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DE60301305T2 - Verfahren und apparat zur temperaturkontrolle in einem focal plane array mit aktiven thermischen kontrollelementen - Google Patents

Verfahren und apparat zur temperaturkontrolle in einem focal plane array mit aktiven thermischen kontrollelementen Download PDF

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DE60301305T2
DE60301305T2 DE60301305T DE60301305T DE60301305T2 DE 60301305 T2 DE60301305 T2 DE 60301305T2 DE 60301305 T DE60301305 T DE 60301305T DE 60301305 T DE60301305 T DE 60301305T DE 60301305 T2 DE60301305 T2 DE 60301305T2
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Germany
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fpa
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roic
temperature
active area
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M. Adam KENNEDY
Michael Ray
H. Richard WYLES
K. Jessica WYLES
A. William RADFORD
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Raytheon Co
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Raytheon Co
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    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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    • G01J5/02Constructional details
    • G01J5/06Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
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    • GPHYSICS
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    • H04NPICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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Description

  • TECHNISCHES GEBIET:
  • Die vorliegende Lehre betrifft allgemein Detektoren für elektromagnetische Strahlung und insbesondere betrifft sie Fokalebenengruppen („focal plane arrays, FPA") aus Infrarot-(IR)-Strahlungsdetektoren, vorzugsweise Mikrobolometer-IR-Detektoren, die während eines Betriebs nicht kryogenisch gekühlt werden (d.h., sie sind ungekühlt).
  • HINTERGRUND:
  • Eine Wärmestabilität ist ein wichtiger Gesichtspunkt bei dem Betrieb von ungekühlten FPAs, wie z.B. FPAs, die Silizium-basierte Mikrobolometer-Erfassungselemente verwenden. Das Siliziummikrobolometer ist in sich sehr empfindlich gegenüber Tem peraturänderungen, was seine Verwendung als Detektor für Wärmeenergie besonders attraktiv macht. Idealerweise sind alle Wärmezuführungen an die Mikrobolometergruppe, mit Ausnahme der betrachteten Umgebung, identisch. Falls die FPA einen gleichmäßig schwarzen Körper beobachten würden, dann würden sich alle Mikrobolometer exakt bei der gleichen Temperaturen befinden und identische Ausgaben aufweisen. Praktisch ist es jedoch unmöglich, eine Gleichförmigkeit der Temperaturverteilung über der Mikrobolometergruppe zu erzielen, was in der Erzeugung einer räumlich ungleichförmigen Wärmerauschkomponente und in einem Versatz hinsichtlich der Ausgangssignale der FPA resultiert.
  • Es kann gezeigt werden, dass die Wärmeänderungen innerhalb einer Detektoranordnung, die die FPA und eine zugehörige integrierte Ausleseschaltung („readout integrated circuit, ROIC") beinhaltet, in einem typischen Bereich von 1 K bis ungefähr 2 K für eine gegebenen Wärmelast und eine thermoelektrische Kühlerbetriebstemperatur (z.B. 300 K) liegen können. Des Weiteren kann gezeigt werden, dass die tatsächliche Wärmeänderung durch eine Anzahl von Faktoren beeinflusst werden kann, einschließlich der Wärmeleitfähigkeit einer Klebeverbindungslinie zwischen der Detektoranordnung und anderen Komponenten, wie z.B. einem Motherboard, sowie jede Temperaturänderung entlang des thermischen Elektrokühlers, Veränderungen in der Qualität der Anbringung einer Vakuumverpackung, die die Detektoranordnung an ihrer Anbringungsfläche beinhaltet, sowie der Größe eines Wärmegradienten zwischen der Betriebstemperatur der Detektoranordnung und der Umgebungstemperatur, wie sie z.B. auftreten könnte, wenn man in einer Hochtemperaturumgebung arbeitet.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, den thermoelektrischen Kühler oder einen anderen Kühlertypen zu verwenden, um die Mikrobolometergruppe auf eine (idealerweise) gleichmäßige Temperatur zu kühlen. Es ist auch bekannt, ein getrenntes Widerstand-/Heizelement bei einem Versuch zu verwenden, die Temperatur über der FPA ins Gleichgewicht zu bringen. Die Verwendung des separaten Thermoelektrokühlers oder des Widerstand-/Heizelements erhöht jedoch die Kosten, die Komplexizität und die Raumanforderungen an die gesamte Detektoranordnung.
