具有暫態抑制的微輻射計陣列的製作方法
2023-07-04 19:21:16 2
專利名稱：具有暫態抑制的微輻射計陣列的製作方法
技術領域：
一般來說，本發明涉及紅外輻射顯示系統，更具體地說，涉及用於檢測紅外輻射的微輻射計及其作業系統。
背景技術：
包含微輻射計的紅外輻射顯示系統得到廣泛的應用。應用實例包括機械設備的預防性維護、電力傳輸設備的預測性維護、防火、消防、能源節約、執法、導航、安全以及軍事應用。
典型的微輻射計陣列包括排列成行和列的多個熱隔離的傳感元件或像素。傳感元件通常是具有較高溫度係數的薄膜電阻。當紅外輻射到達傳感元件時，薄膜電阻的溫度上升，電阻改變。通過測量電阻變化，可確定入射紅外輻射的量度。
傳感元件通常採用傳統的半導體處理技術在基板上形成。各傳感元件通常設置在與基板熱隔離的橋等之上。如果沒有與基板的有效熱隔離，則基板的熱質量會阻止輸入的紅外輻射對傳感元件的薄膜電阻有效地加熱，從而會顯著地降低傳感元件的靈敏度。
對於一些微輻射計陣列，各薄膜電阻的一個端子連接到電源電壓、如VDD。各薄膜電阻的另一端子通過列選擇開關連接到相應的行讀出線。各行讀出線經相應的行選擇開關連接到讀出線。讀出線可通過互阻抗放大器耦合到第二電源、如地或虛地。互阻抗放大器通常提供與檢測到的輸入紅外輻射量有關的輸出信號。
工作中，在讀取下一行中的傳感元件之前，從第一傳感元件到最後一個傳感元件依次讀取所選行中的那些傳感元件。要完成這個操作，通常激活第一行選擇開關，將第一行讀出線連接到讀出線。然後再激活列選擇開關，依次將所選行中的各傳感元件連接到所選行讀出線並由此連接到讀出線。一旦已讀取所選行中的所有傳感元件，則激活下一個行選擇開關，將下一行讀出線連接到讀出線。然後再依次激活列選擇開關，依次將下一行中的各傳感元件連接到所選行讀出線以及連接到讀出線。對微輻射計陣列中的各行繼續這種操作。
正在讀取第一行傳感元件時，從讀出線斷開未選取行的行讀出線。另外，還順序激活將未選取行讀出線通過未選取傳感元件連接到VDD的列選擇開關，它可有選擇地將未選取行讀出線連接到VDD。因此，未選取行讀出線在未被選取時往往在VDD附近。當未選取行讀出線通過相應的行選擇開關成為被選者時，行讀出線立即通過互阻抗放大器連接到地或虛地。因為可由互阻抗放大器提供的有限電流，並且因為行讀出線的電容和電阻，從一個行讀出線到另一個的轉變會引起新選取的行讀出線上的暫態。這種暫態使得難以獲得各行中前幾個傳感元件的準確電阻讀數。因此，對於部分先有技術的微輻射計陣列，前幾列的傳感元件的讀數可能是不準確的。
另外，新選取的行讀出線上的暫態電流會引起各行中前幾個傳感元件的顯著加熱。由於傳感元件通常與基板熱隔離，這種加熱會對傳感元件的薄膜電阻造成損害。
因此，需要一種微輻射計陣列和/或作業系統，它降低讀取熱隔離傳感元件時在行讀出線上出現暫態的可能性。
發明概述本發明提供一種微輻射計陣列和作業系統，它降低讀取熱隔離傳感元件時在行讀出線上出現暫態的可能性。在一個說明性實施例中，一列或多列「啞」傳感元件放置在微輻射計陣列中。「啞」傳感元件最好是但不一定熱連接到基板，使其更易於處理新選取的行讀出線遇到的暫態電流尖峰信號。一列或多列「啞」傳感元件最好是經過配置，使其在最初選擇行讀出線時被選取。因此，正是「啞」傳感元件而不是用於成像的熱隔離傳感元件遇到新選取的行讀出線上的暫態。
考慮可提供足夠數量的「啞」傳感元件列，使得暫態在讀取實際的熱隔離傳感元件之前有充分的時間穩定下來。或者，可提供單列啞傳感元件，微輻射計陣列的控制可經過配置，使得啞傳感元件保持被選中，直到新選取的行讀出線上的暫態穩定下來。
在另一個說明性實施例中，不需要啞傳感器。而是將微輻射計陣列的控制配置成取消選擇陣列中所有傳感元件，直到新選取的行讀出線上的暫態穩定下來。這可以通過在選擇新的行讀出線之後的一段時間取消選擇所有列選擇開關來實現。這可有助於防止對熱隔離傳感元件的損害。
