專利名稱：雙色線列紅外焦平面探測(cè)器的讀出電路結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙色紅外線列焦平面探測(cè)器，特別是一種雙色線列紅外焦平面探測(cè)器的讀出電路結(jié)構(gòu)。
線列紅外探測(cè)器，就是在一維方向，紅外光敏元順次排列，利用垂直于光敏元排列方向的一維掃描，形成二維圖像的一種成象器具。雙色線列紅外探測(cè)器，就是在一維紅外光敏元排列方向上，每一個(gè)象元位置上有二個(gè)獨(dú)立的響應(yīng)單元，分別對(duì)應(yīng)于二個(gè)不同波段。所以一次掃描，可以同時(shí)獲得二個(gè)波段的紅外圖像。一般，掃描型雙色紅外探測(cè)器制造有二種方法。較早的傳統(tǒng)做法是，利用二個(gè)彼此獨(dú)立的、響應(yīng)于不同波段的線列焦平面器件并列拼接而成。這樣做最大的問題是一、不同響應(yīng)波段的相應(yīng)光敏元要做到彼此在同一平面內(nèi)平行與垂直比較困難，由此造成對(duì)同一像點(diǎn)、不同波段的位置錯(cuò)位；二、特別是對(duì)要求一維方向多模塊無縫拼接的長(zhǎng)線列焦平面制造，傳統(tǒng)方法則很難實(shí)現(xiàn)。另一種目前正在發(fā)展中的雙色紅外焦平面探測(cè)器制造技術(shù)，就是利用分子束外延技術(shù)(MBE)生長(zhǎng)多層結(jié)構(gòu)的材料制造具有雙色探測(cè)的紅外光敏元列陣(所謂縱向結(jié)構(gòu)雙色敏感元)、配上雙色功能的讀出電路，來實(shí)現(xiàn)雙色探測(cè)。該技術(shù)的問題是一、技術(shù)復(fù)雜，目前尚不成熟；二、讀出電路結(jié)構(gòu)特殊；三、縱向結(jié)構(gòu)雙色敏感元，對(duì)于焦平面的一個(gè)重要參數(shù)——填充因子較低，對(duì)高靈敏探測(cè)極為不利。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種雙色紅外焦線列平面探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)，包含波段一輸入級(jí)，波段二輸入級(jí)，同時(shí)包含有輸入級(jí)一起工作的移位寄存器和外引線鍵壓點(diǎn)，其特點(diǎn)是a)波段一輸入級(jí)由開關(guān)管M1-1、M1-2……M1-n、波段一光敏元D1-1、D1-2……D1-n、輸入柵控管G1-1、G1-2……G1-n組成；b)波段二輸入級(jí)由開關(guān)管M2-1、M2-2……M2-n、光敏元D2-1、D2-2……D2-n、輸入柵控管G2-1、G2-2……G2-n組成；c)開關(guān)管M1-1、M1-2……M1-n；M2-1、M2-2……M2-n共同通過總線與起始脈沖連接，共用一個(gè)脈沖φstart；d)波段一輸入級(jí)的柵控管G1-1、G1-2……G1-n經(jīng)柵控總線連接波段一柵控電壓Vg1；波段二輸入級(jí)柵控管G2-1、G2-2……G2-n經(jīng)柵控總線連接波段二柵控電壓Vg2；e)對(duì)應(yīng)于波段一光敏元列陣D1-1、D1-2……D1-n的積分電容C1-1、C1-2……C1-n與對(duì)應(yīng)于波段二光敏元列陣D2-1、D2-2……D2-n的積分電容C2-1、C2-2……C2-n可以設(shè)計(jì)成不同容量；f)移位寄存器讀出脈沖φout順序輸出，同時(shí)依次打開開關(guān)K1-1、K1-2……K1-n與K2-1、K2-2……K2-n，源極跟隨器O1-1、O1-2……O1-n與O2-1、O2-2……O2-n上分別獲得波段一、波段二的信號(hào)輸出序列Vo1{1～n}、Vo2{1～n}。
所述波段一、波段二對(duì)應(yīng)的光敏元一一對(duì)應(yīng)，精確對(duì)位，波段一、波段二紅外光敏元列陣與讀出電路各輸入端通過銦柱互聯(lián)而實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接。
所述波段一輸入級(jí)和波段二輸入級(jí)在空間上，靠一邊并排安排，二者之間距可根據(jù)要求確定。
所述的雙色線列紅外焦平面探測(cè)讀出電路制成模塊形式，可以實(shí)現(xiàn)多模塊無縫交叉拼接制造出雙色長(zhǎng)線列焦平面探測(cè)器。
