[發明專利]一種非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路

在審

• 申請號: 201410474696.1
• 申請日: 2014-09-18
• 公開（公告）號: CN104251740A
• 公開（公告）日: 2014-12-31
• 發明（設計）人: 呂堅;魏林海;吳傳福;闕隆成;周云
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01J5/24
• 分類號: G01J5/24
• 代理公司: 成都行之專利代理事務所(普通合伙) 51220
• 代理人: 譚新民

技術領域

本發明涉及非制冷紅外焦平面陣列技術領域，尤其是涉及一種非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路。

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背景技術

根據普朗克輻射定理，任何溫度高于絕對零度的物體，其內部都會發生分子熱運動，從而產生波長不等的紅外輻射。紅外輻射具有強度和波長直接與物體表面溫度有關的重要特征，提供了客觀世界的豐富信息，但它是一種不可見的電磁波，如何將這種紅外輻射轉換為可測量的信號來探測客觀世界成為人類不斷奮斗的目標。

紅外焦平面陣列探測器通過光電轉換、電信號處理等手段將目標物體的溫度分布轉換成視頻圖像，其具有抗干擾能力強、隱蔽性能好、跟蹤和制導精度高等優點，在軍事和民用領域獲得了廣泛的應用。

非制冷紅外焦平面陣列探測器可在常溫下工作，無需制冷設備，并具有質量輕、體積小、壽命長、成本低、功耗小、啟動快及穩定性好等優點，滿足了民用紅外系統和部分軍事紅外系統對長波紅外探測器的迫切需要，因而使這項技術得到了快速的發展和廣泛的應用。

讀出電路(ROIC)是非致冷紅外焦平面陣列（IRFPA）的關鍵部件之一，它的主要功能是對紅外探測器感應的微弱信號進行預處理（如積分、放大、濾波、采樣/保持等）和陣列信號的并/串行轉換。視探測器所用材料和工作方式的不同，讀出電路結構隨之變化，以在滿足幀頻的要求下獲得最大的信噪比（SNR）。

在大多數的紅外技術應用中，目標的紅外輻射非常微弱，探測器的光生電流或光生電壓都非常小，加之各種噪聲的干擾，目標信號幾乎完全掩埋在各種噪聲之中，故必須對輸入信號進行某些必要的處理從而提取出目標信號，這就是讀出電路要完成的主要工作。

微測輻射熱計焦平面陣列(FPA)具有較高的靈敏度，是應用最廣泛的一種非制冷紅外焦平面陣列探測器。其工作原理是熱敏材料吸收入射的紅外輻射后溫度改變，從而引起自身電阻值的變化，通過測量其電阻值的變化探測紅外輻射信號的大小。微測輻射熱計普遍采用微機械加工技術制作的懸臂梁微橋結構，橋面沉積有一層具有高電阻溫度系數(TCR)的熱敏材料，橋面由兩條具有良好力學性能并鍍有導電材料的橋腿支撐，橋腿與襯底的接觸點為橋墩，橋墩電學上連接到微測輻射熱計FPA下的硅讀出電路(ROIC)上。通過橋腿和橋墩，熱敏材料連接到讀出電路的電學通道中，形成一個對溫度敏感并連接到讀出電路上的像素單元。

經過多年的發展和技術的進步，非制冷紅外焦平面陣列探測器已在噪聲上滿足使用需要，然而人們在非制冷紅外探測器性能、圖像質量、穩定性、功耗、體積和成本上都有了更高的要求。其實非制冷紅外焦平面陣列探測器并非真的完全不需要制冷，而是使用熱電制冷器（Thermo-Electric?Cooler,?TEC）來穩定其工作溫度，而TEC本身具有一定的體積和功耗，從而使非制冷紅外焦平面陣列探測器的應用受到一定程度的影響，所以人們嘗試去除TEC。然而去除TEC后，由于像元接受紅外輻射后溫度會升高，襯底溫度的變化會導致焦平面陣列極大的非均勻性，影響讀出結果。

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發明內容

本發明的目的之一是提供無需TEC即可實現對襯底溫度的補償的非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路。

本發明公開的技術方案包括：

提供了一種非制冷紅外焦平面陣列的讀出電路，其特征在于，包括：電流偏置電路，所述電流偏置電路包括參考偏置電流源結構I_BIAS，所述參考偏置電流源結構I_BIAS通過電流鏡對連接到通道級熱短路微測輻射熱計R_b的第一端和像素級熱隔離微測輻射熱計R_s的第一端，在所述像素級熱隔離微測輻射熱計R_s的第一端獲得第一電壓V_A，在所述通道級熱短路微測輻射熱計R_b的第一端獲得第二電壓V_B；襯底溫度補償電路，所述襯底溫度補償電路包括跨導放大器OTA，所述跨導放大器OTA的正相輸入端連接到所述第一電壓V_A，所述跨導放大器OTA的負相輸入端連接到所述第二電壓V_B；積分電路，所述積分電路的輸入端連接到所述跨導放大器OTA的輸出端，用于對所述跨導放大器OTA的輸出電流進行積分獲得輸出電壓V_out。