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CAPTEUR INFRAROUGE A CAPTURE INSTANTANEE
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un capteur de rayonnements infrarouges dans le domaine de
l'imagerie
infra-rouge dite non-refroidie . Ce capteur intègre un ensemble de
détecteurs
bolométriques formant les pixels d'une image infrarouge. L'invention concerne
plus
précisément un capteur infrarouge permettant une capture instantanée des
pixels au moyen
d'un circuit de lecture intégré dans chaque pixel.
L'invention trouve une application particulièrement avantageuse pour augmenter
la
résolution en fréquence d'un capteur infrarouge ou pour supprimer les effets
de tramé.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Dans le domaine des détecteurs infrarouges dits non-refroidis , il est
connu d'utiliser des
matrices monodimensionnelles ou bidimensionnelles d'éléments sensibles au
rayonnement
infrarouge, susceptibles de fonctionner à température ambiante, c'est-à-dire
ne nécessitant
pas de refroidissement à de très basses températures, contrairement aux
dispositifs de
détection appelés détecteurs quantiques , qui eux, nécessitent un
fonctionnement à très
basse température, typiquement celle de l'azote liquide.
Un détecteur infrarouge non-refroidi utilise traditionnellement la variation
d'une grandeur
physique d'un matériau approprié dit thermométrique ou bolométrique ,
en fonction
de sa température. Le plus couramment, cette grandeur physique est la
résistivité électrique
dudit matériau qui varie fortement avec la température. Les éléments sensibles
unitaires du
détecteur, ou micro-bolomètres , prennent usuellement la forme de
membranes,
comprenant chacune une couche en matériau thermométrique, et suspendue au-
dessus d'un
substrat, généralement réalisé en silicium, via des bras de soutien de
résistance thermique
élevée, la matrice de membranes suspendues étant usuellement désignée sous le
terme de
rétine .
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Ces membranes mettent notamment en uvre une fonction d'absorption du
rayonnement
infrarouge incident, une fonction de conversion de la puissance du rayonnement
absorbé en
puissance calorifique, et une fonction thermométrique de conversion de la
puissance
calorifique produite en une variation de la résistivité du matériau
thermométrique, ces
fonctions pouvant être mises en oeuvre par un ou plusieurs éléments distincts.
Par ailleurs,
les bras de soutien des membranes sont également conducteurs de l'électricité
et connectés
à la couche thermométrique de celles-ci.
Il est usuellement ménagé dans le substrat au-dessus duquel sont suspendues
les membranes,
/0 des moyens d'adressage et de polarisation séquentiels des éléments
thermométriques des
membranes, et des moyens de formation des signaux électriques utilisables en
format vidéo.
Ce substrat et les moyens intégrés sont communément désignés par l'expression
circuit de
lecture .
Pour compenser la dérive en température du détecteur, une solution
généralement mise en
oeuvre consiste à disposer dans le circuit électronique de formation du signal
en relation avec
la température des micro-bolomètres d'imagerie, ainsi dénommés car sensibles
au
rayonnement électromagnétique incident, un élément de compensation de
température du
plan focal (TPT) lui-même bolométrique, c'est-à-dire dont le comportement
électrique suit
la température du substrat, mais reste essentiellement insensible au
rayonnement.
Ce résultat est obtenu par exemple au moyen de structures bolométriques dotées
par
construction d'une faible résistance thermique vers le substrat, et/ou en
masquant ces
structures derrière un écran opaque au rayonnement thermique. La mise en uvre
de ces
éléments de compensation offre par ailleurs l'avantage d'éliminer l'essentiel
du courant dit
de mode commun issu des micro-bolomètres d'imagerie ou actifs .
La figure 1 est un schéma électrique d'un détecteur bolométrique 10 sans
régulation de
température, ou détecteur TECIess , de l'état de la technique, comprenant
une structure de
compensation du mode commun. La figure 2 est un schéma électrique d'un circuit
mis en
oeuvre pour former un signal de lecture d'un micro-bolomètre du détecteur
compensé du mode
commun. Un tel détecteur est par exemple décrit dans le document :
Uncooledamoiphous
silicon technology enhancementfor 25,um pixel pitch achievement ; E. Mottin
et al, Infrared
Technology and Application XXVIII, SPIE, vol. 4820E.
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Le détecteur 10 comprend une matrice bidimensionnelle 12 d'éléments unitaires
de détection
bolométriques 14 identiques, ou pixels , comprenant chacun un micro-
bolomètre résistif
sensible 16 se présentant sous la forme d'une membrane suspendue au-dessus
d'un substrat,
tel que décrit précédemment, et de résistance électrique R.
Chaque micro-bolomètre 16 est connecté par l'une de ses bornes à une tension
constante
VDET, notamment la masse du détecteur 10, et par l'autre de ses bornes à un
transistor MOS
de polarisation 18 fonctionnant en régime saturé, par exemple un transistor
NMOS, réglant la
tension Vac aux bornes du micro-bolomètre 16 au moyen d'une tension de
commande de grille
GAG.
