MONOLITHISCH INTEGRIERTER SIGNALVERARBEITUNG

Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Thermopile

Infrarot Sensorarray mit monolithisch integrierter

Signalverarbeitung und mehreren parallelen

Signalverarbeitungskanälen für die Signale von Pixeln eines Sensorarrays , sowie einem Digitalport zur seriellen Ausgabe der Signale der Pixel, wobei sich das Sensorarray auf einem oder mehreren Sensorchips befindet.

Um ein hochauflösendes Infrarot Thermopile Sensorarray aufzubauen, muss die Zahl der einzelnen Thermopile Elemente, d.h. die Anzahl der Pixel, steigen und die geometrischen Anmessungen der Pixel selbst sinken. Die ursprünglich auf dem Markt erhältlichen Thermopile Sensorarrays wiesen nur wenige Pixel auf (z.B. 8x8 Pixel oder 16x16 Pixel), wobei die einzelnen Pixel recht groß waren (z.B. 150...300 ym x 150...300 ym) . Damit war auf dem Sensorchip (z.B. aus

Silizium) ausreichend Platz, um einige wenige Verstärker oder Tiefpässe auf dem Chip neben dem Thermopile Sensorarray unterzubringen .

Derzeit übliche Thermopile Sensorarrays mit größeren

Pixelzahlen erfordern eine Reduzierung der Abmessungen der Pixel auf eine Seitenlänge von 100 ym, oder sogar bis herab zu 25ym. Die durch die steigende Integrationsdichte

kleineren Pixel haben aber den Nachteil, dass diese ein flächenproportional kleineres Signal erzeugen. Das bedeutet, dass bei einer halben Pixelgröße nur noch ein Viertel der

Signalstärke für die Weiterverarbeitung zur Verfügung steht.

Die somit immer niedrigeren Signalspannungen, die meist im nV-Bereich bis zu wenigen yV liegen, erfordern immer größere Verstärkungsfaktoren, damit Signale ohne zusätzliches

Rauschen oder sonstige Störeinflüsse außerhalb des

eigentlichen Sensorgehäuses weiter verarbeitet werden können. Die Folge ist allerdings ein immer geringerer

Signal-Rausch-Abstand . Die durch die niedrigen Signalspannungen notwendige

Signalverstärkung liegt mindestens bei einigen 1000, meist sogar über 10.000, um die Signalspannung soweit anzuheben, dass sie an andere Baugruppen weiter gegeben und weiter verarbeitet werden kann. Die zur Signalverstärkung

klassischerweise verwendeten Analogverstärker mit großer Verstärkung benötigen mehrstufige Verstärker mit relativ großem Flächenbedarf und darüber hinaus weisen diese

Verstärker einen beträchtlichen Stromverbrauch auf. Das bedeutet, dass die Verlustleistung und damit gleichzeitig die Eigenerwärmung ansteigen, was wiederum zu einer

Vergrößerung des Messfehlers des Thermopile Sensorarrays insgesamt führt. Mittlerweile sind Infrarot-Thermopile Sensorarrays, die mittels Silizium-Mikromechanik auf einem Chip hergestellt werden, in unterschiedlichen Ausführungsformen bekannt geworden. Bei diesen Sensorarrays findet ein Teil der

Signalverarbeitung auf dem Chip statt, aber es sind nur wenige Vorverstärker und ein gemeinsamer Multiplexer

vorhanden, der die Signale sämtlicher Pixel ausgibt. Die Thermopiles haben sogenannte „heiße" Kontakte auf einer zunehmend kleiner werdenden Infrarot Empfangsfläche und sogenannte „kalte" Kontakte auf einer Wärmesenke am Rand des jeweiligen Pixels. Die vom Thermopile erzeugte

Signalspannung hängt unmittelbar von der erreichbaren

Temperaturdifferenz zwischen den „heißen" und „kalten"

Kontakten ab. Beispielsweise sind bei einem Thermopile Sensorarray gemäß der WO 2006/122529 AI pro Zeile des Sensorarrays jeweils ein Vorverstärker und ein Tiefpass auf dem Chip integriert. Für hochauflösende Sensorarrays mit vielen Zeilen und Spalten ist das jedoch nicht ausreichend. Beispielsweise werden bei einem Array von 64x64 Pixeln nur 64 Vorverstärker und 64 Tiefpässe verwendet. Die erzielbare Rauschbandbreite wäre bis zu 64-fach höher als nötig. Da aber das Rauschen mit der Wurzel der Rauschbandbreite ansteigt, könnte das Rauschen um bis zu 8-fach reduziert, oder das thermische

Auflösungsvermögen um bis zu 8-fach verbessert werden.

