一种具有温度检测功能的像元电路的制作方法

1.本发明涉及一种图像传感器的像元电路，具体涉及一种具有温度检测功能的像元电路。


背景技术：

2.读出电路作为图像传感器的组成部分，其主要的作用做在于将图像传感器像元所收集的图像信息进行采样读出，并将读出结果传输至片外。而工作温度对于图像传感器性能有着非常重要的影响。根据工作环境温度的不同，图像传感器信号需进行校正，以消除温度变化所带来的非理想特性。
3.在对图像传感器进行温度校正，并获取其温度模型后，当前设计方案一般使用芯片级温度传感器对芯片温度进行测量，对整个芯片以同一个温度参数进行校正。在实际应用情况中，对于一些大面阵图像传感器，读出电路芯片尺寸较大，整体温度分布不均匀，且高低温区之间温度落差较大，可达数十度。而在现有的技术方案中，大多采取在芯片上集成一个或是一列单独的温度传感器单元来对芯片进行测温，并用所得温度对图像传感器输出结果进行校正。
4.现有的技术方案中，大多采取在芯片上集成一个或是一列单独的温度传感器单元来对芯片进行测温，该类方案所存在的问题主要为：
5.(1)在应用于一些面阵较大的芯片时，数量稀少的芯片级温度传感器难以将测量范围覆盖到整个芯片面阵，无法掌握芯片整体热分布；
6.(2)不能对每个像元进行单独校正，影响图像传感器成像结果；
7.(3)芯片级温度传感器所产生的自热效应可能影响到cmos图像温度传感器本身的工作状态。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题在于提供一种用于图像传感器芯片读出电路的像素级温度传感器，以解决现有集成式温度传感器测温范围难以覆盖图像传感器每个像元的问题，用于满足图像传感器高精度的温度校正需求，提高成像质量。
9.本发明为了实现以上的技术效果采用的技术方案为：
10.一种具有温度测量功能的像元电路，该像元电路包含光敏二极管、温敏二极管、二选一开关、信号采样开关、积分电容、电容复位开关、源极跟随器等结构；其中所述光敏二极管负极接二选一开关的一个输入端，正极接地；所述温敏二极管正极接二选一开关的一个输入端，负极接地；所述二选一开关两个输入端分别接温敏二极管和光敏二极管，输出端接信号采样开关；所述信号采样开关一端接二选一开关输出端，另一端与电容复位开关、积分电容正极板一同接源极跟随器输入端；所述积分电容负极板接地，正极板与电容复位开关、信号采样开关一同接源极跟随器输入端；所述电容复位开关一端接复位电压，一端与信号采样开关、积分电容正极板一同接源极跟随器输入端；所述源极跟随器输入端接信号采样
开关、电容复位开关、积分电容正极板，输出端接外部读出电路。
11.本发明的有益效果：
12.1)本发明实现了像元级温度测量，协助完成单个像元的温度校正；
13.2)本发明所使用温度传感器复用像元本身的积分电容、读出电路，实现面积、功耗的节省。
附图说明
14.图1：图像传感器阵列示意图。
15.图2：二极管温度探测电路原理图。
16.图3：本发明的具有温度检测功能的像元电路的电路原理框图。
17.图4：整体芯片工作时序图。
具体实施方式
18.如图3所示，一种具有温度测量功能的像元电路，该像元电路包含光敏二极管302、温敏二极管303、二选一开关304、信号采样开关305、积分电容307、电容复位开关306、源极跟随器308等结构；其中所述光敏二极管302负极接二选一开关304的一个输入端，正极接地；所述温敏二极管303正极接二选一开关304的一个输入端，负极接地；所述二选一开关304两个输入端分别接温敏二极管303和光敏二极管302，输出端接信号采样开关305；所述信号采样开关305一端接二选一开关304输出端，另一端与电容复位开关306、积分电容307正极板一同接源极跟随器308输入端；所述积分电容307负极板接地，正极板与电容复位开关306、信号采样开关305一同接源极跟随器308输入端；所述电容复位开关306一端接复位电压，一端与信号采样开关305、积分电容307正极板一同接源极跟随器308输入端；所述源极跟随器308输入端接信号采样开关305、电容复位开关306、积分电容307正极板，输出端接外部读出电路。
19.进一步地，通过rst、mux、vb、v
rst
信号对像元电路301进行控制，其中如图3所示，当信号mux处于低电平时，电路处于图像传感功能状态，此时v
rst
处于光电二极管所需的复位高电平(通常为3～5v)，输入脉冲rst信号控制电容复位开关306在高电平到来时将积分电容复位到v
rst
，同时信号vb切换至高电平，控制信号采样开关305闭合，开始对光电流积分。当到达所需积分时间时，采样信号vb控制信号采样开关305切换至低电平，保持采样电容上电压不变，并在选通信号sel的高电平到来时控制源极跟随器308进行读出工作。
20.当mux处于高电平时，电路处于测温功能状态，vrst处于二极管所需的高电平(通常为1.5v)，输入脉冲rst信号控制电容复位开关306在高电平到来时将积分电容复位到vrst，开始进行温度传感器的积分和采样。当第一次到达所需积分时间时，采样信号vb控制信号采样开关305切换至低电平，保持采样电容上电压不变，并在选通信号sel的高电平到来时控制源极跟随器308进行读出工作，所得采样电压为vd(t1)。在得到第一次电压采样vd(t1)后，在不进行复位的前提下继续进行第二次积分。采样信号vb控制信号采样开关305切换至低电平，保持采样电容上电压不变，并在选通信号sel的高电平到来时控制源极跟随器308进行读出工作所得采样电压为vd(t2)。
21.在工作时序方面，如图4所示，温度传感器的引入相当于在图像传感器的n个工作
帧中多加入一个工作帧，工作频率可根据mux信号频率进行调整，mux处于低电平时，电路处于图像传感功能状态，此时vrst处于光电二极管所需的复位高电平(通常为3～5v)，输入脉冲rst将积分电容复位到vrst，开始对光电流积分，并在选通信号sel的高电平到来时进行读出工作，同时采样信号vb切换至低电平，保持采样电容上电压不变。
22.在进行了n帧图像传感帧后，电路切换为温度传感模式，此时mux处于高电平，vrst处于二极管所需的高电平(通常为1.5v)，rst把积分电容复位到vrst后，开始进行积分和采样。由于二极管积分过程为对数放电过程，需进行两个不同时间点的电压采样并进行作差，以得到与温度成正相关的电压δv_d。所以在一帧温度传感器工作帧中进行两次选通，同时采样信号vb两次切换至低电平，保持采样电容上电压不变，以得到vd(t1)和vd(t2)，对于采样时间点的选择由所选用的二极管和所需要的分辨率确定，在后级adc将其作差后，即可得到δv_d。温度传感器的adc可以复用图像传感器adc，不加入额外电路。
23.本发明的原理如下:
24.如图1所示，101为正向偏置的二极管，102为积分电容。整体工作周期可分为两个部分，当开关103闭合，开关104打开时，电路处于复位阶段。电容102上极板电压等于电源电压vdd。当开关103打开，开关104闭合时，电路处于工作状态，此时有：
[0025][0026]vt
＝kt/q
[0027]
其中k为波尔兹曼常量，q为单位电荷量，is为二极管饱和电流，n为二极管工艺参数。由上式可以看到，测温二极管两端电压vd在温度不变化的情况下与时间成对数关系，由此可以测量两个时间点的vd大小作差，来得出与温度成线性关系的δvd：
[0028]
δvd＝vd(t1)-vd(t2)＝nv
t
ln(t2/t1)＝at。