Si A désigne le noeud correspondant à la source du MOS 13 et si VA est la
tension à ce noeud,
qui dépend de la tension de grille GAG, la tension Va, est alors égale à
Vac=VA¨VDET.
Le pixel 14 comprend également un interrupteur de sélection 20, connecté entre
le transistor
MOS 18 et un noeud S prévu pour chaque colonne de la matrice 12, et piloté par
un signal de
commande Select, permettant la sélection du micro-bolomètre 16 pour sa
lecture. Le
transistor 18 et l'interrupteur 20 sont usuellement formés dans le substrat
sous l'emprise de la
membrane du micro-bolomètre 16. Les éléments 16 et 18 forment une branche dite
de
détection.
Notamment, les pixels étant identiques et la tension VDET d'une part et la
tension GAG d'autre
part étant identiques pour tous les pixels, les micro-bolomètres 16 sont donc
polarisés en
tension sous la même tension V. En outre, la tension de grille GAG étant
constante, la tension
Va, est donc également constante.
Le détecteur 10 comporte également, en pied de chaque colonne de la matrice
12, une structure
de compensation 22, également usuellement désignée sous le terme de structure
d' ébasage
ou selon l'expression anglo-saxonne skimming . Comme décrit précédemment,
la valeur de
la résistance électrique des micro-bolomètres de détection 16 est dictée en
grande partie par
la température du substrat. Le courant parcourant un micro-bolomètre de
détection 16
comporte ainsi une importante composante qui dépend de la température du
substrat et est
indépendante de la scène observée. La structure de compensation 22 a pour
fonction de
produire un courant électrique à des fins de compensation partielle ou totale
de cette
composante.
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La structure de compensation 22 comporte un micro-bolomètre de compensation
24, de
résistance électrique Repu, rendu insensible au rayonnement incident issu de
la scène à observer.
Le micro-bolomètre 24 est réalisé au moyen du même matériau thermométrique que
le micro-
bolomètre 16, mais présente une très faible résistance thermique vers le
substrat. Par exemple :
=
les éléments résistifs du micro-bolomètre de
compensation 24 sont réalisés
directement au contact du substrat, ou
= le micro-bolomètre de compensation 24 comporte une membrane similaire à
celle des
micro-bolomètres de détection 16 suspendue au-dessus du substrat au moyen de
structures présentant une résistance thermique très faible, ou encore
=
le micro-bolomètre de compensation 24 comprend
une membrane et des bras de
soutien sensiblement identiques à ceux des micro-bolomètres de détection 16 et
un
matériau bon conducteur thermique remplit l'espace entre la membrane du micro-
bolomètre 24 et le substrat.
La résistance électrique du micro-bolomètre 24 est ainsi essentiellement
dictée par la
température du substrat, le micro-bolomètre 24 est alors dit thermalisé au
substrat.
Typiquement, ce micro-bolomètre 24 thermalisé est mutualisé pour plusieurs
micro-
bolomètres 24 et il est placé en tête ou en pied de chaque colonne de la
matrice 12.
Le micro-bolomètre 24 est connecté par l'une de ses bornes à une tension
constante positive
VSK, et la structure de compensation 22 comporte en outre un transistor MOS de
polarisation
26 fonctionnant en régime saturé, de polarité opposée à celle des transistors
18 des pixels de
détection 14, par exemple un transistor PMOS, réglant la tension V,m aux
bornes du micro-
bolomètre 24 au moyen d'une tension de commande de grille GCM, et connecté
entre l'autre
borne du micro-bolomètre de compensation 24 et le noeud S.
Si on désigne par B le n ud correspondant au drain du MOS 26 et par VB la
tension à ce
noeud, la tension V,,1 est alors égale à Von= VSK-VB Les éléments 24 et 26
forment une branche
dite de compensation commune à chaque colonne. La valeur du courant de mode
commun de
compensation est définie par la valeur de la résistance Ropu du micro-
bolomètre 24 et des
paramètres de polarisation de ce dernier.
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Le détecteur 10 comporte également en pied de chaque colonne de la matrice 12,
un
intégrateur 28 de type CTIA, pour l'expression anglo-saxonne Capacitive
Trans Impedance
Amplifier , comportant par exemple un amplificateur opérationnel 30 et un
unique
condensateur 32, de capacité Cm/ fixe, connecté entre l'entrée inverseuse et
la sortie de
l'amplificateur 30. L'entrée inverseuse et l'entrée non-inverseuse de ce
dernier sont par
ailleurs connectées respectivement au noeud S et à une tension constante
positive VBUS. La
tension VBUS constitue ainsi une référence pour les signaux de sortie, et est
comprise entre
VDET et VSK.