Allerdings werden keine Maßnahmen für eine ström- und platzsparende Lösung für die Signalverstärkung pro

Signalkanal angegeben. Weiterhin geht aus der JP 2004-170375 A ein Thermopile

Sensorarray hervor, das nur einen einzigen Vorverstärker aufweist . In der DE 103 22 860 B4 wird eine Schaltungsanordnung zum Auslesen von elektronischen Signalen aus hochauflösenden thermischen Sensoren mit Vorverstärkern beschrieben, die sich vor einem Multiplexer befinden. Um die erhebliche

Verlustleistung der einzelnen parallel arbeitenden

Vorverstärker zu reduzieren, werden diese zur

Stromeinsparung zyklisch abgeschaltet.

Genau durch diese Maßnahme wird jedoch die gewünschte hohe Temperaturauflösung nicht erreicht, weil die Vorverstärker vor dem Multiplexer nur dann das erwartete Ergebnis bringen können, wenn gleichzeitig die Rauschbandbreite des

abgetasteten Signals proportional zur Zahl der parallelen Verstärkerkanäle reduziert wird. Das ist aber nicht möglich, wenn das verstärkte Signal über die Vorverstärker nicht kontinuierlich mittels Tiefpass zur Rauschbandbreitenbegrenzung „integriert", oder z.B. über einen Tiefpass, geglättet wird.

Aus der EP 2 587 234 AI geht ein Thermopile Infrarotsensor mit einer Schaltung zur Signalverarbeitung hervor, bei der die Signale der einzelnen Pixel ohne Bandbegrenzung, oder zwischengeschaltete Vorverstärker, weiter geleitet werden.

In sämtlichen vorstehenden Lösungen werden Thermopile

Infrarot Sensorarrays beschrieben, ohne jedoch Maßnahmen zur Signalverarbeitung bei höherer Integrationsdichte auf dem Chip vorzuschlagen. Insbesondere gibt es keine Vorschläge zur Verringerung der Rauschbandbereite bei gleichzeitig geringstem Platzbedarf und geringster Verlustleistung.

Die bekannten Lösungen weisen ein unzureichendes thermisches Auflösungsvermögen auf, weil nur ein einziger oder nur sehr wenige Vorverstärkerkanäle auf dem Sensorchip integriert worden sind, was zu einer hohen Rauschbandbreite und

gleichzeitig zu einem schlechten Signal/Rausch-Abstand führt .

Eine hohe Integrationsdichte erfordert, die Pixelgröße und den sogenannten Pixel Pitch, d.h. den Mittenabstand der Thermopile Pixel, zu verringern, um dadurch mehr Pixel auf gleicher Chipfläche unterzubringen. Zusätzlich sind neben einer hohen geometrischen Auflösung auch eine hohe

thermische Auflösung, d.h. ein großer Signal/Rausch/Abstand- und eine niedrige rauschbegrenzte Temperaturauflösung NETD (Noise Equivalent Temperature Difference) , wünschenswert.

Wegen der kleineren Empfangsfläche und wegen des dadurch bedingten geringen Abstandes zwischen den „heißen" und „kalten" Kontakten der Thermopile Pixel führt eine

Verringerung der Pixelgröße gleichzeitig auch zu einer

Verringerung des vom Thermopile Pixel abgegebenen

Sensorsignals, was zu einem geringeren Signal/Rausch- Abstand, schlechterem thermischen Auflösungsvermögen und zu einer verringerten Messgenauigkeit führt.

Prinzipiell ist es möglich, Thermopilezellen (Thermopile Pixel) in ihrer Größe zu verringern und immer größere

Pixelzahlen auf dem Sensorchip zu integrieren.

Beispielsweise werden 16x16, 32x32, 64x64, 128x128

Thermopile Pixel oder mehr auf einem Sensorchip realisiert. Die Signalspannungen der einzelnen Thermopile Pixel wären über eine m x n-Adressierung und MUX Schalter zu

multiplexen, d.h. auf eine gemeinsame, serielle

Signalleitung zu einem Verstärker pro Array, oder über eine gemeinsame serielle Schnittstelle pro Zeile oder Spalte, zu führen .