  • Im Stand der Technik ist es auch bekannt, hochleitende thermische Materialien, wie z.B. Kupfer und Aluminiumnitrit, bei einem Versuch zu verwenden, räumliche Wärmeänderungen über der FPA zu glätten. Dieser Ansatz kann jedoch auch unter den Problemen leiden, die Thermoelektrokühlern oder Wärme-/Heiz-Ansätzen inhärent sind, und des Weiteren keine Vorkehrung für die Möglichkeit der räumlichen Wärmeänderungen treffen, die sich während eines Betriebs ändern.
  • In dem US-Patent 5,756,999 „Methods and Circuitry for Correcting Temperature-Induced Erros in Microbolometer Focal Plane Array" von W. J. Parrish und J. T. Woolaway werden verschiedene Verfahren für die Korrektur von Temperatur-induzierten Ungleichmäßigkeiten bei den Antworteigenschaften von Mikrobolometern in einer IR-FPA beschrieben. Bezug nehmend auf 5A und 5B wird bei diesem Ansatz gemäß dem Stand der Technik ein thermisch kurzgeschlossenes Mikrobolometer verwendet, um die Substrattemperatur zu fühlen, und eine Schaltung wird verwendet, um eine Widerstandsheizeinrichtung auf einer ROIC anzusteuern, um das ROIC-Substrat auf eine konstante Temperatur zu erwärmen. Eine Spannungsquelle („voltage source, VS") wird verwendet, um die gewünschte ROIC-Substrattemperatur einzustellen.
  • Verständlicherweise kümmert sich dieser Ansatz nicht angemessen um das Problem lokalisierter Temperaturunterschiede, die typischerweise über der ROIC existieren. Unter Bezugnahme auf 5B kann z.B. gesehen werden, dass solche Mikrobolometer, die am nächsten zu der Widerstandsheizeinrichtung sind, am wahrscheinlichsten bei einer Temperatur gehalten werden, die sich von den Mikrobolometern unterscheidet, die sich am weitesten entfernt von der Widerstandsheizeinrichtung befinden. Zusätzlich könnte die signifikante räumliche Trennung zwischen dem Temperatursensor (d.h. dem thermisch kurzgeschlossenen Mikrobolometer) und dem Widerstandheizelement in einer suboptimalen Verfolgung der Temperatur resultieren.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die vorhergehenden und weitere Probleme werden in Übereinstimmung mit den vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Lehre überwunden und weitere Vorteile werden realisiert.
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Fokalebenengruppe FPA aus Infrarot-IR-Strahlungsdetektoren bereit, mit: einer aktiven Fläche, die eine Vielzahl von IR-Strahlungsdetektoren aufweist; einer integrierten Ausleseschaltung, ROIC, die mechanisch und elektrisch an die aktive Fläche gekoppelt ist; einer auf der ROIC angeordneten Vielzahl von Heizelementen, die derart angeordnet sind und derart betrieben werden, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur zumindest über der akti ven Fläche bereitgestellt wird; und die gekennzeichnet ist durch: Regeleinheiten zum Regeln der Heizelemente; wobei die Heizelemente und die Regeleinheiten angepasst sind, die Heizelemente derart zu betreiben, dass durch die Heizelemente ein Wärmeprofil erzeugt wird, welches entgegengesetzt zu dem Wärmeprofil ist, welches als Ergebnis der betrieblichen Leistungsableitung in der FPA erzeugt wird.
