[发明专利]一种硅基焦平面器件的读取方法

说明书

 

技术领域

一种硅基焦平面器件的读取方法，属于电子技术领域，具体涉及硅基焦平面器件的读出电路结构的设计。

 

背景技术

    红外技术是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。红外焦平面阵列是红外成像系统的核心部件，它由红外探测器和读出电路两部分组成。读出电路为数模混合大规模MOS集成电路，其功能是对探测器感应的微弱红外电信号进行前置处理（如积分、放大、滤波和采样／保持等）及信号的并／串行转换。读出电路主要有CCD和CMOS两种类型，CMOS读出电路因其众多的优点而成为当今读出电路的主要发展方向。

    集成电路经历了PMOS、NMOS工艺技术后，CMOS工艺技术已成为当今集成电路的主流工艺技术。除了同样的高密度、低功耗性能外，CMOS集成电路还在低工作电压、抗辐射能力、像元数据随机访问（即可在焦平面上任意开窗）等方面较CCD有优势。更重要的是，它是一种通用的硅工艺技术，其设计规范是高度标准化的，可在同一硅片上集成各种信号处理的拟和数字功能部件，如A／D、控制时序逻辑等，为实现单片系统（System on Chip）提供了可能。另外，因同一硅片上的N管和P管极性互补，使电路结构不但变得更简单，也使设计变得更灵活。鉴于如此诸多的优点，红外焦平面阵列CMOS读出电路时代的到来就是顺理成章的事了。

    1993年美国霍尼威尔公司报导T16×64、64×128、240×336元非制冷微测辐射热计红外焦平面阵列，该阵列是将微测辐射热计红外探测器和CMOS读出电路制备在同一硅基底上，即CMOS读出电路集成在硅基底上，这使得来自每个单～微测辐射热计红外探测器的信号都能单独得到测量，在每一个帧时里，所有信号都能被取样。读出电路由每个像元下的一个高速晶体管开关和周围的多路传输器构成，多路传输器使每个微测辐射热计能够经由金属薄膜的行和列顺序读出。 目前，圣巴巴拉研究中心、洛克希德公司、波音北美公司、雷瑟恩公司、AllianTechsystems公司等五家公司己经获得霍尼威尔公司的微测辐射热计技术转让许可证。霍尼威尔公司的320×240微测辐射热计非致冷焦平面阵列已投入批量生产。

但是国内的工艺水平还处于一个较低的发展水平上，电路的实现能力不能满足设计的需要，这就使得读出电路的发展水平较低。且国内对读出电路的研究较少，缺乏成熟的经验可以借鉴，因此开展这方面的工作是很有意义的。

 

发明内容

      本发明的目的在于提供硅基焦平面器件的读出电路的设计方法。本发明采用的电路结构可以应用到以硅为衬底材料的焦平面下面做电路的读出电路结构中去，其可移植性很强，适合于任何规模阵列的读出电路的设计。其特点是：

以硅为衬底材料的焦平面电路的读出电路结构，包括：

（1）焦平面阵列电路：完成光电信号的转换；

（2）垂直移位寄存器：产生行选信号，在行选信号的控制下，选通一行的像素单元；

（3）组选移位寄存器：产生列选信号，通过选通几列的行选后的信号到多路选择开关中；

（4）多路选择开关：把选通的像素单元按照一定的规律输出。

    对于一个M×N阵列，N列像素单元电路的输出分为L组，由组选移位寄存器进行控制选通其中的一组，然后把该组的信号读出到多路选择开关电路中进行输出。

    阵列内部的结构中采用一种桥式结构。R1、R2是热沉测辐射热计电阻，它们不随着温度的变化而发生变化，R3是光学屏蔽参考测辐射热计电阻，不受所加的红外辐射的影响，它与探测器电阻的温度系数是一致的，R4是探测器测辐射热计电阻，由于探测器测辐射热计电阻受红外辐射的影响，其温度发生变化而产生电阻的变化。

    控制信号模块垂直移位寄存器、组选移位寄存器和多路选择开关采用了D触发器来实现，每个D触发器的输入是上一级D触发器的输出，D触发器的输出同时用于控制对应的行的MOS的栅极，每个模块的D触发器使用同步时钟。开始输入一个脉冲信号作为第一个D触发器的初始输入，并以此来控制选通第一行或第一列。

本发明的优点有：

（1）采用此电路结构可减少放大器和积分器的数目，减少了读出电路的复杂性；

（2）采用此电路结构避免了由于器件制造过程中产生的不一致性给读出的电压信号带来的误差；

（3）依此电路设计的版图结构紧凑和电路产生较低的功耗；

（4）采用桥式结构可以尽可能地消除固定图像噪声的影响；