Da die minimal noch aufzulösenden Signale von Thermopile Pixeln mit weiter verringerter Pixelabmessung bei vielen Anwendungen noch im nV Bereich liegen, müssen die Signale noch auf dem Chip ausreichend hoch verstärkt und weiter bearbeitet werden, so dass sie von elektrischen

Störeinflüssen außer- und innerhalb des Sensorchips nicht beeinflusst werden können.

Verstärkungsfaktoren von typisch 10.000 oder mehr sind bei den bekannten Lösungen erforderlich, um die Sensorsignale solch kleiner Thermopile Pixel auf einige mV zu verstärken, damit die Sensorsignale nach dem MUX (Multiplexer ) auf einem schnellen seriellen Analogausgang aus dem Sensorchip

ausgegeben - oder von einem auf oder direkt neben dem

Sensorchip integrierten schnellen AD-Wandler in

Digitalsignale umgewandelt werden können. Der Nachteil hierbei ist, dass die Bandbreite dieser nach dem Multiplexer liegenden Vorverstärker sehr hoch sein muss, um die Sensorsignale vieler, nacheinander abgetasteter

Thermopile Pixel immer noch mit Bildfrequenzen von mehreren Hz bis zu mehreren 10 Hz zu übertragen.

Hierzu ist mindestens das m x n-fache der Bildfrequenz

(sogenannte Frame Rate) bei einem Vorverstärker pro Array, oder das m-fache der Bildfrequenz für ein Array mit m

Spalten und je einem Vorverstärker pro Spalte erforderlich. Mit der Wurzel der (Rausch-) Bandbreite steigt aber

gleichzeitig auch das Rauschen des Systems an und die

Temperaturauflösung NETD verschlechtert sich.

Stabil und genau arbeitende Verstärker mit großer

Verstärkung erfordern mehrere Verstärkerstufen, benötigen relativ viel Platz auf dem Sensorchip und weisen außerdem einen erheblichen Stromverbrauch mit entsprechend großer Abwärme auf, die wiederum die erreichbare Signalspannung der Thermopileelemente weiter verringert.

Aus diesem Grund ist es nicht möglich, auf dem eng

begrenzten Raum eines Sensorchips viele solcher großen

Verstärker neben den Pixeln unterzubringen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein

Thermopile Infrarot Sensorarray mit monolithisch

integrierter Signalverarbeitung und mehreren parallelen Signalverarbeitungskanälen anzugeben, das bei geringster Verlustleistung eine hohe Integrationsdichte aufweist und das zugleich thermisch und geometrisch hochauflösend ist.

Erreicht wird das bei einem hochauflösenden Thermopile

Infrarot Sensorarray der eingangs genannten Art dadurch, dass jeder Signalverarbeitungskanal (KI . . . KN) auf dem

Sensorchip (SP) oder in dessen Nähe angeordnet ist und mindestens einen Analog/Digital-Wandler (ADC) aufweist und dass jedem Signalverarbeitungskanal (KI . . . KN) ein

Speicherbereich in einem Speicher (RAM) zur Speicherung der Ergebnisse der Analog/digital-Wandler (ADC) zugeordnet ist.

Der Mittenabstand zwischen einzelnen Pixeln des Sensorarrays beträgt weniger als 300 ym und bevorzugt weniger als 100 ym.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedem Signalverarbeitungskanal mindestens ein Pixel und höchstens eine Anzahl von 16 oder 8 Pixeln, bevorzugt nur 4, 3 oder 2 Pixel und besonders bevorzugt ein Pixel, zugeordnet.

Weiterhin kann für jeden Signalverarbeitungskanal ein

Signalmultiplexer zur Auswahl der dem Signalverarbeitungskanal zugeordneten Pixel des Sensorarrays vorgesehen sein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem

Analog/Digital-Wandler in jedem Signalverarbeitungskanal ein Vorverstärker vorgeschaltet.

Die Vorverstärker weisen einen Verstärkungsfaktor auf, der bei weniger als 500 und besonders bevorzugt bei weniger als 100 liegt.

Der Analog/Digital-Wandler hat eine Auflösung zwischen mindestens 10 Bit und bevorzugt von mindestens 16 Bit, wobei der Analog/Digital-Wandler nach einem integrierenden

Verfahren, beispielsweise einem „Charge Balancing" oder einem „Delta-Sigma" Verfahren arbeitet.