  • Die Fokalebenengruppe (FPA) könnte eine Gruppe von Mikrobolometern aufweisen. Die FPA könnte des Weiteren eine Vielzahl von Temperatursensoren umfassen, von denen individuelle Sensoren räumlich mit einem der Heizelemente zum Abtasten der Temperatur in Nähe des zugehörigen Heizelements verknüpft sind, um einen geschlossenen Schleifenbetrieb des zugehörigen Heizelements vorzusehen. Bei einer Ausführungsform werden Heizelementpaare und zugehörige Temperatursensoren auf eine im Wesentlichen gleichförmige Weise über zumindest eine Ober- oder Unterseite der ROIC verteilt, während bei einer anderen Ausführungsform Heizelementpaare und zugehörige Temperatursensoren, oder lediglich die Heizelemente, in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Wärmeprofil der FPA verteilt werden. Die Vielzahl von Heizelementen könnte jeweils einen Siliziumwiderstand aufweisen, und die Vielzahl von Temperatursensoren könnte jeweils einen Siliziumtemperatursensor aufweisen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorhergehenden und andere Aspekte der vorliegenden Lehre werden aus der folgenden, detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen verständlicher, wenn man sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren liest, wobei:
  • 1 eine vereinfachte Draufsicht auf eine exemplarische FPA darstellt, die die Verteilung von verschiedenen Wärmelasten zeigt,
  • 2 eine vereinfachte Draufsicht auf die exemplarische FPA der 1 darstellt, mit dem Zusatz einer Vielzahl von räumlich verteilten Temperaturabtast- und Wärmeerzeugungs-Schaltungselementen in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Lehre;
  • 3A ein Wärmeverteilungsprofil einer exemplarischen FPA zeigt, und 3B die entsprechende Verteilung einer Temperaturkompensationsschaltung in Übereinstimmung mit einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Lehre zeigt;
  • 4 ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Wärmesteuereinheit darstellt, die an die FPA in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Lehre gekoppelt ist; und
  • 5A und 5B einen Ansatz gemäß dem Stand der Technik veranschaulichen, um ein ROIC-Substrat unter Verwendung eines Substrattemperatursensors und einer Widerstandsheizeinrichtung auf einer ROIC zu erwärmen, um die ROIC auf eine konstante Temperatur zu erwärmen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Bezug nehmend auf 1 ist eine vereinfachte Draufsicht auf eine exemplarische FPA 10 gezeigt, die die Verteilung von verschiedenen Wärmelasten zeigt. Im Wege eines Beispiels umfasst die FPA 10 eine Vielzahl von diskreten, funktionalen Flächen, einschließlich einer aktiven Fläche, ein IR-strahlungsaktives Abtastarray 10A, welches daran angebracht ist oder das einstückig mit einer integrierten Ausleseschaltung (ROIC) 12 ausgebildet ist. Bei einer ungekühlten Mikrobolometerausführungsform könnte die aktive Abtastgruppe 10A und die ROIC 12 Silizium-basierte Schaltungen sein. In diesem Fall könnten Mikrobolometer jeweils eine Fläche von 50 μm2 oder kleiner besetzen und könnten als Luftbrückenstrukturen konstruiert sein, die mit einer IR-Absorptionsschicht beschichtet sind, um eine Wärmeisolierung gegenüber dem ROIC-Substrat vorzusehen. Der Widerstand der Mikrobolometerstruktur ändert sich mit der Temperatur, die wiederum durch die IR-Strahlungsmenge beeinflusst wird, die auf die Mikrobolometerstruktur einfällt. Die Widerstandsänderung liefert eine messbare Änderung hinsichtlich des Stroms, der durch das Mikrobolometer fließt, und zwar auf eine wohlbekannte Weise. Bei anderen Ausführungsformen könnte die aktive Abtastgruppe 10A andere Materialien und/oder andere IR-Detektortypen aufweisen.
  • Die ROIC 12, die typischerweise aus einem Siliziumsubstrat hergestellt ist, umfasst z.B. eine Ausgangsstufe 10B, einen digitalen Logikblock 10C, einen automatischen (auto biases) Vorspannungsblock 10D, einen Ausgangsverstärker 10E, einen Digital-Analog-Ausgangswandler („digital-to-analog converter, DAC") 10F und Spaltenverstärker 10G. Während eines Betriebs leiten die verschiedenen Funktionsflächen eine charakteristische Energiemenge ab. Der Ausgangsverstärker 10E könnte z.B. ungefähr 2 mW ableiten, während der digitale Logikblock 10C ungefähr 0,5 mW ableiten könnte. Diese lokalisierten Flächen unterschiedlicher Leistungsableitung resultieren in der Erzeugung von Bereichen unterschiedlicher Temperatur in der FPA 10, was des Weiteren in der Erzeugung von Wärmegradienten über der aktiven Fläche 10A resultiert. Diese Wärmegradienten rufen die Erzeugung der unerwünschten räumlichen ungleichförmigen Wärmerauschkomponente in den Ausgangssignalen der FPA 10 hervor, wie es zuvor erläutert wurde.
