專利名稱：二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，屬于微電子及光電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外探測(cè)技術(shù)在軍事、空間技術(shù)、醫(yī)學(xué)以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)相關(guān)領(lǐng)域正得到日益廣泛的應(yīng)用。紅外探測(cè)芯片是紅外探測(cè)技術(shù)中獲取紅外信號(hào)的核心部件。該部件由紅外探測(cè)器和讀出電路(ROIC:readout integrated circuits)組成。ROIC電路的基本功能是進(jìn)行紅外探測(cè)器信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大以及傳輸。讀出電路是紅外探測(cè)器與后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC:analogto digital convertor)的接口電路,它的性能好壞直接影響整個(gè)紅外探測(cè)芯片的性能。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)性能的要求也越來(lái)越高。二極管紅外探測(cè)器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小、靈敏度高，得到了極大的發(fā)展。為了獲得良好的性能，二極管紅外探測(cè)器通常由6 7個(gè)二級(jí)管串聯(lián)組成。串聯(lián)多個(gè)二級(jí)管可以獲得良好的性能，但提高了導(dǎo)通電壓，對(duì)讀出電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。每個(gè)硅二極管的導(dǎo)通壓降為0.7V，6個(gè)串聯(lián)二級(jí)管的導(dǎo)通壓降為4.2V，對(duì)于電源電壓為3.3V或5V的CMOS讀出電路來(lái)說(shuō)，必須采用隔直電路進(jìn)行處理。然而隔直電路既限制了讀出電路的帶寬，又因?yàn)槭褂脽o(wú)源電容和電阻而大大增大了讀出電路的面積。為了減小用于二極管紅外探測(cè)器讀出電路的面積，日本的三菱公司提出了用柵調(diào)制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(diào)制電路由傳感器直流偏置電路1、柵調(diào)制MOS管2、積分電容3及MOS開關(guān)4通過(guò)導(dǎo)線連接組成。該結(jié)構(gòu)的電路形式簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模陣列的集成。但其存在直流偏置過(guò)大，使得積分電容容易飽和，動(dòng)態(tài)范圍受限等問(wèn)題。采用隔直電路的二極管紅外探測(cè)器讀出電路帶寬受到限制，且面積大。三菱公司的柵調(diào)制電路雖然克服了帶寬和面積的問(wèn)題，但存在積分電容易飽和，動(dòng)態(tài)范圍受限的問(wèn)題。無(wú)論是采用隔直電路的傳統(tǒng)讀出電路，還是三菱公司的柵調(diào)制電路，都沒(méi)有消除電路低頻噪聲的功能，這也限制了紅外探測(cè)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其能有效克服二級(jí)管探測(cè)器導(dǎo)通壓降大的問(wèn)題，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統(tǒng)的集成度和信噪比，動(dòng)態(tài)范圍大，安全可靠。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，包括由多個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成的二極管紅外探測(cè)器，用作電流沉的MOS晶體管，用于調(diào)制探測(cè)器信號(hào)的調(diào)制開關(guān)電路，用于放大信號(hào)的放大器，用于解調(diào)信號(hào)的解調(diào)開關(guān)電路，用于給放大器提供正電源的第一降壓穩(wěn)壓器，用于給放大器提供負(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器。所述二極管紅外探測(cè)器由6個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成，以增大對(duì)紅外信號(hào)的靈敏度，并在紅外探測(cè)二極管的下方基底進(jìn)行鏤空以實(shí)現(xiàn)熱隔離。所述用作電流沉的MOS晶體管為單個(gè)NMOS管或者兩個(gè)NMOS管疊加組成的共源共柵結(jié)構(gòu)。所述調(diào)制開關(guān)電路和解調(diào)開關(guān)電路均是斬波開關(guān)電路，各包括4個(gè)CMOS開關(guān)。