In einer weiteren Fortführung der Erfindung enthält jeder Signalverarbeitungskanal einen Tiefpassfilter zur Begrenzung der Rauschbandbreite, dessen Grenzfrequenz mindestens das Produkt aus der Bildrate des Thermopile Infrarot

Sensorarrays und der Anzahl der Pixel pro

Signalverarbeitungskanal ist, vorzugsweise jedoch nicht höher als der doppelte oder der dreifache Betrag des

Produktes .

Schließlich kann der Tiefpassfilter Bestandteil eines integrierenden Analog/Digital-Wandlers sein.

Die Rauschbandbreite jedes Signalverarbeitungskanals

bestimmt sich in Abhängigkeit von der jeweiligen Bildrate durch Nutzung eines integrierenden Analog/Digital-Wandlers und die vorgegebene Wandelrate des beispielsweise nach dem „Charge-Balancing" Verfahren arbeitenden Analog/Digital- Wandlers .

Ein Teil der Signalverarbeitungskanäle ist bevorzugt jeweils im Zwischenraum zwischen den Pixeln, d.h. in der Nähe der Wärmesenke, angeordnet. Weiterhin ist es im Interesse einer gleichmäßigen Verteilung der entstehenden Verlustleistung von Vorteil, wenn mindestens ein Teil der Signalverarbeitungskanäle zusammen mit weiterer Elektronik in dem das Sensorarray umgebenden Bereich im äußeren Randbereich des Sensorchips angeordnet ist .

Schließlich können auf dem Sensorchip neben den

Signalverarbeitungskanälen und den Signalmultiplexern weitere elektronische Komponenten wie für die

Referenzspannung, die Spannungsversorgung, eine

Resetschaltung, eine Temperaturreferenz, ein

Referenzdatenspeicher, ein Taktgeber, ein I/O-Digitalport sowie eine digitale Signalverarbeitung (z.B. ein digitaler Controller) integriert sein.

Als Referenzdatenspeicher eignet sich besonders ein EEPROM oder ein Flash-Speicher.

In einer ganz besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens ein Teil der Signalverarbeitungskanäle unterhalb des Sensorchips mit den Sensorelementen auf einem separaten Chip angeordnet, wobei die elektrische Verbindung der Pixel mit den Signalverarbeitungskanälen oder/und weitere

elektronische Komponenten über Durchkontaktierungen durch den Sensorchip oder andere elektrische Verbindungsmittel, wie Umverdrahtungen, erfolgt, wobei der Thermopile Infrarot Sensorchip (SP) und der separate Chip (ROIC) fest

miteinander verbunden sind. Auf diese Weise lässt sich der Flächenbedarf des Sensorchips nochmals erheblich verringern.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungsfiguren zeigen

Fig. 1: den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen

Thermopile Infrarot Sensorarrays ;

Fig. 2: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung zur integrierten

Signalverarbeitung für Thermopile Infrarot Array Sensorchips mit Tiefpassfilter und je einem

Signalverarbeitungskanal pro Pixel;

Fig. 3: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung für die integrierte Signalverarbeitung für Thermopile Infrarot Array Sensorchips in einer zweiten Ausführungsform, bei der die Tiefpassfunktion in einem integrierten ADC (AD-Wandler) erfolgt; Fig. 4: ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Schaltungsanordnung zur integrierten

Signalverarbeitung für Thermopile Infrarot Array Chips in einer dritten Ausführungsform, bei der sich mehrere Pixel einen Signalverarbeitungskanal teilen, mit

Fig. 4a: Tiefpassfilter nach dem Vorverstärker und

Fig. 4b: einem integrierenden AD-Wandler, der die

Tiefpassfunktion übernimmt;

Fig. 5: ein Blockschaltbild einer weiteren

erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für die integrierte Signalverarbeitung für Thermopile

Infrarot Sensorarrays, bei der die Tiefpassfunktion in einem integrierenden AD-Wandler erfolgt;

Fig. 6a: eine schematische Schnittdarstellung eines

Sensorchips mit Durchkontaktierungen und einem unter diesem angeordneten separaten Chip mit in diesem integrierten Signalverarbeitungskanälen und weiterer Speicher- und Signalverarbeitungs- Elektronik; und Fig. 6b: die Anordnung nach Fig. 6a, jedoch ergänzt mit

einem Abdeckwafer mit einem

Strahlungseintrittsfenster und zusätzlichen

elektrischen Verbindungsmitteln, wie Bonddrähten zur Verbindung mit weiteren Funktionsbaugruppen zum Betrieb des Thermopile Infrarot Sensorarrays.