Un interrupteur 34, piloté par un signal Reset est également ménagé en
parallèle du
condensateur 32, pour la décharge de celui-ci. Les sorties des CTIA 28 sont,
par exemple,
connectées à des échantillonneurs-bloqueurs 36 respectifs, également connus
sous
l'expression anglo-saxonne Sample and Hold , pour la délivrance des
tensions Vend des
CTIA en mode multiplexé au moyen d'un multiplexeur 38 vers un ou des
amplificateur(s)
série de sortie 40. Il peut être également intégré en sortie des moyens de
numérisation par
convertisseurs analogique ¨ numérique, également connus sous l'acronyme anglo-
saxon
ADC .
Le détecteur 10 comprend enfin une unité de séquencement 42 commandant les
différents
interrupteurs décrits précédemment. En fonctionnement, la matrice 12 est lue
ligne par ligne.
Pour lire une ligne de la matrice 12, les interrupteurs 20 de la ligne de
pixels 14 sont fermés
et les interrupteurs 20 des autres lignes sont ouverts. La lecture successive
de l'ensemble des
lignes de la matrice 12 constitue une trame.
Pour la lecture d'un micro-bolomètre 16 d'une ligne de la matrice 12
sélectionnée pour la
lecture, après une phase de décharge des condensateurs des CTIA en pied de
colonne, réalisée
par la fermeture des interrupteurs 34 au moyen du signal Reset suivi de leur
ouverture, il est
ainsi obtenu un circuit tel que représenté sur la figure 2 pour chaque pixel
de la ligne en cours
de lecture.
Un courant /õ, circule dans le micro-bolomètre de détection 16 du pixel sous
l'effet de sa
polarisation en tension par le transistor MOS 18, et un courant /cõõ circule
dans le micro-
bolomètre de compensation 24 de la structure de compensation sous l'effet de
sa polarisation
en tension par le transistor MOS 26. Ces courants sont soustraits l'un de
l'autre au niveau du
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noeud S, et la différence de courants résultante est intégrée par le CTIA 28
pendant une durée
d'intégration prédéterminée Tint. La tension de sortie Gia du CTIA 28
représente ainsi une
mesure de la variation de la résistance du micro-bolomètre de détection 16
provoquée par le
rayonnement incident à détecter, puisque la partie non utile du courant lac
liée à la température
du substrat est compensée, au moins en partie, par le courant Lin
spécifiquement produit pour
reproduire cette partie non utile.
En supposant que les résistances électriques des micro-bolomètres actifs 16 et
de
compensation 24 ne sont pas modifiées de manière significative lors de leur
polarisation par
un phénomène d'auto-échauffement, et que le CTIA 28 ne sature pas, la tension
de sortie
Vow de l'intégrateur à la fin du temps d'intégration na s'exprime par la
relation :
[Math. 1]
1 j'AT int
(Lac
icn3-Ttn.t
'Tout = Vbus (iac ¨ icru)dt
= VB US
tut ce
C tut
Comme cela est connu en soi, un CTIA a une dynamique électrique de sortie, ou
dynamique
de lecture , fixe. En dessous d'une première quantité de charges électriques
reçue en
entrée, le CTIA délivre une tension basse fixe, dite tension de saturation
basse Vsatt. De
même, au-dessus d'une seconde quantité de charges électriques reçue en entrée,
le CTIA
délivre une tension haute fixe dite tension de saturation haute Vsatif.
La relation Math.1 exprime le comportement linéaire du CTIA, lorsque celui-ci
reçoit une
quantité de charges électriques supérieure à la première quantité de charges
électrique, et
inférieure à la seconde quantité de charges électriques. La dynamique de
lecture est
essentiellement fixée par la valeur de la capacité Ge du condensateur 32.
Notamment,
lorsque cette capacité est fixe, c'est-à-dire constante dans le temps, la
dynamique de lecture
du CTIA est également fixe.
Par convention, dans le cadre de l'invention, les tensions de saturation basse
Gall, et haute
Vsalll sont les limites entre lesquelles le CTIA fournit une sortie considérée
comme linéaire,
même s'il est en général capable de fournir des tensions plus basses ou plus
élevées que ces
bornes.
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Par ailleurs, la capacité du condensateur d'intégration détermine aussi la
sensibilité, ou plus
exactement la responsivité, également connue sous l'expression anglo-saxonne
responsivity , du détecteur. La responsivité d'un détecteur est définie par
la variation du
signal de sortie Vow en relation avec la variation du signal d'entrée (la
température de scène
Tscène), soit dVout/c/Tscène.