本發(fā)明有如下優(yōu)點(diǎn)1.與傳統(tǒng)的方法相比，結(jié)構(gòu)緊湊，二個(gè)波段對(duì)應(yīng)的光敏元一一對(duì)應(yīng)，精確一致；2.二個(gè)波段的光敏元列陣工作點(diǎn)可以獨(dú)立設(shè)置，使用方便、靈活，有利于不同波段都處于最佳工作點(diǎn)；3.二個(gè)波段對(duì)應(yīng)的積分電容可以根據(jù)具體應(yīng)用要求分別設(shè)計(jì)，以利于不同波段分別達(dá)到最佳的性能；4.二個(gè)波段的響應(yīng)信號(hào)分別輸出，方便后續(xù)信號(hào)處理、A/D轉(zhuǎn)換等數(shù)字化過程；5.以此結(jié)構(gòu)電路制備的雙色焦平面器件，可以實(shí)現(xiàn)無逢拼接，形成長(zhǎng)線列焦平面探測(cè)器；6.本結(jié)構(gòu)根據(jù)具體需要，可以設(shè)計(jì)各種不同的輸入結(jié)構(gòu)，以適合不同響應(yīng)波段對(duì)輸入結(jié)構(gòu)的匹配；7.本發(fā)明對(duì)光敏元制備技術(shù)沒有特殊要求，因此可以利用現(xiàn)有成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)窄帶應(yīng)用的雙色焦平面器件；8.本結(jié)構(gòu)的雙色焦平面，不會(huì)因光敏元總數(shù)的增加而提高移位寄存器的工作頻率，降低了讀出電路設(shè)計(jì)制造難度；9.與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，采用本發(fā)明電路結(jié)構(gòu)，大大減少了外引線，器件的引線熱耗大為降低，有利于致冷器致冷；10.外引線減少，大大提高了器件的可靠性。
圖2是本發(fā)明輸入級(jí)雙色紅外線列焦平面探測(cè)器讀出電路電原理圖。
圖3是本發(fā)明輸入級(jí)雙色紅外線列焦平面探測(cè)器讀出電路時(shí)序圖。圖中1-波段一信號(hào)輸入級(jí)結(jié)構(gòu)2-波段二信號(hào)輸入級(jí)結(jié)構(gòu)3-信號(hào)傳輸、開關(guān)時(shí)序控制及信號(hào)讀出功能模塊4-引線壓腳0-輸入總線11-波段一輸入級(jí)柵控總線21-波段二輸入級(jí)柵控總線
具體實(shí)施例方式
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圖1，圖1是本發(fā)明雙色紅外線列焦平面探測(cè)器讀出電路空間結(jié)構(gòu)布置示意圖。本發(fā)明結(jié)構(gòu)是采用紅外薄膜材料光敏元列陣與讀出電路混成互聯(lián)結(jié)構(gòu)。讀出電路設(shè)計(jì)制造是采用成熟的Si CMOS工藝制造的。整個(gè)電路由四部分組成波段一光敏元信號(hào)輸入級(jí)1；波段二光敏元信號(hào)輸入級(jí)2；電路的信號(hào)傳輸、開關(guān)時(shí)序控制和信號(hào)讀出功能模塊3；偏置電壓輸入、脈沖輸入與信號(hào)輸出的引線壓腳4。在空間排列上，波段一輸入端1盡量靠近邊緣，以利于更長(zhǎng)線列器件的拼接；波段二輸入端2在倒焊工藝許可的情況下也應(yīng)盡量緊靠安排。
圖2是雙色紅外線列焦平面探測(cè)器讀出電路的電原理圖。圖3是該電路的時(shí)序關(guān)系圖。圖2中，D1-1、D1-2……D1-n分別表示波段一各光敏元(D1-n圖2中未畫出)，C1-1、C1-2……C1-n分別表示對(duì)應(yīng)波段一的積分電容(C1-n圖二中未畫出)。同樣，D2-1、D2-2……D2-n、C2-1、C2-2……C2-n則分別表示波段二各光敏元和與其對(duì)應(yīng)的積分電容。φstart為電路起始脈沖Vreset為積分電容復(fù)位電壓，φreset為積分電容復(fù)位脈沖，φout為移位寄存器讀出脈沖，Vg1、Vg2分別為波段一、二輸入端柵控電壓，分別調(diào)節(jié)Vg1、Vg2，使G1-1、G1-2……G1-n和G2-1、G2-2……G2-n工作在亞閾值狀態(tài)，同時(shí)給各光敏元提供一低阻抗接口，使各光敏元偏置電平恒定。其中，各光敏元(由P-N構(gòu)成)的N端與各開關(guān)M1-1，……M1-n，M2-1，……M2-n通過倒焊互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接各工作脈沖偏置電壓與信號(hào)輸出通過電路上的鍵壓點(diǎn)與外圍電路連接。Vo1為波段一信號(hào)輸出電壓，Vo2為波段二信號(hào)輸出電壓，Vdd為工作偏置電壓。電路工作過程如下積分電容復(fù)位脈沖，即φreset脈沖為高電平時(shí)，同時(shí)打開復(fù)位開關(guān)S1-1、S1-2……S1-n、，S2-1、S2-2……S2-n，積分電容復(fù)位電壓Vreset(一般為3-5V)使積分電容Ci_j(i＝1，2；j＝1～n)復(fù)位；復(fù)位后，φstart起始脈沖為高電平時(shí)，同時(shí)打開開關(guān)管M1-1、M1-2……M1-n、，M2-1、M2-2……M2-n，光敏元D1-1……D1-n，D2-1……D2-n產(chǎn)生的光生電流由開始在漏極電容Ci_j上積分；當(dāng)φstart起始脈沖為低電平時(shí)，開關(guān)管M1-1、M1-2……M1-n、，M2-1、M2-2……M2-n關(guān)閉，積分結(jié)束；移位寄存器讀出脈沖φout順序輸出，依次打開開關(guān)管K1-1、K1-2……K1-n、K2-1、K2-2……K2-n，源極跟隨器O1-1、O1-2……O1-n、O2-1、O2-2……O2-n上分別獲得波段一、二的信號(hào)輸出序列Vo1{1～n}、Vo2{1～n}；讀出結(jié)束，φreset脈沖再次輸出，第二周期開始。