Aus Fig. 1, 2 ist der grundsätzliche Aufbau eines

erfindungsgemäßen Thermopile Infrarot Sensorarrays mit einem im Zentrum des Sensorchips angeordneten Thermopile Infrarot Sensorarray TPA in Matrixform mit m x n Pixeln SE 1.1 ... SE l.n x SE ml .1 ... SE m, n ersichtlich. Um die Pixel SE bzw. um das Pixelfeld herum befinden sich bevorzugt auf zwei Seiten m x (n/2) / a Signalverarbeitungskanäle KI . . . KN auf dem gleichen Sensorchip SP, welche die Signale der einzelnen Pixels SE verstärken, filtern und in digitale Signale umwandeln. Jeweils eine Anzahl von a Pixeln teilt sich hier einen Signalverarbeitungskanal KI . . . KN .

Prinzipiell können auch sämtliche Signalverarbeitungskanäle auf einer Seite des Pixelfeldes liegen, wobei das Thermopile Infrarot Sensorarray dann eine asymmetrische Wärmeverteilung aufweist .

Wesentlich für die Funktion von Thermopiles ist, dass diese „heiße" und „kalte" Kontakte aufweisen, die über möglichst lange Leitbahnen miteinander verbunden sind, d.h. möglichst weit voneinander entfernt angeordnet sind und wobei die „heißen" Kontakte auf einem Strahlungsempfänger (nicht dargestellt) und die „kalten" Kontakte auf einer Wärmesenke am Rand des Pixels angeordnet sind, um eine auswertbare Signalspannung in Abhängigkeit vom Temperaturunterschied zwischen den „heißen" und „kalten" Kontakten zu erzeugen.

Jedes Pixel SE des Thermopile Infrarot Sensorarrays TPA enthält eine an sich bekannte miniaturisierte

Thermopilezelle und über jeder Thermopilezelle optional ein Strahlungseintrittsfenster mit einer geeigneten Optik. Die einzelnen Thermopilezellen haben einen Mittenabstand

(sogenanntes Pixel Pitch) von höchstens 400 ym, bevorzugt weniger als 200 ym und besonders bevorzugt von weniger als 100 ym. Je geringer der Pixel Pitch, desto kleiner wird das gesamte Thermopile Infrarot Sensorarray Chip und auch die Dimension der erforderlichen Optik zur Abbildung der

Infrarotstrahlung auf dem Pixel SE verringert sich bei gleicher Pixelzahl. Eine Verringerung der Chip- und

Optikabmessungen führt üblicherweise auch zu geringeren Fertigungskosten .

Optional erlaubt ein geringerer Pitch mehr Pixel SE auf einem Sensorchip vorgegebener Größe unterzubringen, um somit ein höheres optisches Auflösungsvermögen zu erreichen.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für die integrierte Signalverarbeitung für Thermopile Infrarot Sensorarrays TPA mit spiegelbild ^¬ lichem Aufbau, mit einem zentralen Thermopile Infrarot

Sensorarray TPA mit einem Vorverstärker VV, einem

nachgeschalteten Tiefpassfilter TPF und einem

Analog/Digital-Wandler ADC je Signalverarbeitungskanal

KI . . . KN auf zwei Seiten des Sensorarrays TPA pro Pixel SE . Die Ausgänge der Analog/Digital-Wandler ADC sind mit einem Speicherfeld RAM verbunden, das über eine Steuerschaltung CRTL ausgelesen werden kann, so dass die digitalen

Ausgangssignale an einem digitalen Eingangs- und

Ausgangsport DIO zur Weiterverarbeitung zur Verfügung stehen .

Weiterhin befinden sich auf jedem Sensorchip SP die für den Betrieb nötigen Baugruppen, wie Taktgeber CLK und für die nötige Spannungsversorgung VDD, VSS und eine oder mehrere Referenzspannungen VREF oder REF/PTAT und auch zusätzliche ESD Schaltblöcke verfügen. Erfindungsgemäß ist eine große Anzahl von individuellen

Signalverarbeitungskanälen KI . . . KN auf oder unter demselben Sensorchip SP integriert, wobei sich eine Anzahl a von höchstens 16 oder 8 Pixel SE einen Signalverarbeitungskanal KI . . . KN teilt, bevorzugt teilen sich jedoch nur jeweils a = 4, 3 oder 2 Pixel SE einen Signalverarbeitungskanal.