  • 2 zeigt eine Verbesserung der FPA in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Lehre. Insbesondere zeigt 2 eine verbesserte FPA 20, die konstruiert ist, um eine Vielzahl räumlich verteilter Temperaturabtast- und Wärmeerzeugungs-Schaltungselemente 30 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Lehre zu umfassen. Die Schaltungselemente 30 könnten direkt in die Schaltung der FPA 20 eingebettet sein und könnten räumlich gleichmäßig verteilt sein. Dies bedeutet, dass der Abstand zwischen den Schaltungselementen 30 ungefähr gleichmäßig über der FPA ist. Alternativ könnten die Schaltungselemente 30 räumlich auf eine vorbestimmte Weise als Funktion der Verteilung der Wärmeableitungsbereiche der FPA 20, d.h. in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Wärmeprofil, verteilt sein. In jedem Fall ist das Vorhandensein der Vielzahl der Elemente 30 beabsichtigt, um die Temperatur über zumindest der aktiven Abtastfläche 20A so gleichmäßig wie möglich zu gestalten. Allgemein ermöglicht die Verwendung der Elemente 30 ein Erzielen einer Wärmesteuerung, und zwar räumlich über der aktiven Fläche 20A, wenn sich die Temperatur lokal oder in der Umgebung ändert, sowie um Änderungen am Szeneneingang („scene input") an die aktive Fläche 20A anzupassen.
  • Dies bedeutet, dass eine Vielzahl von Temperatursensoren 30B vorgesehen wird, wobei individuelle Sensoren der Temperatursensoren 30B räumlich mit einem Heizelement einer Vielzahl von Heizelementen 30A zum Abtasten der Temperatur in der Nähe der zugehörigen Heizelemente 30A verknüpft sind, um eine geschlossene Schleifenoperation des zugehörigen Heizelements 30A zu ermöglichen.
  • Bei der vorliegenden bevorzugten Ausführungsform werden Schaltungselemente 30 in die Schaltung der ROIC 12 integriert, und somit könnte ein Teil der Elemente 30 unter der aktiven Fläche 20A liegen. Die Elemente 30 könnten in die ROIC 12 vor der Herstellung der verschiedenen Ausleseschaltungen, wie z.B. der digitalen Sektion 10C und dem Ausgangsverstärker 10E, integriert werden, oder die Elemente 30 könnten zusammen mit der Herstellung der ROIC-Ausleseschaltung und/oder zu der Zeit hergestellt werden, wenn die aktive Fläche 10A auf dem ROIC-Substrat hergestellt wird. Die Schaltungselemente 30 könnten benachbart zu oder auf der Oberseite der ROIC 12, oder auf der Unterseite (d.h., der Oberfläche gegenüber der Oberfläche mit der aktiven Fläche 10A) angeordnet werden. Die Schaltungselemente 30 könnten diskrete Widerstände oder Widerstände aufweisen, die als Heizelemente 30A und Temperatursensoren 30B funktionieren, und könnte als Silizium-basiertes Temperaturabtastelement und Silizium-basierter Widerstand verkörpert sein. Bei anderen Ausführungsformen könnte eine Vielzahl von Nickelchrom-Heizelementen 30A verwendet werden. Wenn der Temperatursensor 30B eine Temperaturänderung fühlt, verändert sich der Strom fluss durch den zugehörigen Widerstand 30A entsprechend, um so den Stromfluss zu erhöhen oder zu erniedrigen und um dadurch die Leistung zu erhöhen oder zu verringern, die durch den Widerstand 30A abgeleitet wird. Zum Beispiel, und bei einem selbstregelnden Ausführungstyp, wird, falls der Sensor 30B einen Temperaturabfall an dem Ort des Sensors 30B erfasst, der Strom durch den zugehörigen widerstand 30A erhöht, wodurch sich die durch den Widerstand 30A abgegebene Leistung und somit die in die FPA 20 an dieser Stelle gekoppelte Wärmemenge erhöht. Umgekehrt wird, falls der Sensor 30B einen Temperaturanstieg an der Stelle des Sensors 30B erfasst, der Strom durch den zugehörigen Widerstand 30A verringert, wodurch die durch den Widerstand 30A abgeleitete Leistung verringert wird und ein örtliches Kühlen der FPA 20 an dieser Stelle ermöglicht wird.