圖3是本發(fā)明電路工作的時(shí)序圖，復(fù)位脈沖φreset的下降沿與起始脈沖φstart的上升沿至少同時(shí)，一般以稍微交迭為好。讀出脈沖φout的第一個(gè)脈沖輸出與φstart的下降沿同時(shí)，一般稍微滯后為好。對(duì)應(yīng)φout各個(gè)脈沖輸出，獲得對(duì)應(yīng)的各光敏元信號(hào)序列輸出Vo1{1～n}、Vo2{1～n}。
權(quán)利要求
1.一種雙色紅線列外焦平面探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)，包含波段一輸入級(jí)(1)，波段二輸入級(jí)(2)，同時(shí)包含有輸入級(jí)(1、2)一起工作的移位寄存器(3)，外引線鍵壓點(diǎn)(4)，其特征在于a)波段一輸入級(jí)1由開關(guān)管M1-1、M1-2……M1-n、波段一光敏元D1-1、D1-2……D1-n、輸入柵控管G1-1、G1-2……G1-n組成；b)波段二輸入級(jí)2由開關(guān)管M2-1、M2-2……M2-n、光敏元2-1、D2-2……D2-n、輸入柵控管G2-1、G2-2……G2-n組成；c)開關(guān)管M1-1、M1-2……M1-n；M2-1、M2-2……M2-n共同通過總線(0)與起始脈沖連接，共用一個(gè)脈沖φstart；d)輸入級(jí)1柵控管G1-1、G1-2……G1-n通過柵控總線11連接波段一柵控電壓Vg1；輸入級(jí)2柵控管G2-1、G2-2……G2-n通過柵控總線21連接波段二柵控電壓Vg2；e)對(duì)應(yīng)于波段一光敏元列陣D1-1、D1-2……D1-n的積分電容C1-1、C1-2……C1-n與對(duì)應(yīng)于波段二光敏元列陣D2-1、D2-2……D2-n的積分電容C2-1、C2-2……C2-n可以設(shè)計(jì)成不同容量；f)移位寄存器讀出脈沖φout順序輸出，同時(shí)依次打開開關(guān)K11、K1-2……K1-n與K2-1、K2-2……K2-n，源極跟隨器O1-1、O1-2……O1-n與O2-1、O2-2……O2-n上分別獲得波段一、波段二的信號(hào)輸出序列Vo1{1～n}、Mo2{1～n}。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙色線列紅外焦平面探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于波段一、波段二對(duì)應(yīng)的光敏元一一對(duì)應(yīng)，精確對(duì)位，波段一、波段二的光敏元列陣與讀出電路各輸入端通過銦柱互聯(lián)而實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙色線列紅外焦平面探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于波段一輸入級(jí)(1)和波段二輸入級(jí)(2)在空間上，靠一邊并排安排。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的雙色線列紅外焦平面探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)，其特征在于該讀出電路制成模塊形式。
全文摘要
一種雙色線列紅外焦平面探測(cè)器讀出電路結(jié)構(gòu)，包含波段一輸入級(jí)，波段二輸入級(jí)，與該兩輸入級(jí)一起工作的移位寄存器和外引線鍵壓點(diǎn)，其特點(diǎn)是它由兩系列開關(guān)管、光敏元、柵控管、積分電容、復(fù)位開關(guān)和源極限隨器相連構(gòu)成，光敏元列陣與讀出電路各輸入端是通過銦柱互聯(lián)而實(shí)現(xiàn)電連接的。本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)緊湊，二個(gè)波段的光敏元列陣工作點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的積分電容可分別獨(dú)立設(shè)置，二個(gè)波段的響應(yīng)信號(hào)分別輸出，以此結(jié)構(gòu)制成的讀出電路具有模塊形式，可以實(shí)現(xiàn)多模塊無縫拼接，形成雙色長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器。
文檔編號(hào)G01J1/46GK1412533SQ02145430
公開日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月20日
發(fā)明者張勤耀 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所