Die entsprechende Anzahl a an Pixeln SE ist über Multiplexer MUX, oder Bereiche eines Multiplexers MUX auf den jeweilig zugeordneten Signalverarbeitungskanal KI . . . KN geschaltet (Fig. 4a) . Besonders bevorzugt besitzt jedes Pixel einen eigenen Signalverarbeitungskanal KI . . . KN (d.h. a = 1); siehe Fig. 3 und Fig. 4b) . Dann wird die geringste

Rauschbandbreite und damit das geringste Rauschen und die beste Temperaturauflösung erreicht. Außerdem kann dann auf die Multiplexer vor dem Signalverarbeitungskanal KI . . . KN verzichtet werden (Fig. 2) .

Da sich aber durch mehr Signalverarbeitungskanäle KI . . . KN auch Platzbedarf und Verlustleistung erhöhen, kann es vor allem bei Sensorarrays TPA mit sehr viel Pixeln unter

Berücksichtigung von thermischer Auflösung und Platzbedarf auch sinnvoll sein, a > 1 zu wählen.

Um möglichst viele Signalverarbeitungskanäle KI . . . KN auf dem Chip unterzubringen, muss sowohl der Flächenbedarf, als auch die Verlustleistung der einzelnen Kanäle sehr gering sein, um Chipgröße und Kosten, aber auch thermisches Übersprechen zwischen den Thermopile Pixel SE des Sensorarrays TPA gering zu halten. Um das zu erreichen, werden Signalverarbeitungskanäle KI . . . KN mit jeweils nur einem kleinen rauscharmen Vorverstärker VV mit einem vergleichsweise geringen Verstärkungsfaktor, d.h. kleiner 500-fach und ein langsamer stromsparender

Analog/Digital-Wandler ADC mit hoher Auflösung, d.h. mit mindestens 10 Bit, eingesetzt.

Bevorzugt handelt es sich um Vorverstärker VV mit einem Verstärkungsfaktor von kleiner als 100-fach und die

Auflösung des Analog/Digital-Wandlers ADC sollte

vorzugsweise bei 16 bis 24 Bit liegen.

Durch die Kombination eines Vorverstärkers VV mit geringem Verstärkungsfaktor und eines langsamen Analog/Digital- Wandlers ADC mit hoher Auflösung wird ein geringer

Flächenbedarf infolge des geringen Verstärkungsfaktors gewährleistet. Außerdem wird ein geringer Stromverbrauch infolge des zwar hochauflösenden aber vergleichsweise mit geringer Übertragungsrate arbeitenden Analog/Digital-Wandler ADC sicher gestellt.

Darüber hinaus ist die Verwendung eines hoch auflösenden Analog/Digital-Wandlers ADC ohne Verwendung eines

Vorverstärkers VV denkbar. Eine geringe Differenz der positiven und negativen Referenzspannung VREF der

Analog/Digital-Wandler ADC ist vorteilhaft, weil dadurch die Temperaturauflösung vergrößert wird.

Als Vorverstärker VV eignen sich z.B. sogenannte Auto-Zero (switched Chopper-) Verstärker, die sich durch geringe

Offsetspannungen und Offsetspannungsdriften auszeichnen. Bei einem Verstärkungsfaktor < 100...500 kann ein

Chopperverstärker einstufig und damit besonders platz- und stromsparend aufgebaut werden.

Für langsame Analog/Digital-Wandler ADC mit hoher Auflösung eignen sich beispielsweise das „Sigma/Delta"-Verfahren, oder das „Charge-Balancing"-Verfahren . Da sehr viele

Analog/Digital-Wandler ADC auf dem Sensorchip SP parallel arbeiten, ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen

Thermopile Infrarot Sensorarrays mit nur einem

Analog/Digital-Wandler ADC am Ausgang eine geringe

Wandelrate, was zu der geforderten niedrigen Verlustleistung und dem geringenm Platzbedarf führt, wie das an einem 64x64 Sensorarray TPA erklärt werden kann. Nach dem „Sigma/Delta"-Verfahren, bzw. dem „Charge- Balancing"-Verfahren arbeitende Analog/Digital-Wandler sind in der Fachwelt bekannte und übliche Wandler.

Ein nach dem Stand der Technik aufgebautes Sensorarray mit 64x64 Pixeln mit nur einem Analog/Digital-Wandler benötigt bei einer Bildrate von 15 Hz eine Wandelrate des

Analog/Digital-Wandlers ADC von 64x64 Pixel x 15 Hz = 61.440 Hz .

