二極體紅外探測器及其讀出電路的製作方法

2023-04-23 22:37:36

專利名稱：二極體紅外探測器及其讀出電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種二極體紅外探測器及其讀出電路，屬於微電子及光電子技術領域。
背景技術：
紅外探測技術在軍事、空間技術、醫學以及國民經濟相關領域正得到日益廣泛的應用。紅外探測晶片是紅外探測技術中獲取紅外信號的核心部件。該部件由紅外探測器和讀出電路(ROIC:readout integrated circuits)組成。ROIC電路的基本功能是進行紅外探測器信號的轉換、放大以及傳輸。讀出電路是紅外探測器與後續的模數轉換器(ADC:analogto digital convertor)的接口電路,它的性能好壞直接影響整個紅外探測晶片的性能。隨著應用範圍的不斷擴大，對紅外探測系統性能的要求也越來越高。二極體紅外探測器由於結構簡單、面積小、靈敏度高，得到了極大的發展。為了獲得良好的性能，二極體紅外探測器通常由6 7個二級管串聯組成。串聯多個二級管可以獲得良好的性能，但提高了導通電壓，對讀出電路的設計提出了更高的要求。每個矽二極體的導通壓降為0.7V，6個串聯二級管的導通壓降為4.2V，對於電源電壓為3.3V或5V的CMOS讀出電路來說，必須採用隔直電路進行處理。然而隔直電路既限制了讀出電路的帶寬，又因為使用無源電容和電阻而大大增大了讀出電路的面積。為了減小用於二極體紅外探測器讀出電路的面積，日本的三菱公司提出了用柵調製電路讀出電路以避免隔直電路的使用，如圖1所示(Masafumi Kimata et al., 「S0Idiode uncooled infrared plane arrays，，，Quantum sensing and Nanophotonic Devices
III , Proc.0f SPIE Vol.6127, 61270 I , 2006)。該柵調製電路由傳感器直流偏置電路1、柵調製MOS管2、積分電容3及MOS開關4通過導線連接組成。該結構的電路形式簡單，易於大規模陣列的集成。但其存在直流偏置過大，使得積分電容容易飽和，動態範圍受限等問題。採用隔直電路的二極體紅外探測器讀出電路帶寬受到限制，且面積大。三菱公司的柵調製電路雖然克服了帶寬和面積的問題，但存在積分電容易飽和，動態範圍受限的問題。無論是採用隔直電路的傳統讀出電路，還是三菱公司的柵調製電路，都沒有消除電路低頻噪聲的功能，這也限制了紅外探測系統性能的進一步提升。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種二極體紅外探測器及其讀出電路，其能有效克服二級管探測器導通壓降大的問題，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，動態範圍大，安全可靠。本發明採用的技術方案是:
按照本發明提供的技術方案，所述二極體紅外探測器及其讀出電路，包括由多個串聯的紅外探測二極體組成的二極體紅外探測器，用作電流沉的MOS電晶體，用於調製探測器信號的調製開關電路，用於放大信號的放大器，用於解調信號的解調開關電路，用於給放大器提供正電源的第一降壓穩壓器，用於給放大器提供負電源的第二降壓穩壓器。所述二極體紅外探測器由6個串聯的紅外探測二極體組成，以增大對紅外信號的靈敏度，並在紅外探測二極體的下方基底進行鏤空以實現熱隔離。所述用作電流沉的MOS電晶體為單個NMOS管或者兩個NMOS管疊加組成的共源共柵結構。所述調製開關電路和解調開關電路均是斬波開關電路，各包括4個CMOS開關。各CMOS開關均為採用當前最小工藝尺寸製造的CMOS開關。所述放大器應為差分輸入，單端輸出放大器，並根據所需增益在放大器的輸出端和輸入端之間設置反饋電阻。所述為放大器提供正電源的第一降壓穩壓器為低壓差線性穩壓器。所述為放大器提供負電源的第二降壓穩壓器為開關型線性穩壓器。本發明的優點:紅外信號經6個串聯的紅外探測二極體轉換為電信號，通過斬波調製高頻信號後能消除偏移電壓與低頻噪聲，經放大器將微弱的探測器信號進行放大，然後經過解調開關將信號調製回基頻進行輸出，實現紅外信號的讀取；結構簡單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，並通過兩個穩壓器將讀出電路與探測器進行集成，適應範圍廣，安全可靠。