附圖概述圖1是根據本發明的一個說明性實施例的紅外成像系統的框圖；圖2是根據本發明的一個說明性實施例的微輻射計陣列的示意圖；圖3是根據本發明的另一個說明性實施例的微輻射計陣列的示意圖；以及圖4是根據本發明的又一個說明性實施例的微輻射計陣列的示意圖。
本發明的詳細說明應參照附圖來閱讀以下詳細說明，其中不同附圖中的類似元件以類似方式編號。不一定按比例的
所選實施例，並不意味著限制本發明的範圍。在某些情況下，附圖可能是高度概略性的。對各種元件提供結構、材料、尺寸以及製造工藝的實例。本領域的技術人員知道，所提供的許多實例都具有可應用的適當備選方案。
圖1是根據本發明的一個說明性實施例的紅外成像系統280的框圖。紅外成像系統280包括微輻射計陣列200和透鏡系統282，透鏡系統經過配置，使對象285發出的紅外輻射照射微輻射計陣列200。在圖1的實施例中，斬波器284放置在透鏡系統282和微輻射計陣列200之間。斬波器284可以是轉盤，具有周期性地阻擋透鏡系統282收集的紅外輻射和讓其通過的開口。例如，斬波器可用來周期性地再校準微輻射計陣列，如本領域所知的一樣。
微輻射計陣列200最好是安置在其中一側形成紅外透射窗口的真空室中。該窗口最好是經過定位，使透鏡系統282收集的紅外輻射通過窗口到達微輻射計陣列200。
微輻射計陣列200包括基板202、與基板202熱隔離的傳感元件陣列220以及在一個實施例中與基板較少熱隔離的多個傳感元件222。為了說明，圖1中用陰影線指明較少熱隔離的傳感元件222。
微輻射計陣列200經選擇和讀出塊209耦合到控制器208。選擇和讀出塊209最好是適合提供傳感元件選擇信號，以便一個接一個地選擇所選傳感元件或像素。在一個實施例中，選擇和讀出塊209在接連讀取下一行中的傳感元件之前，接連讀取第一行中的各傳感元件。
圖1中，各行中的第一選定傳感元件是傳感元件222，它比該行中其餘傳感元件更少與基板熱隔離。如上所述，對於某些微輻射計陣列，從一個行讀出線到另一個的轉變可能引起新選取的行讀出線上的暫態。這個暫態會使得難以獲得第一傳感元件的準確電阻讀數。暫態還會引起對所選傳感元件的顯著加熱。但是，由於圖1所示各行中的第一選定傳感元件較少與基板熱隔離，因此最初選擇行讀出線時可能出現的暫態電流尖峰信號能夠更易於處理。
雖然圖1中只給出單列較少熱隔離的傳感元件222，但考慮可提供任何數量的這種列。可提供足夠數量的「啞」傳感元件列，使暫態在讀取熱隔離傳感元件220之前有充分的時間穩定下來。或者，可提供單列啞傳感元件，選擇和讀出塊209可使較少熱隔離的傳感元件一直被選定，直到新選取的行讀出線上的暫態充分穩定下來。或者，一列或多列啞傳感元件可以是熱隔離傳感元件，啞傳感元件的輸出僅被丟棄，而不用於形成圖像。
控制器208接收微輻射計陣列200的傳感元件的相繼讀數，並將圖像信號223提供給紅外成像系統280的顯示器225。在一個實施例中，來自啞傳感元件222的信息不包含在圖像信號223中。控制器208還可將數據信號227提供給紅外成像系統280的存儲器229。存儲器229可包括例如固態存儲器晶片(如DRAM)、硬碟驅動器、軟盤驅動器和磁碟、存儲卡等。
圖2是根據本發明的一個說明性實施例的說明性微輻射計陣列300的示意圖。微輻射計陣列300包括基板302和多個像素304。各像素304包括傳感元件和列選擇開關306。
在圖2所示的實施例中，各傳感元件的電阻由薄膜電阻提供。應當理解，各傳感元件可包括各種薄膜，只要不背離本發明的精神和範圍。適合一些應用的薄膜實例包括金屬薄膜和半導體薄膜。
在一個說明性實施例中，微輻射計陣列300的至少一個傳感元件比另一個傳感元件更少與基板302熱隔離。圖2中，微輻射計陣列300包括多個熱隔離的傳感元件320和多個較少熱隔離的傳感元件322。較少熱隔離的傳感元件322或啞傳感元件可以是特意通過熱耦合器324與基板302熱耦合的。