Bei den gemäß der Erfindung parallel arbeitenden

Analog/Digital-Wandlern ADC ist eine Wandelrate von

lediglich 15 Hz (bei a = 1) oder 60 Hz (bei a = 4)

erforderlich. Das ermöglicht die Realisierung von

Analog/Digital-Wandlern ADC mit hoher Auflösung (z.B. 16 Bit und mehr) mit sehr geringem Strom- und Platzverbrauch.

Die digitalisierten Signale jedes Signalverarbeitungskanales KI...KN können in einem Speicherfeld eines Speichers RAM zwischengespeichert werden, bevor sie zum seriellen

Ausgangs-Datenstrom eines I /O-Digitalports DIO

weitergeschaltet werden. Dadurch kann das Zeitregime zum Auslesen der Daten über den Digitalport DIO so gewählt werden, dass die gesamte Zeit eines Bildes für die

Integration und Tiefpassfilterung der Pixelsignale zur

Verfügung steht.

Die Rauschbandbreite der Signalverarbeitungskanäle KI...KN sollte bevorzugt auf die minimal notwendige reduziert werden, die sich aus dem Produkt der Zahl der Pixel SE pro Signalverarbeitungskanal Ki ... KM und der Bildfrequenz des Sensorarrays TPA (frame rate) ergibt. Das kann einfach dadurch realisiert werden, dass vor dem

Analog/Digital-Wandler ADC ein Tiefpassfilter TPF integriert wird, was beispielsweise als Teil des Vorverstärkers VV, oder als zusätzlicher Tiefpassfilter TPF möglich ist. In den Fig. 3 und Fig. 4b ist eine besonders Platz sparende Variante dargestellt, bei der die Reduzierung der

Rauschbandbreite in besonders bevorzugter Weise durch das Integratorverhalten eines geeigneten Analog/Digital-Wandlers ADC, z.B. eines nach dem Charge Balancing Verfahren

arbeitenden Analog/Digital-Wandlers ADC, erreicht wird. Mit der vorstehend beschriebenen neuen Signalverarbeitung wird eine deutliche Verbesserung der Performance insgesamt erreicht .

Das Rauschen nimmt im Falle von weißem Rauschen bekanntlich mit der Wurzel der Signal- bzw. Rausch-Bandbreite des

Vorverstärkers VV zu. Bei der Verwendung eines 64 x 64

Sensorarrays nach dem Stand der Technik würde die

Rauschbandbreite um das 64x64-fache der Bildrate (frame rate) bei nur einem Vorverstärker VV zunehmen und immer noch um das 64-fache bei einem Signalverstärker pro Spalte.

Folglich würde das Gesamtrauschen und die

Temperaturauflösung eines 64x64 Sensorarrays mit einem

Vorverstärker VV um das 64-fache und bei 64

Spaltenverstärkern immer noch um etwa das 8-fache höher liegen, als bei einem Array, bei dem jedes Pixel einen eigenen Signalkanal hat.

Damit kann beispielsweise ein erfindungsgemäßes 64x64

Sensorarray TPA ein bis zu 8-fach höheres thermisches

Auflösungsvermögen erreichen als bekannte, nach dem Stand der Technik aufgebautes Sensorarrays. Nach gleicher

Betrachtungsweise ergibt sich eine mögliche Verbesserung des thermischen Auflösungsvermögens um das 4-fache bei einem erfindungsgemäßen 16x16 Sensorarray TPA, um das 5,5-fache bei einem 32x32 Sensorarray TPA und um das 11-fache bei einem 128x128 Sensorarray TPA.

Würde bei einem 128x128 Sensorarray TPA die Zahl der

Signalverarbeitungskanäle reduziert und würden sich z.B. a = 16 Pixel einen Signalverarbeitungskanal teilen, würden statt einer 11-fachen Verbesserung des thermischen

Auflösungsvermögens immer noch eine 3-fach Verbesserung des Signal/Rausch-Abstandes gegenüber der WO 2006/122529 AI und gegenüber dem sonstigen Stand der Technik mit nur einem Signalübertragungskanal um das 32-fache erreicht werden. Die erfindungsgemäß gestalteten Signalverarbeitungskanäle

KI . . . KN können sowohl im Randbereich der einzelnen Pixel SE, wie in Fig. 5 dargestellt, im peripheren Randbereich des Sensorchips SP, d.h. außerhalb der Pixel, oder auf beiden Gebieten verteilt angeordnet werden. Um eine gute thermische Balance und damit ein homogenes Thermobild über den gesamten Sensorchip SE zu erreichen, sollten die Verlustleistungen der verschiedenen Baugruppen möglichst homogen und symmetrisch auf dem Sensorchip SE verteilt sein.