技术特征：
1.一种具有温度测量功能的像元电路，其特征在于，该像元电路包含光敏二极管(302)、温敏二极管(303)、二选一开关(304)、信号采样开关(305)、积分电容(307)、电容复位开关(306)及源极跟随器(308)；其中：所述光敏二极管(302)负极接二选一开关(304)的一个输入端，其正极接地；所述温敏二极管(303)正极接二选一开关(304)的一个输入端，其负极接地；所述二选一开关(304)输出端接信号采样开关(305)的一端，所述信号采样开关(305)的另一端与电容复位开关(306)、积分电容(307)正极板一同接源极跟随器输入端(308)，所述积分电容(307)负极板接地，所述电容复位开关的另一端接复位电压；所述源极跟随器(308)输出端接外部读出电路。2.根据权利要求1所述的像元电路，其特征在于：通过电容复位开关(306)rst信号、二选一开关(304)的mux信号、信号采样开关(305)的v
b
信号及电容复位开关(306)v
rst
信号对像元电路进行控制。3.根据权利要求2所述的像元电路，其特征在于：当所述mux信号处于低电平时，像元电路处于图像传感功能状态，此时v
rst
信号处于光敏二极管(302)所需的复位高电平，输入脉冲rst信号控制电容复位开关(306)在高电平到来时将积分电容复位到v
rst
，同时v
b
信号切换至高电平，控制信号采样开关(305)闭合，开始对光电流积分；当到达所需积分时间时，v
b
信号控制信号采样开关(305)切换至低电平，保持采样电容上电压不变，并在选通信号sel的高电平到来时控制源极跟随器(308)进行读出工作。4.根据权利要求2所述的像元电路，其特征在于：当所述mux信号处于高电平时，像元电路处于测温功能状态，此时v
rst
信号处于温敏二极管(303)所需的高电平，输入脉冲rst信号控制电容复位开关(306)在高电平到来时将积分电容复位到v
rst
，开始进行温度传感器的积分和采样；当第一次到达所需积分时间时，采样信号v
b
控制信号采样开关(305)切换至低电平，保持采样电容上电压不变，并在选通信号sel的高电平到来时控制源极跟随器(308)进行读出工作，所得采样电压为v
d
(t1)。5.根据权利要求4所述的像元电路，其特征在于：在得到第一次电压采样v
d
(t1)后，在不进行复位的前提下继续进行第二次积分：采样信号v
b
控制信号采样开关(305)切换至低电平，保持采样电容上电压不变，并在选通信号sel的高电平到来时控制源极跟随器(208)进行读出工作所得采样电压为v
d
(t2)。6.根据权利要求1-5任一项所述的像元电路，其特征在于：对于采样时间点的选择由所选用的光敏二极管(302)和所需要的分辨率确定，在后级adc将其作差后，得到δv_d。

技术总结
本发明公开了一种具有温度测量功能的像元电路，该像元电路包含光敏二极管、温敏二极管、二选一开关、信号采样开关、积分电容、电容复位开关、源极跟随器等结构；其中光敏二极管负极接二选一开关的一个输入端，其正极接地；述温敏二极管正极接二选一开关的一个输入端，其负极接地；二选一开关输出端接信号采样开关的一端，信号采样开关的另一端与电容复位开关、积分电容正极板一同接源极跟随器输入端，积分电容负极板接地，电容复位开关的另一端接复位电压；源极跟随器输出端接外部读出电路。本发明实现了像元级温度测量，协助完成单个像元的温度校正，其所使用温度传感器复用像元本身的积分电容、读出电路，实现面积、功耗的节省。省。省。


技术研发人员：张驰远 陈楠 崔长坤 钟昇佑 胡窦明 姚立斌
受保护的技术使用者：昆明物理研究所
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/25