Cette responsivité dépend de la technologie de fabrication du micro-bolomètre,
des
caractéristiques du circuit de lecture, du temps d'intégration et de la
surface du micro-
bolomètre. A partir du rapport entre le bruit, présent sur le signal de sortie
du détecteur, et
cette responsivité, il est possible de définir la performance du détecteur,
également connus
sous l'acronyme NETD pour Noise Equivalent Temperature Difference dans
la
littérature anglo-saxonne, exprimée en mK. Plus précisément, il est recherché
de minimiser
le NETD, en limitant le bruit présent sur le signal de sortie du détecteur et
en maximisant la
responsivité. Pour maximiser la responsivité, il est classique d'utiliser un
maximum de
surface de chaque pixel pour former le micro-bolomètre en disposant, sous le
micro-
bolomètre, les composants formant le circuit d'adressage au circuit de
lecture.
Ainsi, il est actuellement possible d'obtenir un NETD inférieur à 50 mK avec
un temps
d'intégration pour une ligne ou une colonne de 64ps.
Le temps d'intégration étant directement lié à la responsivité et au NETD, il
n'est pas
possible de réduire ce temps d'intégration sans dégrader le NEDT, même si les
nouvelles
technologies de fabrication permettent d'obtenir des micro-bolomètres avec des
constantes
de temps réduites. Il s'ensuit que les micro-bolomètres actuels ne permettent
pas de capter
rapidement une image infrarouge car le circuit de lecture doit parcourir les
lignes ou les
colonnes pour former une image avec un temps d'intégration qu'il n'est pas
possible de
réduire.
Dans les domaines du visible ou de l'infrarouge refroidi, il existe des
capteurs dans lesquels
chaque pixel intègre un circuit de mesure de sorte à obtenir une capture
simultanée de l'état
de tous les pixels d'un capteur.
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Cependant, dans le domaine de l'infrarouge non refroidi, le montage
intégrateur à CTIA de
pied de colonne associé au pont bolométrique nécessite une circuiterie
électronique qui ne
peut être intégrée dans la surface d'un pixel. En effet, le montage
intégrateur du circuit de
lecture nécessite l'utilisation d'un micro-bolomètre thermalisé afin de
réaliser un ébasage du
courant d'intégration et de compenser les variations de température du
substrat.
Or, en disposant un micro-bolomètre thermalisé au substrat à côté d'un micro-
bolomètre
d'imagerie dans chaque pixel, la surface du micro-bolomètre d'imagerie serait
nécessairement réduite car le micro-bolomètre d'imagerie et le micro-bolomètre
thermalisé
doivent être réalisés en suspension au-dessus du substrat. Ainsi, en réduisant
la surface du
micro-bolomètre d'imagerie, le NEDT serait également réduit.
Le problème technique de l'invention consiste à améliorer la vitesse
d'acquisition d'une
image infrarouge tout en conservant les performances actuelles des capteurs
infrarouges,
c'est-à-dire un NETD inférieur ou égal à 50 mIC.
EXPOSE DE L'INVENTION
Afin de résoudre ce problème technique, l'invention propose d'intégrer un
circuit de lecture
dans chaque pixel avec un montage intégrateur comportant peu de composants.
Pour intégrer
ce circuit de lecture, l'invention propose également un montage permettant de
déporter le
micro-bolomètre thermalisé en dehors de chaque pixel. Ainsi, un micro-
bolomètre
thermalisé ou un ensemble de micro-bolomètres thennalisés peuvent être
utilisés pour
réaliser l'ébasage en courant de plusieurs, voire de tous les pixels, du
capteur infrarouge.
A cet effet, l'invention concerne un capteur infrarouge comportant un ensemble
de pixels
juxtaposés en lignes et en colonnes, chaque pixel intégrant un micro-bolomètre
d'imagerie
connecté entre une tension de référence et un noeud d'intégration par
l'intermédiaire d'un
transistor d'injection dont une tension de grille permet de fixer une tension
aux bornes du
micro-bolomètre d'imagerie de sorte que les variations de résistance micro-
bolomètre
d'imagerie, dues aux rayonnements infrarouges, entrainent une variation d'un
courant
traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie.
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L'invention se caractérise en ce que ledit capteur infrarouge comporte, sous
la surface de
chaque pixel, un montage intégrateur comportant :
un transistor monté en amplificateur entre ledit noeud d'intégration et un
noeud de
sortie ;
¨ et un condensateur monté en contre-réaction sur ledit transistor entre
ledit noeud de
sortie et ledit noeud d'intégration ;
ledit n ud d'intégration étant connecté à un transistor d'ébasage fonctionnant
en miroir de
courant avec un transistor de commande d'ébasage déporté en dehors dudit
pixel, un courant
d'ébasage traversant ledit transistor de commande d'ébasage étant commandé en
fonction
de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé, ledit montage en
miroir de
courant permettant de transmettre ledit courant d'ébasage traversant ledit
transistor de
commande d'ébasage sur ledit noeud d'intégration de sorte que ledit
condensateur intègre la
différence entre ledit courant traversant ledit micro-bolomètre d'imagerie et
ledit courant
d'ébasage.