Neben den eigentlichen Signalverarbeitungskanälen Ki ... K _M und den Multiplexern MUX können weitere Elektronikkomponenten mit auf dem Sensorchip integriert und über die Multiplexer MUX auf die digitale Schnittstelle geschaltet werden (vgl. Fig. 1 und Fig. 5) . Diese weiteren Elektronikkomponenten können Temperaturreferenzen, Spannungsreferenzen,

Speichermittel (z.B. EEPROMs zur Speicherung von

Kalibrierdaten) , gegebenenfalls auch kleine yController, z.B. zur weiteren Signalaufbereitung oder

Temperaturberechnung, sein.

Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass Zusatzinformationen REF/PTAT, wie beispielsweise die Signale von Bildpixeln oder Bildelementen, die über denselben Signalverarbeitungskanal mit dem seriellen Datenstrom eingefügt werden, um

Drifteffekte zu kompensieren und dadurch die Messgenauigkeit zu erhöhen. Die Einstellung der für die jeweilige Bildrate günstigsten Rauschbandbreite kann bei der Nutzung eines integrierenden Analog/Digital-Wandlers ADC über den intern erzeugten

Muttertakt und die durch das Taktregime vorgegebene

Wandelrate vorgegeben werden.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die

Signalverarbeitungskanäle KI...KN auch auf einem separaten Chip ROIC, unterhalb des eigentlichen Sensorchips SP angeordnet sein können (Fig. 6a, 6b) .

Fig. 6a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Sensorchips SP mit Durchkontaktierungen TSV und einem unter diesem angeordneten separaten Chip ROIC mit in diesem integrierten Signalverarbeitungskanälen KI...KN und der weiteren Speicher- und Signalverarbeitungs-Elektronik wie vorstehend beschrieben. Die Durchkontaktierungen TSV sind mit einem leitfähigen Material gefüllte Durchgangsöffnungen durch den Sensorchip SP, die gegenüber dem Sensorchip SP isoliert sind und die an den Enden jeweils mit nicht

dargestellten Leitbahnen auf dem Sensorchip SP bzw. dem separaten Chip ROIC verbunden sind. Es versteht sich, dass auch zwischen dem Sensorchip SP und dem separaten Chip RIOC eine mechanisch feste Verbindung bestehen muss. Aus Fig. 6b geht die gleiche Anordnung wie in Fig. 6a hervor, jedoch ergänzt mit einem Abdeckwafer CAP auf dem Sensorchip SP mit einem Strahlungseintrittsfenster SEF. Das Abdeckwafer CAP kann insgesamt aus einem für Infrarot durchlässigen Material bestehen, oder lediglich einen derartigen Bereich über dem Sensorarray TPA aufweisen.

Weiterhin können zusätzliche elektrische Verbindungsmittel, wie Bonddrähte BD zur Verbindung des Sensorchips SP mit weiteren Funktionsbaugruppen auf einer Leiterplatte o.dgl. die zum Betrieb des Thermopile Infrarot Sensorarrays TPA benötigt werden, vorgesehen sein.

Anstelle der Durchkontaktierungen TSV zur elektrischen

Verbindung zwischen Sensorchip SP und dem separatem Chip ROIC kommen auch Umverdrahtungen in Betracht, bei denen Leitbahnen um den Seitenrand vom Sensorchip SP zum separaten Chip ROIC geführt werden.

Bezugzeichenliste

TPA Sensorarray

VV Vorverstärker

TPF Tiefpassfilter

ADC Analog/Digital-Wandler

KI...KN Signalverarbeitungskanal SE Pixel

SP Sensorchip

RAM Speicherfeld

CRTL Steuerschaltung

DIO Digitalport

CLK Taktgeber

VREF Referenzspannung

VDD Drainspannung

VSS Sourcespannung

MUX Multiplexer

REF/PTAT Temperaturreferenz

a Anzahl Pixel

TSV Durchkontaktierung

ROIC separates Chip

CAP Abdeckwafer

SEF Strahlungseintrittsfenster

BD Bonddraht