  • Der Sensor 30B könnte aus mit einem Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient-(„temperature coefficient of resistance, TCR")-Materialtyp konstruiert sein, der parallel zu dem Widerstand 30A angeordnet ist. In diesem Fall wird eine Temperaturerhöhung den Stromfluss durch den Sensor 30B erhöhen, und dieser Stromfluss wird auf Kosten des Stromflusses durch den parallel verbundenen Widerstand 30A erhöht, und umgekehrt. Alternativ könnte der Sensor 30B aus einem positiven TCR-Materialtyp konstruiert sein, der in Reihe mit dem Widerstand 30A angeordnet ist. In diesem Fall verursacht eine Temperaturerhöhung, dass der Stromfluss durch den Sensor 30B abnimmt, wodurch auch der Stromfluss durch den in Reihe verbundenen Widerstand 30A abnimmt, und umgekehrt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Lehre und unter Bezugnahme auf 4, könnten Temperatursensoren 30B an ein Wärmeregelnetzwerk oder eine Wärmeregelreinheit 40 gekoppelt sein, das bzw. die einen Teil einer ROIC 12 bildet oder die extern zu der ROIC 12 vorgesehen sein könnte. In diesem Fall könnten die Temperatursensoren 30B angesehen werden, auf eine Weise analog zu einer Vielzahl von verteilten Thermostaten zu funktionieren, die durch die Wärmeregeleinheit 40 ausgelesen werden und die dann den Stromfluss durch die Widerstände 30A dementsprechend steuern, um eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur über der aktiven Fläche 20A der FPA 20 zu ermöglichen. Der Stromfluss durch die Widerstände 30B könnte durch Vorsehen einer Vielzahl von Schaltern (SW), wie z.B. Transistorschaltern und durch Öffnen und Schließen der Schalter wahlweise als Funktion der lokalen Temperatur geregelt werden, die durch die Sensoren 30B gefühlt werden. Die Wärmeregeleinheit 40 könnte derart betrieben werden, um zu versuchen, alle Temperatursensoren 30B dazu zu veranlassen, die gleiche ROIC-Substrattemperatur anzuzeigen, wodurch die FPA-20-Temperatur ins Gleichgewicht gebracht wird, oder ein höher entwickelter Wärmeregelalgorithmus könnte verwendet werden, um so ein vorbestimmtes räumliches ungleichförmiges Temperaturprofil über gewissen Teilen des ROIC-Substrats vorzusehen, während die aktive Fläche 10A auf einer im Wesentlichen konstanten und gleichförmigen Temperatur gehalten wird.
  • Es ist verständlich, dass es bei einigen Anwendungen wünschenswert sein könnte, die Heizstromquelle zu den Heizwiderständen 30A vollständig zu unterbrechen, wie z.B. durch Verwenden der Schalter (SW) der 4, während es bei anderen Anwendungen wünschenswert sein könnte, den Heizstrom von komplett „An" bis komplett „Aus" auf lineare Weise zu regeln, um dadurch eine feinere Regelung über die Wärmemenge vorzusehen, die erzeugt wird. Eine Überlegung könnte die Schaltungsrauschmenge sein, die durch die Schwingung der Heizwiderstände 30A toleriert werden kann, sowie die Orte der Heizwiderstände 30A (z.B. ihre Nähe zu der Ausleseschaltung der ROIC 12). Ein Plazieren der Heizwiderstände 30A auf der Rückseite oder Unterseite des ROIC-12-Substrats kann angewendet werden, um die Menge erzeugten elektrischen Rauschens zu verringern, obwohl der Heizeffekt aufgrund des großen Wärmewiderstands schwieriger zu regeln sein könnte, der durch die Dicke des ROIC-12-Substrats repräsentiert wird.