各CMOS開關(guān)均為采用當(dāng)前最小工藝尺寸制造的CMOS開關(guān)。所述放大器應(yīng)為差分輸入，單端輸出放大器，并根據(jù)所需增益在放大器的輸出端和輸入端之間設(shè)置反饋電阻。所述為放大器提供正電源的第一降壓穩(wěn)壓器為低壓差線性穩(wěn)壓器。所述為放大器提供負(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器為開關(guān)型線性穩(wěn)壓器。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):紅外信號(hào)經(jīng)6個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)斬波調(diào)制高頻信號(hào)后能消除偏移電壓與低頻噪聲，經(jīng)放大器將微弱的探測(cè)器信號(hào)進(jìn)行放大，然后經(jīng)過(guò)解調(diào)開關(guān)將信號(hào)調(diào)制回基頻進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)紅外信號(hào)的讀??；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統(tǒng)的集成度和信噪比，并通過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓器將讀出電路與探測(cè)器進(jìn)行集成，適應(yīng)范圍廣，安全可靠。


圖1為三菱公司基于柵調(diào)制結(jié)構(gòu)的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路原理圖。圖2為本發(fā)明的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路的原理圖。圖3為本發(fā)明的調(diào)制開關(guān)電路的原理圖。圖4為本發(fā)明的解調(diào)開關(guān)電路的原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。一種二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，包括由多個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成的二極管紅外探測(cè)器11，用作電流沉的MOS晶體管12，用于調(diào)制探測(cè)器信號(hào)的調(diào)制開關(guān)電路13，用于放大信號(hào)的放大器15，用于解調(diào)信號(hào)的解調(diào)開關(guān)電路14，用于給放大器15提供正電源的第一降壓穩(wěn)壓器16，用于給放大器15提供負(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器17。具體的電路連接如圖2所示:
所述二極管紅外探測(cè)器11的正端與8.4v的電源電壓相連，負(fù)端與用作電流沉的MOS晶體管12的漏端和調(diào)制開關(guān)電路13的輸入端相連，用作電流沉的MOS晶體管12的柵端與調(diào)節(jié)電平Vc相連，源端接地；調(diào)制開關(guān)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(diào)開關(guān)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(wěn)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(fù)電源的第二降壓穩(wěn)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(fù)電源端相連。所述二極管紅外探測(cè)器11由6個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成。以增大對(duì)紅外信號(hào)的靈敏度，并在紅外探測(cè)二極管的下方基底采用XeF進(jìn)行鏤空釋放，以實(shí)現(xiàn)熱隔離。
所述用作電流沉的MOS晶體管12為單個(gè)NMOS管或者兩個(gè)NMOS管疊加組成的共源共柵結(jié)構(gòu)。所述調(diào)制開關(guān)電路13為一斬波開關(guān)電路，具體包括4個(gè)CMOS開關(guān):第一 CMOS開關(guān)21、第二 CMOS開關(guān)22、第三CMOS開關(guān)23、第四CMOS開關(guān)24 ;均采用當(dāng)前工藝所允許的最小尺寸制造形成，以減小開關(guān)所帶來(lái)的時(shí)鐘饋通和溝道電荷注入效應(yīng)。