圖2中，各行中的第一個傳感元件通過熱耦合器324熱耦合到基板302。熱耦合器324的各種實施例都是可行的，只要不背離本發明的精神和範圍。熱耦合器的實例可包括例如較少熱隔離的傳感元件322和基板302之間的熔化結、設置在較少熱隔離的傳感元件322和基板302之間的金屬膜和/或設置在較少熱隔離的傳感元件322和基板302之間的玻璃膜。比提供單獨的熱導體324更為可取的是，考慮可將較少熱隔離的傳感元件322直接設置在基板302上，或者在需要時甚至嵌入基板302。
各個列選擇開關、如列選擇開關306可包括場效應電晶體(FET)。但是，考慮各列選擇開關306可包括任何適當的切換裝置，例如二極體、電晶體、三端雙向可控矽開關元件、可控矽整流器等。
在說明性實施例中，像素304排列成多行和多列。微輻射計陣列300包括第一列342、第二列344、第三列346以及第N列348。微輻射計陣列300還包括第一行332、第二行334、第三行336以及第M行338。N和M可以是大於零的任何整數。
所示的第一列342中的各像素304的列選擇開關306連接到第一列地址線352。微輻射計陣列300還包括與第二列344相關的第二列地址線354、與第三列346相關的第三列地址線356以及與第N列348相關的第N列地址線358。第一列地址線352、第二列地址線354、第三列地址線356以及第N列地址線358均連接列選擇控制電路350。列選擇控制電路350最好是依次激活各列中的列選擇開關306。在一個實施例中，列選擇電路350包括移位寄存器，它依次選擇各列以讀取所選行中的各傳感元件。
圖2中，第一行332中的第一像素的傳感元件經列選擇開關306耦合到相應的第一行讀出線362。同樣，第一行332中其餘的各傳感元件經相應的列選擇開關耦合到第一行讀出線362，如圖所示。另外，第二行334中的各傳感元件經相應的列選擇開關耦合到第二行讀出線364。其餘行336和338中的傳感元件以類似方式連接到相應的行讀出線。
第一行讀出線362、第二行讀出線364、第三行讀出線366以及笫M行讀出線368連接到相應的行讀出開關、如行讀出開關360。各行讀出開關有選擇地將相應的行讀出線連接到微輻射計陣列300的讀輸出線372。在最佳實施例中，各行讀出開關是選通門，但也可使用其它適當的切換機制。各行讀出開關360由行讀出控制電路370來控制。行讀出控制電路370最好是適合於有選擇地激活與所需傳感元件行相關的行讀出開關360。象列選擇電路350一樣，行讀出電路370最好是包括移位寄存器。
工作中，在讀取下一個所選行中的傳感元件之前，從第一傳感元件到最後一個傳感元件依次讀取第一所選行中的傳感元件。在最佳方法中，各行中所選的第一傳感元件322是較少熱隔離的傳感元件之一(例如啞傳感元件)。在選擇新的行之後選擇啞傳感元件有利地使新選取的行讀出線上的暫態可以更易於被較少熱隔離的傳感元件所吸收。
啞傳感元件最好是經過配置，使其在最初選擇行讀出線時被選取。因此，正是「啞」傳感元件而不是用於成像的熱隔離傳感元件受到新選取的行讀出線上的暫態影響。在一個實施例中，提供足夠數量的「啞」傳感元件列，使新選取的行讀出線上的暫態在讀取熱隔離傳感元件之前有充分的時間穩定下來。或者，可提供單列啞傳感元件，如圖2所示，列選擇控制電路350可經過配置，使得啞傳感元件在較長時間保持被選中，例如直到新選取的行讀出線上的暫態穩定下來為止。最後，如上所述，一列或多列啞傳感元件可以是熱隔離傳感元件，啞傳感元件的輸出僅被丟棄，而不用於形成圖像。
在另一個說明性實施例中，如圖3所示，不需要啞傳感器。圖3說明與基板熱隔離的傳感元件陣列400。象圖2所示實施例一樣，列選擇電路402可包括具有多個級404a-404d的移位寄存器，當具有「1」值的控制位通過級404a-404d進行移位時，依次選取列選擇線406a-406d。選擇最後的列選擇線406d之後，向行讀出電路410提供時鐘脈衝，它使具有「1」值的控制位選擇行選擇線412a-412d的下一個。