L'invention permet ainsi d'intégrer un circuit de lecture dans chaque pixel
afin de réaliser
une lecture simultanée des pixels du capteur infrarouge. Avec cette lecture
simultanée des
pixels, l'invention permet d'obtenir un détecteur infrarouge fonctionnant avec
un temps
d'intégration équivalent au temps trame. Celui-ci peut avantageusement être
amélioré et
permet d'acquérir jusqu'à 500 images par seconde avec un NETD inférieur ou
égal à 50 mK.
Dans l'état de la technique, pour obtenir un NETD inférieur ou égal à 50 mK,
le temps ligne
est environ de 64 images par seconde alors que le courant de polarisation du
micro-bolomètre
d'imagerie est de l'ordre de quelque micro ampères.
Ce courant de polarisation est fonction de la tension imposée aux bornes du
micro-bolomètre
d'imagerie et de la résistivité obtenue par construction du micro-bolomètre
d'imagerie.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le micro-bolomètre d'imagerie
présente une
résistance comprise entre 40 et 60 MU pour une température de 30 C. Dans
l'état de la
technique, un micro-bolomètre d'imagerie comporte classiquement une résistance
sensiblement égale à 1 mn à température ambiante. L'utilisation de cette
résistance
beaucoup plus importante permet de modifier le point de fonctionnement et,
notamment, le
courant de polarisation du micro-bolomètre d'imagerie.
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Dans l'état de la technique, le courant de quelque micro ampères entraîne un
auto-
échauffement du micro-bolomètre d'imagerie. L'utilisation d'un circuit de
lecture intégré
dans chaque pixel permet d'utiliser un temps d'intégration variable de
quelques dizaines de
microsecondes à plusieurs millisecondes et le point de de polarisation du
détecteur peut être
réduit drastiquement pour conserver un NETD inférieur ou égal à 50 mK.
Pour se faire, il est possible d'utiliser un courant de polarisation cinquante
fois plus faible
que dans l'état de la technique, ce qui ne conduit pas le micro-bolomètre
d'imagerie dans sa
zone d'emballement thermique.
La modification du point de fonctionnement permet d'obtenir un mode de
fonctionnement
continu , c'est-à-dire sans utiliser de phases de pré-charge. Le
fonctionnement du capteur
infrarouge peut donc entièrement être modifié car l'état de la technique des
détecteurs non
refroidis met en oeuvre un fonctionnement pulsé avec des phases de lecture
et des phases
de pré-charge pour limiter l'emballement thermique des micro-bolomètres
d'imagerie.
Selon un mode de réalisation, le courant d' ébasage est compris entre 50 et
200 nano ampères.
Le fait de réduire la polarisation à quelques dizaines de nanoampères implique
que la
technologie CMOS utilisée dans ce mode de réalisation ne doit pas introduire
de courants de
fuite des transistors CMOS, susceptibles de perturber le courant intégré au
niveau de chaque
pixel. Certaines technologies CMOS ont des courants de fuite des transistors
de quelques
nanoampères bien que ceux-ci soient bloqués électriquement, le choix de la
technologie est
donc un point très important. De préférence, la technologie CMOS doit
permettre d'obtenir
des transistors avec un courant de fuite inférieur à lnA
En outre, l'utilisation d'un courant de polarisation très faible permet de
limiter la
consommation du circuit de lecture et, ainsi, de limiter la consommation
globale du détecteur
infrarouge. En effet, contrairement aux dispositifs classiques dans lesquels
des circuits de
lecture sont disposés pour chaque colonne du détecteur infrarouge,
l'utilisation d'un circuit
de lecture par pixel risque d'augmenter la consommation du détecteur
infrarouge. En
utilisant un courant de polarisation beaucoup plus faible que ceux utilisés
dans l'état de la
technique, ce mode de réalisation permet de maîtriser la consommation du
détecteur
infrarouge.
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Cette polarisation et l'amplification réalisée par le circuit de lecture sont
deux éléments
distinctifs entre l'invention et les circuits de lecture existants intégrés
dans chaque pixel dans
le domaine du visible. En effet, dans le domaine du visible, il n'est pas
nécessaire d'appliquer
une polarisation en tension ou une amplification pour lire la valeur de chaque
pixel, si bien
qu'il est beaucoup plus simple d'intégrer le circuit de lecture dans chaque
pixel.
Le courant d'ébasage est obtenu par un montage en miroir de courant avec une
partie
déportée comportant au moins un micro-bolomètre thermalisé. Cette partie
déportée est
préférentiellement commune pour tous les pixels. Un seul micro-bolomètre
thermalisé peut
être utilisé pour former le courant d'ébasage.
En variante, plusieurs micro-bolomètres thermalisés peuvent être montés en
parallèle au
niveau de la partie déportée pour améliorer la précision du courant d'ébasage.