  • Die Temperaturabtastelemente 30B in den Wärmeregel-Steuerschlaufen erfordern keine absolute Temperaturkalibrierung, da es wichtiger ist, dass sie relative Temperaturänderung abtasten können.
  • Bezug nehmend auf 3A und 3B könnten in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Lehre die Temperatursensoren 30B und die Heizwiderstände 30A räumlich verteilt sein, um eine Wärmeverteilung vorzusehen, die umgekehrt zu der normalen betrieblichen Wärmeverteilung der FPA 10 ist. Insbesondere zeigt 3A ein exemplarisches Wärmeverteilungsprofil der FPA 10, wobei die Oberfläche der FPA 10 durch vier Bereiche A–D unterschiedlicher Wärmeableitung (d.h. A Watt, B Watt, etc.) charakterisiert ist. 3B zeigt das entsprechende Wärmeprofil aufgrund der Verteilung der Temperaturkompensation-Schaltungselemente 30. Nimmt man für dieses einfache Beispiel an, dass A Watt > B Watt > C Watt > D Watt gilt, dann erkennt man, dass die Temperaturkompensation-Schaltungselemente 30, in Übereinstimmung mit 3B, räumlich derart verteilt sind, dass ein Wärmeprofil erzeugt wird, das umgekehrt zu dem durch die betriebliche Leistungsableitung der FPA 10, wie in 3A gezeigt, erzeugten Wärmeprofil ist. Das Endergebnis ist, dass eine Kombination der 3A und 3B eine (idealerweise) gleichförmige Temperaturverteilung ohne die Erzeugung von unerwünschten Temperaturgradienten hervorruft, die den Betrieb der FPA 20 umgekehrt beeinflussen würden über der FPA 20.
  • Ein Vorteil der Ausführungsform der 3B ist, dass die Temperaturabtastelemente 30B nicht zwingend erforderlich sind, da das Stationärzustand-Wärmeprofil der FPA 10a priori bestimmt ist, und die Heizwiderstände 30A sind dementsprechend lokalisiert. Dieser Ansatz könnte jedoch nicht optimal sein, falls man hinsichtlich Temperaturänderungen der FPA 10 annehmen muss, dass sie während eines Betriebs auftreten, und/oder falls es gewünscht ist, Wärmelaständerungen bei Ankunftsszenen-Wärmeenergie („arriving scene thermal energy") zu kompensieren. Falls man erwartet, dass Temperaturänderungen auftreten, dann könnte es wünschenswert sein, auch die Temperatursensoren 30B vorzusehen.
  • Es liegt auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Lehre, lediglich Heizwiderstände 30A bei bestimmten Orten zu platzieren und die Heizwiderstands-/Temperatursensor-Schaltungselemente 30 bei anderen Orten zu platzieren, wo selbst die Existenz eines kleinen Temperaturgradientens nachteilig wäre. Es liegt auch innerhalb des Schutzbereichs dieser Lehre, den regulär gleichförmigen Abstand von Schaltungselementen 30 (oder nur die Heizwiderstände 30A) innerhalb einer oder mehrerer Flächen der ROIC 12 vorzusehen und zu gruppieren oder ansonsten einen ungleichmäßigen Abstand zwischen Schaltungselementen 30 innerhalb anderer Flächen (oder einer Fläche) des ROIC 12 vorzusehen.
  • Der Fachmann versteht, dass Änderungen hinsichtlich Form und Details der Lehre durchgeführt werden könnten, ohne den Schutzbereich dieser Erfindung zu verlassen, während die Erfindung im Zusammenhang mit den vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde.

Claims (16)

  1. Fokalebenengruppe, FPA, (20) aus Infrarot(IR-)Strahlungsdetektoren mit: einer aktiven Fläche (20A), die eine Vielzahl von IA-Strahlungsdetektoren aufweist; einer integrierten Ausleseschaltung, ROIC, (12), die mechanisch und elektrisch an die aktive Fläche gekoppelt ist; einer auf der ROIC angeordneten Vielzahl von Heizelementen (30A), die derart angeordnet sind und derart betrieben werden, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Temperatur zumindest über der aktiven Fläche bereitgestellt wird; und die gekennzeichnet ist durch: Regeleinheiten (40) zum Regeln der Heizelemente; wobei die Heizelemente und die Regeleinheiten angepasst sind, die Heizelemente derart zu betreiben, dass durch die Heizelemente ein Wärmeprofil erzeugt wird, welches entgegengesetzt zu dem Wärmeprofil ist, das als Ergebnis der betrieblichen Leistungsableitung in der FPA erzeugt wird.