為了防止在選取新行讀出線之後立即選擇任一個傳感元件400，列選擇電路402的移位寄存器可包括一個或多個附加級414a-414b，它們不控制相應的控制選擇線。這樣，當控制位最初移位到列選擇電路402的移位寄存器中時，取消選擇所有列，直到控制位移位到級404a中。可提供足夠數量的附加位414a-414b，使得在新選取的行讀出線上的預期暫態期間不選取任何傳感元件400。這可有助於防止對熱隔離傳感元件400的損害，並且更易於讀取前幾列傳感元件400。
圖4是根據本發明的另一說明性實施例的微輻射計陣列500的示意圖。微輻射計陣列500包括基板502和多個像素504。各像素504包括傳感元件506和像素選擇開關508。在圖4的實施例中，各像素選擇開關508包括二極體。
各傳感元件具有與相應行讀出線512a-512d連接的第一端子。各傳感元件的第二端子通過相應的像素選擇開關508連接到相應的列選擇線514a-514d。
為了選擇特定的傳感元件、如傳感元件506，由行選擇控制塊518選取行讀出線、如行選擇線512a。象圖2中一樣，行選擇控制塊518可將所選行選擇線512a連接到互阻抗放大器520的輸入。互阻抗放大器520將所選行選擇線512a連接到虛地。在被選取之前，行讀出線可能處於大約低於電源電壓一個二極體壓降。然後再聲明列選擇線、如列選擇線514b。這使電流通過像素選擇開關508和所選傳感元件506，最後到達互阻抗放大器520的輸入。互阻抗放大器提供與流過所選傳感元件506的電流有關的輸出信號522。
工作中，在讀取下一個所選行中的傳感元件之前，最好是從第一傳感元件到最後一個傳感元件依次讀取第一所選行中的傳感元件。在一個方法中，各行中所選的第一傳感元件是較少熱隔離的傳感元件(例如啞傳感元件)，例如530所示。在選擇新的行之後選擇啞傳感元件有利地使新選取的行讀出線上的暫態可以更易於被較少熱隔離的傳感元件所吸收。
啞傳感元件最好是經過配置，使其在最初選擇行讀出線時被選取。因此，正是「啞」傳感元件而不是用於成像的熱隔離傳感元件受到新選取的行讀出線上的暫態。在一個實施例中，提供足夠數量的「啞」傳感元件列，使得新選取的行讀出線上的暫態在選擇和讀取熱隔離傳感元件之前有充分的時間穩定下來。或者，可提供單列啞傳感元件，如圖4所示，列選擇控制電路540可使啞傳感元件在較長時間保持被選中，例如直到新選取的行讀出線上的暫態穩定下來為止。最後，如以上結合圖3所述，尤其是當列選擇控制電路540配置成在新選取的行讀出線上的暫態穩定下來之前不選取任何傳感元件的情況下，可以不需要任何啞傳感器。
由此說明了本發明的最佳實施例，本領域的技術人員會理解，可在所附權利要求的範圍內實現和使用其它實施例。以上說明中闡述了本文包含的本發明的大量優點。但是，應當理解，本公開在許多方面只是說明性的。在細節上、尤其是在部件的形狀、大小以及布置方面可進行變更，而沒有超出本發明的範圍。本發明的範圍當然是由表達所附權利要求的語言來定義。
權利要求
1.一種紅外輻射傳感器，其特徵在於基板(202)；相對於所述基板(202)固定的多個傳感元件(220)；以及所述傳感元件中至少一個(222)比所述傳感元件中另一個(220)更少與所述基板(202)熱隔離。
2.如權利要求1所述的紅外傳感器，其特徵在於所述多個傳感元件排列成多個行(332)和列(342)，各行(332)具有行讀出線(368)，其中一行中的各傳感元件(320，322)通過列選擇開關(306)連接在電源(376)和相應的行讀出線(368)之間，所述列選擇開關(306)由相應的列選擇信號來控制，行讀出線(368)通過多個行選擇開關(360)有選擇地連接到所述讀輸出線(372)，各行選擇開關(360)由相應的行選擇信號來控制，所述讀輸出線經互阻抗放大器(374)耦合到第二電源。
3.如權利要求2所述的紅外傳感器，其特徵在於讀取下一個所選行(338)中的所述傳感元件之前，從第一傳感元件(322)到最後一個傳感元件依次讀取所選行(338)中的所述傳感元件，以及至少一個所述第一傳感元件(322)比同一行中的另一個傳感元件更少與所述基板(302)熱隔離。