Par exemple, cinq micro-bolomètre thermalisés peuvent facilement être intégrés
contrairement à l'état de la technique qui utilise un seul micro-bolomètre
thermalisé, car il
doit être dupliqué sur toutes les colonnes pour réaliser une intégration
simultanée d'une
même ligne.
Selon un mode de réalisation, la tension de grille du transistor d'injection
est commandée en
fonction d'un transistor de commande de polarisation, déporté en dehors dudit
pixel, en
fonction de la température d'au moins un micro-bolomètre thermalisé.
Ainsi, de la même manière que pour le courant d'ébasage, la tension de grille
du transistor
d'injection peut être obtenue par cinq micro-bolomètres thermalisés montés en
parallèle. Ce
mode de réalisation permet de supprimer, plus efficacement que dans l'état de
la technique,
les variations liées à la température du substrat.
De préférence, la polarisation du transistor monté en amplificateur est
réalisée par
l'application d'une tension de référence au niveau d'une borne dudit
transistor monté en
amplificateur, opposée à celle reliée audit noeud de sortie.
La tension de référence est préférentiellement appliquée par un transistor
monté en diode.
Ce mode de réalisation permet de limiter l'encombrement du circuit de lecture.
La tension
aux bornes de la diode montée en directe est de l'ordre de 0,7V, suivant la
technologie
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CMOS utilisée. Cette tension permet de fixer la valeur du niveau bas de
saturation du CT1A,
qui correspond à une réception d'un très faible niveau de flux infrarouge. Ce
montage
remplace avantageusement une solution avec une tension de référence qu'il
faudrait
distribuer à l'ensemble de la matrice.
Outre la polarisation du n ud d'intégration, ledit noeud de sortie est
préférentiellement
polarisé par l'application d'un courant compris entre 0,5 et 2 micro ampères.
En outre, le noeud de sortie est préférentiellement relié à un filtre à
capacités commutées
constitué d'un interrupteur et d'un condensateur. Ce mode de réalisation
permet de réduire
la bande passante du bruit car cette dernière dépend de la valeur de la
capacité du
condensateur et de la fréquence d'intégration.
En sortie du filtre à capacités commutées, le montage présente
préférentiellement un
condensateur de lecture destinée à être chargé, après l'intégration, pour
permettre la lecture
de la tension résultante du circuit de lecture tout en réalisant une autre
intégration. De
préférence, les interrupteurs nécessaires pour former le filtre à capacités
commutées et le
transfert de charges dans le condensateur de lecture sont réalisés avec des
transistors
fonctionnant en commutation.
En outre, la sortie du circuit de lecture peut être composée d'un transistor
monté en suiveur
de tension. Ce mode de réalisation permet de faciliter l'adaptation
d'impédance du signal de
sortie.
De préférence, le pas de chaque pixel du capteur infrarouge et inférieur ou
égal à 25
micromètres.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit,
donnée uniquement
à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans
lesquels des
références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans
lesquels :
La figure 1 illustre un capteur infrarouge de l'état de la technique avec un
circuit de lecture
et d' ébasage disposé en pied de colonnes ;
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La figure 2 illustre le schéma électrique équivalent de lecture d'un micro-
bolomètre
d'imagerie de la figure 1;
La figure 3 illustre un circuit de lecture intégré sous un pixel d'un capteur
infrarouge selon
un mode de réalisation de l'invention ;
La figure 4 illustre un circuit de commande d'ébasage déporté et destiné à
être connecté au
circuit de lecture de la figure 3 selon un mode de réalisation de l'invention
; et
La figure 5 illustre un circuit de commande de polarisation déporté et destiné
à être connecté
au circuit de lecture de la figure 3 selon un mode de réalisation de
l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La figure 3 illustre un circuit de lecture 11 d'un micro-bolomètre d'imagerie
intégré sous la
surface de chaque pixel d'un capteur infrarouge. La structure du micro-
bolomètre d'imagerie
est similaire à celle décrite dans l'état de la technique, c'est-à-dire
qu'elle intègre une
membrane sensible au rayonnement infrarouge dont la résistivité varie en
fonction du
rayonnement infrarouge capté par cette membrane. Cette membrane est reliée par
au moins
deux plots au circuit de lecture 11 illustré surfa figure 3.
Au sein de ce circuit de lecture 11, l'ensemble formé par les plots et la
membrane est
schématisé par la résistance bolométtique Rac qui correspond à la résistance
variable du
micro-bolomètre d'imagerie de chaque pixel. Contrairement aux membranes de
l'état de la
technique, la membrane du micro-bolomètre d'imagerie est réalisée de sorte que
la résistance
du micro-bolomètre d'imagerie est comprise entre 40 et 60 MO à température
ambiante.