第二 CMOS開關(guān)22跨接在調(diào)制開關(guān)電路13的正輸入端和正輸出端之間；第四CMOS開關(guān)24跨接在調(diào)制開關(guān)電路13的負(fù)輸入端和負(fù)輸出端之間；第一 CMOS開關(guān)21跨接在調(diào)制開關(guān)電路13的正輸入端和負(fù)輸出端之間；第三CMOS開關(guān)23跨接在調(diào)制開關(guān)電路13的負(fù)輸入端和正輸出端之間；第二 CMOS開關(guān)22和第四CMOS開關(guān)24由時(shí)鐘Pl控制，第一 CMOS開關(guān)21和第三CMOS開關(guān)23由時(shí)鐘P2控制，時(shí)鐘Pl和時(shí)鐘P2反相；當(dāng)Pl處于高電平時(shí)，P2處于低電平，調(diào)制開關(guān)電路13的正輸入端與正輸出端相連,負(fù)輸入端與負(fù)輸出端相連；當(dāng)Pl處于低電平時(shí)，P2處于高電平，調(diào)制開關(guān)電路13的正輸入端與負(fù)輸出端相連，負(fù)輸入端與正輸出端相連。所述解調(diào)開關(guān)電路14的結(jié)構(gòu)和調(diào)制開關(guān)電路13 —樣，為一斬波開關(guān)電路，具體包括4個(gè)CMOS開關(guān):第五CMOS開關(guān)25、第六CMOS開關(guān)26、第七CMOS開關(guān)27、第八CMOS開關(guān)28 ;均采用當(dāng)前工藝所允許的最小尺寸制造形成，以減小開關(guān)所帶來(lái)的時(shí)鐘饋通和溝道電荷注入效應(yīng)。第六CMOS開關(guān)26跨接在解調(diào)開關(guān)電路14的正輸入端和正輸出端之間；第八CMOS開關(guān)28跨接在解調(diào)開關(guān)電路14的負(fù)輸入端和負(fù)輸出端之間；第五CMOS開關(guān)25跨接在解調(diào)開關(guān)電路14的正輸入端和負(fù)輸出端之間；第七CMOS開關(guān)27跨接在解調(diào)開關(guān)電路14的負(fù)輸入端和正輸出端之間；第六CMOS開關(guān)26和第八CMOS開關(guān)28由時(shí)鐘Pl控制，第五CMOS開關(guān)25和第七CMOS開關(guān)27由時(shí)鐘P2控制，時(shí)鐘Pl和時(shí)鐘P2反相；當(dāng)Pl處于高電平時(shí)，P2處于低電平,解調(diào)開關(guān)電路14的正輸入端與正輸出端相連,負(fù)輸入端與負(fù)輸出端相連；當(dāng)Pl處于低電平時(shí)，P2處于高電平，解調(diào)開關(guān)電路14的正輸入端與負(fù)輸出端相連，負(fù)輸入端與正輸出端相連。所述放大器15應(yīng)為差分輸入，單端輸出放大器，并根據(jù)所需增益在放大器15的輸出端和輸入端之間設(shè)置反饋電阻。所述為放大器15提供正電源的第一降壓穩(wěn)壓器16為低壓差線性穩(wěn)壓器。所述為放大器15提供負(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器17為開關(guān)型線性穩(wěn)壓器。
權(quán)利要求
1.一種二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:包括由多個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成的二極管紅外探測(cè)器(11)，用作電流沉的MOS晶體管(12)，用于調(diào)制探測(cè)器信號(hào)的調(diào)制開關(guān)電路(13)，用于放大信號(hào)的放大器(15)，用于解調(diào)信號(hào)的解調(diào)開關(guān)電路(14)，用于給放大器(15)提供正電源的第一降壓穩(wěn)壓器(16)，用于給放大器(15)提供負(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器(17)； 所述二極管紅外探測(cè)器(11)的正端與電源電壓相連，負(fù)端與用作電流沉的MOS晶體管(12)的漏端和調(diào)制開關(guān)電路(13)的輸入端相連；用作電流沉的MOS晶體管(12)的柵端與調(diào)節(jié)電平Vc相連，源端接地；調(diào)制開關(guān)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(diào)開關(guān)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(wěn)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(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器(17)的輸入端與電源電壓相連，輸出端與放大器(15)的負(fù)電源端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述二極管紅外探測(cè)器(11)由6個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成，并在紅外探測(cè)二極管的下方基底進(jìn)行鏤空以實(shí)現(xiàn)熱隔離。
