一种具有大电荷处理能力的读出电路及红外热成像仪的制作方法

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1.本发明属于红外热成像技术领域，特别涉及一种具有大电荷处理能力的读出电路及红外热成像仪。

背景技术：

2.红外焦平面探测器组件是获取目标景物红外热辐射信息的重要光电器件，是红外热成像仪的重要组成部分。红外焦平面探测器组件的核心部件是红外焦平面探测器芯片组。红外焦平面探测器芯片组由红外焦平面阵列（focal plane array，fpa）芯片和读出电路芯片通过铟柱倒装互连形成。其中读出电路芯片的基本功能是对红外探测器阵列芯片的各像元转换的电学信号进行前置放大处理，然后通过一个或多个输出缓冲器（也称为多路传输器，multiplexer）串行读出。
3.典型的读出电路主要由m
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n输入级单元电路阵列、列级采样-保持电路、行和列级移位寄存器及输出放大级等几部分组成。为了获得目标热辐射的动态连续分布信息，高性能读出电路通常采用快照（snapshot）积分模式，在输入级单元电路内通过积分电容对光敏电流进行积分处理。
4.红外探测器的信噪比遵循以下规律：在背景辐射一定，光电流相对不变的条件下，积分电荷量越大，积分时间越长，红外探测器的信噪比值越大，红外热成像仪的温度灵敏度性能越高。
5.通常情况下，积分电容占据了读出电路输入级单元约70%～80%的面积，是读出电路设计时的首要考虑因素。因为mos电容有较高的单元电容值，现有读出电路输入级单元的通常使用mos电容作为积分电容。然而，在有限像元面积内，积分电容的面积占比较大的情况下，难以进一步提升红外热成像仪的温度灵敏度性能。