Typiquement, pour une température de 30 C, la membrane peut être réalisée
pour présenter
une résistance de 50 mn. Cette résistance spécifique peut être atteinte
classiquement en
adaptant l'épaisseur du matériau constituant la membrane et/ou le design de la
membrane,
par exemple la longueur des bras de soutien et de dissipation thermique.
Sous le micro-bolomètre d'imagerie, le substrat intègre un étage CMOS
comportant
l'ensemble des autres composants illustrés sur le circuit de lecture 11 de la
figure 3. Ce
circuit de lecture 11 est, de préférence, réalisé avec des transistors
présentant un courant de
fuite inférieure à lnA.
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Tel qu'illustré sur la figure 3, le circuit de lecture 11 présente un
transistor d'injection N2
permettant de fixer la tension Vat aux bornes du micro-bolomètre d'imagerie au
moyen de
sa tension de grille GAC. Ainsi, la tension Vac aux bornes du micro-bolomètre
d'imagerie
est fixe et imposée via la tension de grille GAC par le montage de la figure
5. Par ailleurs,
le micro-bolomètre d'imagerie est également connecté à une source de tension
VDET,
préférentiellement la masse du circuit de lecture 11. Dans l'exemple de la
figure 3, le micro-
bolomètre d'imagerie est connecté en bas du circuit de lecture 11 au moyen
d'un transistor
d'injection N2 de type NMOS En variante, la partie gauche du circuit peut être
retournée et
le micro-bolomètre d'imagerie peut être connecté par l'intermédiaire d'un
transistor PMOS
en haut du circuit de lecture sans changer l'invention.
Outre la source reliée au micro-bolomètre d'imagerie, le drain du transistor
d'injection N2
est connecté sur un noeud d'intégration Ne. Ce noeud d'intégration Ne est
également connecté
à un transistor d'ébasage P1 de type PMOS. Ce transistor d'ébasage P1 est
relié à une source
de tension constante VSK. La tension de grille GCM de ce transistor d'ébasage
P1 est
connectée à un circuit déporté 19 (figure 4) permettant de transmettre une
commande
d'ébasage à tous les circuits de lecture 11 des différents pixels. En
variante, plusieurs circuits
déportés 19 peuvent être utilisés pour différents circuits de lecture intégrés
sous différents
pixels sans changer l'invention. En outre, la partie gauche du circuit peut
être retournée et le
transistor d'ébasage P1 peut être réalisé par un transistor NMOS sans changer
l'invention.
Le noeud d'intégration Ne est également relié à la grille d'un transistor N4
monté en
amplificateur de sorte à former un montage de type CT1A avec un condensateur
Ont monté
en contre réaction entre un noeud de sortie No et le noeud d'intégration Ne
Ainsi, le drain du
transistor N4 est connecté sur le noeud de sortie No, alors que la grille de
ce transistor N4 est
connectée sur le noeud d'intégration Ne. Le noeud de sortie No est également
connecté à un
interrupteur RAZ permettant de court-circuiter le condensateur Ont pour
remettre à zéro
l'intégration.
Pour obtenir une tension constante équivalant au seuil de saturation inférieur
d'un intégrateur
de type CTIA, la source du transistor N4 est connectée à la tension constante
VDET par
l'intermédiaire d'une diode Dl. De préférence, cette diode Dl est réalisée par
un transistor
monté en diode.
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Par ailleurs, le n ud de sortie est également relié à une source de courant
connectée entre la
tension constante VSK et le n ud de sortie No de sorte à appliquer un courant
fixe, par
exemple 1 A, sur le drain du transistor N4 et à polariser ce dernier.
Par exemple, le transistor d'injection N2 est polarisé avec un courant Inn de
l'ordre de
100 nA.
Le courant lm circulant dans la résistance bolométrique flac correspond au
courant de
polarisation km additionné des variations de courant dues aux variations de
résistance de la
résistance bolométrique R. Au niveau du n ud d'intégration Ne, le courant de
polarisation
km est soustrait au courant Ikete, et seules les variations de courant dues
aux variations de
résistance de la résistance bolométrique Rat sont intégrées dans le
condensateur Cit.
Au niveau du n ud de sortie No, le circuit de lecture 11 comporte également un
filtre à
capacités commutées comportant un interrupteur PART et un condensateur Cpart
connecté
entre l'interrupteur PART et la tension constante VDET. Lorsque l'interrupteur
PART est
fermé, les charges présentes dans le condensateur d'intégration Ont sont
transférées dans le
condensateur de stockage Cpart. Ensuite, l'interrupteur PART peut être ouvert
et une
nouvelle intégration peut être réalisée après fermeture de l'interrupteur RAZ
durant quelques
micro secondes.