  2. FPA nach Anspruch 1, die des Weiteren eine Vielzahl von Temperatursensoren (30B) aufweist, von denen individuelle räumlich zumindest einem der Heizelemente zugeordnet sind, um die Temperatur in der Nähe des zugeordneten Heizelements abzutasten, um einen geschlossenen Schleifenbetrieb des zugeordneten Heizelements zu ermöglichen.
  3. FPA nach Anspruch 2, wobei Paare der Heizelemente und zugeordnete Temperatursensoren im Wesentlichen auf eine gleichmä ßige Weise über zumindest eine erste Oberfläche der ROIC verteilt sind.
  4. FPA nach Anspruch 3, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche ist, die unter der aktiven Fläche liegt.
  5. FPA nach Anspruch 3, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche ist, die einer zweiten Oberfläche gegenüberliegt, die unter der aktiven Fläche liegt.
  6. FPA nach Anspruch 3, wobei Paare der Heizelemente und zugeordnete Temperatursensoren in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Wärmeprofil der FPA über zumindest eine erste Oberfläche der ROIC verteilt sind.
  7. FPA nach Anspruch 6, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche ist, die unter der aktiven Fläche liegt.
  8. FPA nach Anspruch 6, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche ist, die einer zweiten Oberfläche gegenüberliegt, die unter der aktiven Fläche liegt.
  9. FPA nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Heizelemente in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Wärmeprofil der FPA über zumindest eine erste Oberfläche des ROIC verteilt ist.
  10. FPA nach Anspruch 2, wobei die vielzähligen Heizelemente jeweils einen Siliziumwiderstand aufweisen, und wobei die vielzähligen Temperatursensoren jeweils einen Siliziumtemperatursensor aufweisen.
  11. FPA nach Anspruch 1, wobei die vielzähligen IR-Strahlungsdetektoren jeweils eine Mikrobolometerstruktur aufweisen.
  12. Verfahren zum Betreiben einer Fokalebenengruppe, FPA, (20) von Infrarot(IR-)Strahlungsdetektoren, das folgende Schritte aufweist: derartiges vorsehen des FPA, dass sie eine aktive Fläche (20A) aufweist, die eine Vielzahl von IR-Strahlungsdetektoren und eine integrierte Ausleseschaltung, ROIC, (12), die mechanisch und elektrisch an die aktive Fläche gekoppelt ist, aufweist, wobei die FPA eine ungleichförmige Wärmeverteilung während eines Betriebs zeigt; und während des Betriebs der FPA, Betreiben einer Vielzahl von Heizelementen (30A), die auf der ROIC derart angeordnet sind, dass sie eine im Wesentlichen gleichförmige Wärmeverteilung zumindest über der aktiven Fläche ermöglichen.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt eines Betreibens auch eine Vielzahl von Temperatursensoren (30B) betreibt, von denen individuelle räumlich zumindest einem der Heizelemente zugeordnet sind, um die Temperatur in der Nähe des zugeordneten Heizelements abzutasten, um einen geschlossenen Schleifenbetrieb des zugeordneten Heizelements zu ermöglichen.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Vielzahl von IR-Strahlungsdetektoren jeweils eine Mikrobolometerstruktur aufweist.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei Paare der Heizelemente und zugeordnete Temperatursensoren im Wesentlichen auf eine gleichförmige Weise über zumindest einer Oberfläche des ROIC verteilt sind.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei Paare der Heizelemente und zugeordnete Temperatursensoren in Übereinstimmung mit einem vorbestimmten Wärmeprofil der FPA über zumindest eine erste Oberfläche der ROIC verteilt sind.
DE60301305T 2002-02-26 2003-02-20 Verfahren und apparat zur temperaturkontrolle in einem focal plane array mit aktiven thermischen kontrollelementen Expired - Lifetime DE60301305T2 (de)

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