一种用红外(IR)探测器产生物体的图像的方法，所述顶探测器包括被布置成具有 M列和N行的阵列的多个热感应元件，所述方法包括在所述热感应元件的每个处接收振荡信号；以及响应于所述振荡信号，从所述热感应元件中的每个发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中，在每个所述热感应元件处接收所述振荡信号还包括在所述M列的每列内的每个热感应元件处接收具有唯一频率的所述振荡信号。
16.如权利要求14所述的方法，其中，在每个所述热感应元件处接收所述振荡信号还包括在所述N行的每行内的每个热感应元件处接收具有唯一频率的所述振荡信号。
17.如权利要求14所述的方法，还包括在接收所述振荡信号之前用函数发生器产生所述振荡信号。
18.如权利要求14所述的方法，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
19.如权利要求14所述的方法，还包括解调每个调制输出信号来确定所述物体的图像的所述至少一部分。
20.如权利要求14所述的方法，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
21.如权利要求20所述的方法，其中，所述热电堆由铋和碲中的至少一种形成。
22.如权利要求14所述的方法，还包括响应于每个热感应元件接收所述振荡信号，在同一时间激活在所述阵列内的所述多个热感应元件。
23.一种用于产生物体的图像的红外(IR)探测器，所述顶探测器包括多个热感应元件，其被布置成具有M列和N行的阵列，在所述M列内的每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号以便在所述M列内的所有热感应元件在同一时间被激活；以及响应于所述至少一个振荡信号，发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
24.如权利要求23所述的探测器，还包括被配置成解调所述调制输出信号来获得所述物体的图像的所述至少一部分的解调电路。
25.一种用于产生物体的图像的红外(IR)探测器，所述顶探测器包括多个热感应元件，其被布置成具有M列和N行的阵列，在所述N行内的每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号，以便在所述N行内的所有热感应元件在同一时间被激活；以及响应于所述至少一个振荡信号，发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
26.如权利要求25所述的探测器，还包括被配置成解调所述振幅调制的输出信号来获得所述物体的图像的所述至少一部分的解调电路。
27.一种基于所探测的物体的热输出来产生所述物体的图像的成像设备，所述摄像机包括镜头； 电路板；被支撑在所述电路板上的红外(IR)探测器，所述顶探测器包括被布置成具有M列和 N行的阵列的多个感应元件，每个热感应元件被配置成 接收至少一个振荡信号；通过所述镜头接收来自所述物体的热输出，以探测来自所述物体的热输出的至少一部分；产生表示所探测的热输出的至少一部分的电输出信号；以及用所述至少一个振荡信号来调制所述电输出信号，以提供表示所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
28.如权利要求27所述的成像设备，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
29.如权利要求27所述的成像设备，其中，每个热感应元件包括由铋和碲中的至少一种形成的热电堆。
30.如权利要求27所述的成像设备，其中，在所述M列的每列内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
31.如权利要求27所述的成像设备，其中，在所述N行的每行内的每个热感应元件还被配置成在唯一的频率处接收所述至少一个振荡信号。
32.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
33.如权利要求27所述的成像设备，还包括被可操作地耦合到所述阵列以增大每个调制输出信号的增益电路。
34.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述增益电路包括多个放大器，每个放大器具有反相输入端和非反相输入端，以及其中每个放大器的所述非反相输入端被可操作地耦合到所述阵列。
35.如权利要求27所述的成像设备，其中，每个调制输出信号包括常量分量和振荡分量，以及其中所述顶探测器还包括被配置成去除每个调制输出信号的所述振荡分量的解调电路。
36.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述至少一个振荡信号包括至少一个沃尔什函数及至少一个正弦和余弦函数这两者中的一个。
37.如权利要求36所述的成像设备，其中，所述至少一个沃尔什函数包括sal(x，t)和 cal (y，t)函数中的至少一个，其中χ是第一整数，y是第二整数，t是时间。
38.如权利要求37所述的成像设备，其中，所述顶探测器还包括被配置成产生sal(χ, t)和cal(y，t)函数中的所述至少一个的函数发生器。
39.如权利要求27所述的成像设备，其中，所述整个热感应元件阵列被配置成响应于在所述阵列内的每个热感应元件接收所述至少一个振荡信号，在同一时间保持活跃。
40.一种基于所探测的物体的热输出来产生所述物体的图像的成像设备，所述摄像机包括镜头；电路板；被支撑在所述电路板上的红外(IR)探测器，所述顶探测器包括被布置成阵列的多个感应元件，每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号；响应于所述至少一个振荡信号，通过所述镜头探测来自所述物体的热输出；以及基于所探测的所述物体的热输出，发送对应所述物体的图像的至少一部分的调制输出信号。
41.如权利要求40所述的成像设备，其中，每个热感应元件包括至少一个开关及热电堆和微辐射热测量计中的一个。
42.如权利要求41所述的成像设备，其中，每个热电堆由铋和碲中的至少一种形成。
43.如权利要求40所述的成像设备，其中，所述调制输出信号是振幅调制的输出信号。
44.如权利要求40所述的成像设备，其中，所述热感应元件的整个阵列被配置成响应于在所述阵列内的每个热感应元件接收所述至少一个振荡信号，在同一时间保持活跃。
全文摘要
在至少一种实施方式中，提供了用于产生物体图像的红外(IR)探测器。红外(IR)探测器包括布置成具有M列和N行的阵列的多个热感应元件。每个热感应元件被配置成接收至少一个振荡信号和探测来自物体的热输出的至少一部分。每个热感应元件还被配置成产生表示所检测的热输出的至少一部分的电输出信号，以及用至少一个振荡信号调制电输出信号来产生表示物体图像的至少一部分的调制的输出信号。
文档编号H01L31/042GK102396075SQ201080016457
公开日2012年3月28日 申请日期2010年3月23日 优先权日2009年4月12日
发明者大卫·科瑞斯考斯基, 贾斯汀·伦肯 申请人:Ud控股有限责任公司