4.如權利要求3所述的紅外傳感器，其特徵在於各行中的所述第一傳感元件(322)由所述列選擇信號來選擇，其被選中的時間多於所述同一行中的另一個傳感元件。
5.如權利要求1所述的紅外傳感器，其特徵在於所述多個傳感元件排列成多個行和列，各行具有行讀出線(512)，各列具有列選擇線，其中一行中的各傳感元件通過特有的列選擇開關(508)連接在特有的列選擇線(514)和公共行讀出線(512)之間，讀出線(522)通過多個行選擇開關(518)有選擇地連接到所述行讀出線(512)，各行選擇開關由相應的行選擇信號來控制，所述讀出線經互阻抗放大器(522)耦合到第二電源。
6.一種紅外傳感器陣列，其特徵在於基板(302)；多個傳感元件(220)，相對於所述基板(302)固定，並且排列成多個行(338)和列(342)；各行(338)具有相應的行讀出線(368)；各傳感元件(322)通過列選擇開關(306)連接在電源(376)和相應的行讀出線(368)之間，所述列選擇開關(306)由相應的列選擇信號來控制；讀輸出線(372)；所述行讀出線(368)中每一個通過相應的行選擇開關(360)選擇性地連接到所述讀輸出線(372)，各行選擇開關(360)由相應的行選擇信號來控制；所述讀輸出線(372)耦合到放大器(374)；以及控制器，用於控制所述行選擇信號和所述列選擇信號，使得在選擇和讀取下一行(336)中的所述傳感元件之前，從第一傳感元件(322)到最後一個傳感元件依次選擇和讀取所選行(338)中的所述傳感元件，所述控制器選擇各行中的第一傳感元件(322)的時間多於所述同一行中的另一個傳感元件。
7.如權利要求6所述的紅外傳感器陣列，其特徵在於各行中所選的所述第一傳感元件(322)比所述同一行中的另一個傳感元件更少與所述基板(302)熱隔離。
8.一種用於讀取紅外傳感器陣列(220)的方法，所述陣列具有排列成多個行(338)和列(342)的多個紅外傳感元件(322)，所述方法的特徵在於從第一傳感元件(322)到最後一個傳感元件依次讀取所述紅外傳感器陣列(220)的第一所選行(338)的所述傳感元件(322)，讀取所述第一傳感元件(322)的時間比後續的傳感元件長；以及從第一傳感元件(322)到最後一個傳感元件依次讀取所述紅外傳感器陣列(220)的第二所選行(336)的所述傳感元件(322)，讀取所述第一傳感元件(322)的時間比後續的傳感元件長。
9.如權利要求6所述的方法，其特徵在於各行(338)的所述第一傳感元件(322)具有高於同一行(338)中後續傳感元件的熱質量。
10.一種用於讀取一種紅外傳感器陣列(220)的方法，所述陣列具有排列成多個行(338)和列(342)的多個紅外傳感元件，所述方法的特徵在於選擇傳感元件的第一行(332)；通過依次選取所述紅外傳感器陣列的各列(342)，依次讀取所述第一行(332)的各傳感元件；選擇傳感元件的第二行(334)；在一段時間內取消選擇所述紅外傳感器陣列(220)的所有列；以及通過依次選取所述紅外傳感器陣列的各列(342)，依次讀取所述第二行(334)的各傳感元件。
全文摘要
一種用於檢測紅外輻射的微輻射計(280)，它具有基板(202)和相對於基板(202)固定的傳感元件陣列(220)。在一個實施例中，至少部分傳感元件(322)比其它傳感元件(320)更少與基板熱隔離。當預計暫態存在於傳感器陣列(220)中時，選擇較少熱隔離的傳感元件(322)。在另一個實施例中，當預計有暫態時取消選擇所有傳感元件(220)。
文檔編號H04N5/357GK1491349SQ01822772
公開日2004年4月21日 申請日期2001年12月20日 優先權日2000年12月26日
發明者R·A·沃德, R A 沃德 申請人:霍尼韋爾國際公司