3.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述用作電流沉的MOS晶體管(12)為單個(gè)NMOS管或者兩個(gè)NMOS管疊加組成的共源共柵結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述調(diào)制開關(guān)電路(13)為一斬波開關(guān)電路，包括4個(gè)CMOS開關(guān):第一 CMOS開關(guān)(21)、第二 CMOS開關(guān)(22)、第三CMOS開關(guān)(23)、第四CMOS開關(guān)(24);第二 CMOS開關(guān)(22)跨接在調(diào)制開關(guān)電路(13)的正輸入端和正輸出端之間；第四CMOS開關(guān)(24)跨接在調(diào)制開關(guān)電路(13)的負(fù)輸入端和負(fù)輸出端之間；第一 CMOS開關(guān)(21)跨接在調(diào)制開關(guān)電路(13)的正輸入端和負(fù)輸出端之間；第三CMOS開關(guān)(23)跨接在調(diào)制開關(guān)電路(13)的負(fù)輸入端和正輸出端之間；第二CMOS開關(guān)(22)和第四CMOS開關(guān)(24)由時(shí)鐘Pl控制，第一 CMOS開關(guān)(21)和第三CMOS開關(guān)(23)由時(shí)鐘P2控制，時(shí)鐘Pl和時(shí)鐘P2反相。
5.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述解調(diào)開關(guān)電路(14)為一斬波開關(guān)電路，包括4個(gè)CMOS開關(guān):第五CMOS開關(guān)(25)、第六CMOS開關(guān)(26)、第七CMOS開關(guān)(27)、第八CMOS開關(guān)(28);第六CMOS開關(guān)(26)跨接在解調(diào)開關(guān)電路(14)的正輸入端和正輸出端之間；第八CMOS開關(guān)(28)跨接在解調(diào)開關(guān)電路(14)的負(fù)輸入端和負(fù)輸出端之間；第五CMOS開關(guān)(25)跨接在解調(diào)開關(guān)電路(14)的正輸入端和負(fù)輸出端之間；第七CMOS開關(guān)(27)跨接在解調(diào)開關(guān)電路(14)的負(fù)輸入端和正輸出端之間；第六CMOS開關(guān)(26)和第八CMOS開關(guān)(28)由時(shí)鐘Pl控制，第五CMOS開關(guān)(25)和第七CMOS開關(guān)(27)由時(shí)鐘P2控制，時(shí)鐘Pl和時(shí)鐘P2反相。
6.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述放大器(15)為差分輸入，單端輸出放大器，并根據(jù)所需增益在放大器(15)的輸出端和輸入端之間設(shè)置反饋電阻。
7.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述為放大器(15)提供正電源的第一 降壓穩(wěn)壓器(16)為低壓差線性穩(wěn)壓器。
8.如權(quán)利要求1所述的二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，其特征在于:所述為放大器(15)提供負(fù)電源 的第二降壓穩(wěn)壓器(17)為開關(guān)型線性穩(wěn)壓器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種二極管紅外探測(cè)器及其讀出電路，包括由六個(gè)串聯(lián)的紅外探測(cè)二極管組成的二極管紅外探測(cè)器，用作電流沉的MOS晶體管，用于調(diào)制探測(cè)器信號(hào)的調(diào)制開關(guān)電路，用于放大信號(hào)的放大器，用于解調(diào)信號(hào)的解調(diào)開關(guān)電路，用于給放大器提供正電源的第一降壓穩(wěn)壓器，用于給放大器提供負(fù)電源的第二降壓穩(wěn)壓器。解調(diào)開關(guān)電路的輸出端輸出經(jīng)過(guò)降噪消除失調(diào)后的紅外信號(hào)，并通過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓器為放大器提供正負(fù)電源，實(shí)現(xiàn)讀出電路與紅外探測(cè)器的集成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消除偏移電壓及低頻噪聲，提高系統(tǒng)的集成度和信噪比，適應(yīng)范圍廣，安全可靠。
文檔編號(hào)G01J5/10GK103196567SQ20131013012
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月15日
發(fā)明者黃卓磊, 王瑋冰 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心