圖1為三菱公司基於柵調製結構的二極體紅外探測器及其讀出電路原理圖。圖2為本發明的二極體紅外探測器及其讀出電路的原理圖。圖3為本發明的調製開關電路的原理圖。圖4為本發明的解調開關電路的原理圖。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步說明。一種二極體紅外探測器及其讀出電路，包括由多個串聯的紅外探測二極體組成的二極體紅外探測器11，用作電流沉的MOS電晶體12，用於調製探測器信號的調製開關電路13，用於放大信號的放大器15，用於解調信號的解調開關電路14，用於給放大器15提供正電源的第一降壓穩壓器16，用於給放大器15提供負電源的第二降壓穩壓器17。具體的電路連接如圖2所示:
所述二極體紅外探測器11的正端與8.4v的電源電壓相連，負端與用作電流沉的MOS電晶體12的漏端和調製開關電路13的輸入端相連，用作電流沉的MOS電晶體12的柵端與調節電平Vc相連，源端接地；調製開關電路13的輸出端連接放大器15的輸入端，放大器15的輸出端與解調開關電路14的輸入端相連，為放大器15提供正電源的第一降壓穩壓器16的輸入端與8.4v的電源電壓相連,輸出端與放大器15的正電源端相連；為放大器15提供負電源的第二降壓穩壓器17的輸入端與8.4v的電源電壓相連，輸出端與放大器15的負電源端相連。所述二極體紅外探測器11由6個串聯的紅外探測二極體組成。以增大對紅外信號的靈敏度，並在紅外探測二極體的下方基底採用XeF進行鏤空釋放，以實現熱隔離。
所述用作電流沉的MOS電晶體12為單個NMOS管或者兩個NMOS管疊加組成的共源共柵結構。所述調製開關電路13為一斬波開關電路，具體包括4個CMOS開關:第一 CMOS開關21、第二 CMOS開關22、第三CMOS開關23、第四CMOS開關24 ;均採用當前工藝所允許的最小尺寸製造形成，以減小開關所帶來的時鐘饋通和溝道電荷注入效應。第二 CMOS開關22跨接在調製開關電路13的正輸入端和正輸出端之間；第四CMOS開關24跨接在調製開關電路13的負輸入端和負輸出端之間；第一 CMOS開關21跨接在調製開關電路13的正輸入端和負輸出端之間；第三CMOS開關23跨接在調製開關電路13的負輸入端和正輸出端之間；第二 CMOS開關22和第四CMOS開關24由時鐘Pl控制，第一 CMOS開關21和第三CMOS開關23由時鐘P2控制，時鐘Pl和時鐘P2反相；當Pl處於高電平時，P2處於低電平，調製開關電路13的正輸入端與正輸出端相連,負輸入端與負輸出端相連；當Pl處於低電平時，P2處於高電平，調製開關電路13的正輸入端與負輸出端相連，負輸入端與正輸出端相連。所述解調開關電路14的結構和調製開關電路13 —樣，為一斬波開關電路，具體包括4個CMOS開關:第五CMOS開關25、第六CMOS開關26、第七CMOS開關27、第八CMOS開關28 ;均採用當前工藝所允許的最小尺寸製造形成，以減小開關所帶來的時鐘饋通和溝道電荷注入效應。第六CMOS開關26跨接在解調開關電路14的正輸入端和正輸出端之間；第八CMOS開關28跨接在解調開關電路14的負輸入端和負輸出端之間；第五CMOS開關25跨接在解調開關電路14的正輸入端和負輸出端之間；第七CMOS開關27跨接在解調開關電路14的負輸入端和正輸出端之間；第六CMOS開關26和第八CMOS開關28由時鐘Pl控制，第五CMOS開關25和第七CMOS開關27由時鐘P2控制，時鐘Pl和時鐘P2反相；當Pl處於高電平時，P2處於低電平,解調開關電路14的正輸入端與正輸出端相連,負輸入端與負輸出端相連；當Pl處於低電平時，P2處於高電平，解調開關電路14的正輸入端與負輸出端相連，負輸入端與正輸出端相連。所述放大器15應為差分輸入，單端輸出放大器，並根據所需增益在放大器15的輸出端和輸入端之間設置反饋電阻。所述為放大器15提供正電源的第一降壓穩壓器16為低壓差線性穩壓器。所述為放大器15提供負電源的第二降壓穩壓器17為開關型線性穩壓器。
權利要求