De la même manière, les charges présentes dans le condensateur Cpan peuvent
ensuite être
transférées vers un condensateur de lecture Oc, connecté entre un interrupteur
SH et la
tension constante VDET, lorsque l'interrupteur SH est fermé. La lecture de ce
condensateur
Ciee est obtenue par un transistor de sortie SF de type NMOS dont le drain est
connecté à la
tension VSK et la source est reliée à un signal de sortie VOUT par
l'intermédiaire d'un
interrupteur LEC(i,j).
Lorsque le capteur infrarouge demande la lecture du pixel correspondant au
circuit de lecture
de la figure 3, les coordonnées i et j du pixel dans la matrice sont utilisées
pour commander
l'interrupteur LECO,D et obtenir la valeur de tension aux bornes du
condensateur Gee.
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Outre ces éléments présents au niveau de chaque pixel, les circuits illustrés
sur les figures 4
et 5 sont préférentiellement mutualisés pour l'ensemble des pixels afin de
fournir les tensions
de grille GAC et GCM des transistors N2 et Pl.
La figure 4 illustre la génération de la tension de grille GCM au moyen d'un
circuit 19
intégrant cinq micro-bolomètres thermalisés, de résistance équivalente Itun,
montés en
parallèle. De préférence, ces micro-bolomètres thermalisés sont réalisés de la
même manière
que les micro-bolomètres d'imagerie des pixels et présentent la même
résistivité. Cependant,
ces micro-bolomètres thermalisés sont isolés de la scène observée au moyen
d'un écran de
protection de sorte qu'ils captent uniquement les variations de température du
substrat
correspondant aux variations de température du plan focal de l'image.
Dans l'état de la technique, un micro-bolomètre thermalisé est utilisé au
niveau de chaque
circuit de lecture de chaque colonne : il y a donc autant de micro-bolomètres
thermalisés que
de colonnes de la matrice. Dans l'invention, ces cinq micro-bolomètres
thermalisés
suffissent pour fournir toutes les tensions de grilles GCM, ce qui réduit de
manière
significative la surface utilisée autour des pixels pour former ces micro-
bolomètres
thermalisés tout en améliorant la précision du courant d'ébasage Ica' en
moyennant le courant
traversant plusieurs micro-bolomètres thermalisés.
Dans le circuit 19, une tension Vav issue d'un convertisseur digital
analogique, non
représenté, permet d'ajuster les tensions de grille GCM et, plus
particulièrement, le courant
hm destiné à circuler entre le transistor Pl et le noeud d'intégration Ne de
chaque circuit de
lecture 11 Pour ce faire, les cinq micro-bolomètres thermalisés sont connectés
entre la
tension constante VDET et la source d'un transistor Ni de type NIvIOS.
La grille de ce transistor Ni est connectée sur la sortie d'un amplificateur
opérationnel, dont
l'entrée positive est reliée à la tension Vav et l'entrée négative est
connectée sur la source de
ce transistor Ni, Le drain du transistor Ni est connecté au drain d'un
transistor Plb de type
PMOS La source de ce transistor Plb est connectée à la tension constante VSK
et la tension
de grille de ce transistor Plb permet de fournir la tension GCM
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En outre, ce transistor P1b est monté en contre réaction avec la grille reliée
au drain de sorte
à former, avec le transistor P1, un miroir de courant dans lequel le courant
'cm obtenu par
les micro-bolomètres thermalisés est recopié entre le transistor P1 et le n ud
d'intégration
Ne. Si le montage de gauche du circuit de lecture 11 de la figure 3 est
retourné, ce circuit 19
doit également être retourné.
Le montage de la figure 5 est proche de celui de la figure 4 à ceci près que
la tension de
grille GAC, n'est pas extraite au niveau de la grille du transistor PMOS P2,
mais au niveau
de la grille du transistor NMOS N2b. La tension Vac imposée à l'entrée de
l'amplificateur
opérationnel permet de fixer la tension aux bornes du micro-bolomètre
d'imagerie par un
fonctionnement en miroir de courant entre les transistors N2 et N2b.
De la même manière, le courant Itin2 est recopié par un montage en miroir de
courant entre
les transistors N2 de la figure 3 et N2b du circuit 21 de la figure 5.
Cependant, le courant Iew
circulant dans la résistance bolométrique Ra c n'est pas directement
équivalent à lima car
celui-ci dépend de l'échauffement du micro-bolomètre d'imagerie provoqué par
le flux
infrarouge.
Ainsi, avec ces éléments très peu nombreux, l'invention permet d'obtenir une
lecture très
précise de tous les pixels d'un capteur infrarouge.
En outre, les éléments du circuit de lecture 11 de la figure 3 peuvent être
intégrés sous la
surface de chaque pixel de sorte à obtenir une lecture simultanée de tous les
pixels d'une
image infrarouge. Ce faisant, la vitesse d'acquisition des images infrarouges
s'en trouve
significativement optimisée, notamment pour des résolutions importantes (et
par exemple
1280 x 1024 pixels).
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