1.一種二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:包括由多個串聯的紅外探測二極體組成的二極體紅外探測器(11)，用作電流沉的MOS電晶體(12)，用於調製探測器信號的調製開關電路(13)，用於放大信號的放大器(15)，用於解調信號的解調開關電路(14)，用於給放大器(15)提供正電源的第一降壓穩壓器(16)，用於給放大器(15)提供負電源的第二降壓穩壓器(17)； 所述二極體紅外探測器(11)的正端與電源電壓相連，負端與用作電流沉的MOS電晶體(12)的漏端和調製開關電路(13)的輸入端相連；用作電流沉的MOS電晶體(12)的柵端與調節電平Vc相連，源端接地；調製開關電路(13)的輸出端連接放大器(15)的輸入端，放大器(15)的輸出端與解調開關電路(14)的輸入端相連，為放大器(15)提供正電源的第一降壓穩壓器(16)的輸入端與電源電壓相連，輸出端與放大器(15)的正電源端相連；為放大器(15)提供負電源的第二降壓穩壓器(17)的輸入端與電源電壓相連，輸出端與放大器(15)的負電源端相連。
2.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述二極體紅外探測器(11)由6個串聯的紅外探測二極體組成，並在紅外探測二極體的下方基底進行鏤空以實現熱隔離。
3.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述用作電流沉的MOS電晶體(12)為單個NMOS管或者兩個NMOS管疊加組成的共源共柵結構。
4.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述調製開關電路(13)為一斬波開關電路，包括4個CMOS開關:第一 CMOS開關(21)、第二 CMOS開關(22)、第三CMOS開關(23)、第四CMOS開關(24);第二 CMOS開關(22)跨接在調製開關電路(13)的正輸入端和正輸出端之間；第四CMOS開關(24)跨接在調製開關電路(13)的負輸入端和負輸出端之間；第一 CMOS開關(21)跨接在調製開關電路(13)的正輸入端和負輸出端之間；第三CMOS開關(23)跨接在調製開關電路(13)的負輸入端和正輸出端之間；第二CMOS開關(22)和第四CMOS開關(24)由時鐘Pl控制，第一 CMOS開關(21)和第三CMOS開關(23)由時鐘P2控制，時鐘Pl和時鐘P2反相。
5.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述解調開關電路(14)為一斬波開關電路，包括4個CMOS開關:第五CMOS開關(25)、第六CMOS開關(26)、第七CMOS開關(27)、第八CMOS開關(28);第六CMOS開關(26)跨接在解調開關電路(14)的正輸入端和正輸出端之間；第八CMOS開關(28)跨接在解調開關電路(14)的負輸入端和負輸出端之間；第五CMOS開關(25)跨接在解調開關電路(14)的正輸入端和負輸出端之間；第七CMOS開關(27)跨接在解調開關電路(14)的負輸入端和正輸出端之間；第六CMOS開關(26)和第八CMOS開關(28)由時鐘Pl控制，第五CMOS開關(25)和第七CMOS開關(27)由時鐘P2控制，時鐘Pl和時鐘P2反相。
6.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述放大器(15)為差分輸入，單端輸出放大器，並根據所需增益在放大器(15)的輸出端和輸入端之間設置反饋電阻。
7.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述為放大器(15)提供正電源的第一 降壓穩壓器(16)為低壓差線性穩壓器。
8.如權利要求1所述的二極體紅外探測器及其讀出電路，其特徵在於:所述為放大器(15)提供負電源 的第二降壓穩壓器(17)為開關型線性穩壓器。
全文摘要
本發明提供一種二極體紅外探測器及其讀出電路，包括由六個串聯的紅外探測二極體組成的二極體紅外探測器，用作電流沉的MOS電晶體，用於調製探測器信號的調製開關電路，用於放大信號的放大器，用於解調信號的解調開關電路，用於給放大器提供正電源的第一降壓穩壓器，用於給放大器提供負電源的第二降壓穩壓器。解調開關電路的輸出端輸出經過降噪消除失調後的紅外信號，並通過兩個穩壓器為放大器提供正負電源，實現讀出電路與紅外探測器的集成。本發明結構簡單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統的集成度和信噪比，適應範圍廣，安全可靠。
文檔編號G01J5/10GK103196567SQ20131013012
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月15日 優先權日2013年4月15日
發明者黃卓磊, 王瑋冰 申請人:江蘇物聯網研究發展中心