技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供一种具有大电荷处理能力的读出电路及红外热成像仪。
7.本发明的第一方面，提供一种具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，包括：多个像素级单元电路和多个列级积分器，所述多个像素级单元电路以矩阵形式排列，所述多个列级积分器与所述矩阵中的多个列的像素级单元电路分别对应；所述像素级单元电路包括红外探测模块、积分电容模块、第一mos管和第二mos管；所述红外探测模块用于将红外光转换为电流，并在第一mos管导通时，将电流输入积分电容模块进行积分处理，获得积分后的电荷；所述积分电容模块用于在第二mos管导通时，将积分后的电荷转移至所述列级积分器；所述列级积分器包括轨到轨运算放大器、第三mos管、第四mos管和列级积分电容；所述积分电容模块的输出端与所述轨到轨运算放大器的负极输入端相连，所述列
级积分器用于在所述第三mos管导通时使列级积分电容复位，并通过所述列级积分电容接收所述积分后的电荷，获得电压信号，并在所述第四mos管导通时输出所述电压信号。
8.在一种可能的实现方式中，红外探测模块包括n-on-p型红外探测器，或p-on-n型红外探测器。
9.在一种可能的实现方式中，在所述红外探测模块为所述n-on-p型红外探测器的情况下，所述轨到轨运算放大器的正极的参考电压为电源电压。
10.在一种可能的实现方式中，在所述红外探测模块为所述p-on-n型红外探测器的情况下，所述轨到轨运算放大器的正极的参考电压为接地电压。
11.在一种可能的实现方式中，所述积分电容模块包括并联连接的mos电容和mim电容，且所述mim电容和所述mos电容采用上、下立体版图的布局方式。
12.在一种可能的实现方式中，所述像素级单元电路的电荷处理能力通过公式qmax=vdda
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(c_mos+ c_mim)表示，其中，qmax为积分后的电荷的最大值，vdda为电源电压，c_mos为所述mos电容的电容值，c_mim为所述mim电容的电容值。
13.在一种可能的实现方式中，在所述第三mos管导通后，所述第一mos管导通结束，在所述第一mos管导通结束后，所述第二mos管导通，在所述第二mos管导通结束后，所述第四mos管导通。
14.在一种可能的实现方式中，所述第三mos管和所述列级积分电容并联，且跨接在所述轨到轨运算放大器的负极输入端和输出端之间。
15.在一种可能的实现方式中，所述轨到轨运算放大器包括至少一组nmos差分对结构和至少一组pmos差分对结构。
16.本发明的第二方面，提供红外热成像仪，所述红外热成像仪包括：红外焦平面阵列芯片以及所述具有大电荷处理能力的读出电路。
17.根据本发明的实施例的具有大电荷处理能力的读出电路，将用于复位的第三mos管移至像素级单元电路之外，并通过运放的性能对像素级单元电路内的积分电容模块进行间接复位，减少了像素级单元电路中的晶体管数量，使得像元面积内容纳积分电容模块的面积最大化，并使用并联连接且采用上、下立体版图的布局方式的mos电容和mim电容的作为积分电容，从而提高了探测器像元的积分电荷量，有利于提升红外成像仪的温度灵敏度性能。并且，使用轨到轨运算放大器和列级积分电容可将积分后的电荷完全转换为电压信号，且在全电压范围内实现高线性度，提升了读出电路及红外热成像仪的性能。
18.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，图1为本发明提供的像素级单元电路的示意图；
图2为本发明提供的列级积分器的示意图；图3为本发明提供的轨到轨运算放大器的示意图；图4为本发明提供的信号时序图；图5为本发明提供的红外热成像仪的示意图。
具体实施方式
20.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在一种可能的实现方式中，为了进一步提升红外热成像仪的温度灵敏度性能，本发明提供一种具有大电荷处理能力的读出电路，所述具有大电荷处理能力的读出电路包括：多个像素级单元电路和多个列级积分器，所述多个像素级单元电路以矩阵形式排列，所述多个列级积分器与所述矩阵中的多个列的像素级单元电路分别对应；所述像素级单元电路包括红外探测模块、积分电容模块、第一mos管和第二mos管；所述红外探测模块用于将红外光转换为电荷，并在第一mos管导通时，将电荷输入积分电容模块进行积分处理；所述积分电容模块用于在第二mos管导通时，将积分后的电荷转移至所述列级积分器；所述列级积分器包括轨到轨运算放大器、第三mos管、第四mos管和列级积分电容；所述积分电容模块的输出端与所述轨到轨运算放大器的负极输入端相连，所述列级积分器用于在所述第三mos管导通时使列级积分电容复位，并通过所述列级积分电容接收所述积分后的电荷，获得电压信号，并在所述第四mos管导通时输出所述电压信号。
22.根据本发明的实施例的具有大电荷处理能力的读出电路，将用于复位的第三mos管移至像素级单元电路之外，并通过运放的性能对像素级单元电路内的积分电容模块进行间接复位，减少了像素级单元电路中的晶体管数量，使得像元面积内容纳积分电容模块的面积最大化，从而提高了探测器像元的积分电荷量，有利于提升红外成像仪的温度灵敏度性能。并且，使用轨到轨运算放大器和列级积分电容可将积分后的电荷完全转换为电压信号，且在全电压范围内实现高线性度，提升了读出电路及红外热成像仪的性能。
23.图1为本发明提供的像素级单元电路的示意图，所述像素级单元电路包括红外探测模块、积分电容模块、第一mos管m1和第二mos管m2，红外探测模块与第一mos管m1的源极相连，积分电容模块与第一mos管m1的漏极和第二mos管m2的源极相连，第二mos管m2的漏极为像素级单元电路的输出端out1，第一mos管m1的栅极接入信号int，第二mos管m2的栅极接入读取信号read。红外探测模块用于将红外光转换为电流，即，光敏电流，并在第一mos管m1导通的情况下，流入积分电容模块进行积分处理，例如，在第一mos管m1的栅极的信号int为高电平的情况下，第一mos管m1导通，使得积分电容模块可对光敏电流进行积分处理。进一步地，可在第二mos管m2导通时，将积分后的电荷转移至列级积分器，即，转移至与所述像素级单元电路所在列对应的列级积分器，例如，在第二mos管m2的栅极的读取信号read为高电平的情况下，第二mos管m2导通，积分后的电荷可通过像素级单元电路的输出端out1输出至
列级积分器。
24.在一种可能的实现方式中，如图1所示，红外探测模块包括n-on-p型红外探测器，或p-on-n型红外探测器。如果使用n-on-p型红外探测器，则n-on-p型红外探测器的n极连接第一mos管m1的源极，n-on-p型红外探测器的p极连接公共电极subpv。如果使用p-on-n型红外探测器，则p-on-n型红外探测器的p极连接第一mos管m1的源极，p-on-n型红外探测器的n极连接公共电极subpv。
25.在一种可能的实现方式中，如图1所示，所述积分电容模块包括并联连接的mos电容c_mos和mim电容c_mim，且所述mim电容和c_mim采用上、下立体版图的布局方式。即，在设置两个电容的位置时，可使两个电容在竖直方向上并列设置，从而进一步减小两个电容的占用面积，增大积分电容的面积，提升积分电荷量，从而提升红外成像仪的温度灵敏度性能。积分电容模块的两个电容的一端接地，另一端与第一mos管m1的漏极和第二mos管m2的源极连接。
26.图2为本发明提供的列级积分器的示意图。如图2所示，列级积分器包括轨到轨运算放大器a、第三mos管m3、第四mos管m4和列级积分电容c3。其中，积分电容模块的输出端out1与轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-相连，轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+接入参考电压vref。
27.在一种可能的实现方式中，如图2所示，所述第三mos管m3和所述列级积分电容c3并联，且跨接在所述轨到轨运算放大器的负极输入端vin-和输出端之间。第四mos管m4设置在轨到轨运算放大器a的输出端与列级积分器的输出端之间。
28.在一种可能的实现方式中，列级积分电容c3在第三mos管m3导通时复位，在示例中，第三mos管m3的栅极接入复位信号rst1，rst1在高电平时，可使得第三mos管m3导通，使得列级积分电容c3复位。例如，在复位过程中，列级积分电容c3释放电极两端电荷，例如，释放上一个像素级单元电路导入的电荷，并准备接收本次像素级单元电路导入的电荷。
29.在一种可能的实现方式中，列级积分电容c3可接收积分电容模块导入的电荷，从而使得列级积分电容c3两端形成电势差，获得电压信号。并且，通过列级积分电容c3将电荷转换为电压信号，提升了电压信号的线性度。进一步地，所述电压信号可在第四mos管导通时输出，在示例中，第四mos管的栅极接入信号col_sw，可在信号col_sw为高电平时，第四mos管导通，并使得列级积分器的输出端out输出所述电压信号，例如，输出至芯片级输出总线。在输出电压信号后，可进行接收下一个像素级单元电路的电荷、转换为电压信号以及输出电压信号的过程。
30.在一种可能的实现方式中，轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+接入的参考电压vref可根据红外探测模块的类型来确定。在所述红外探测模块为所述n-on-p型红外探测器的情况下，所述轨到轨运算放大器的正极的参考电压可设置为电源电压。在所述红外探测模块为所述p-on-n型红外探测器的情况下，所述轨到轨运算放大器的正极的参考电压可设置为接地电压。
31.在一种可能的实现方式中，在每个像素级单元电路进行电荷积分前，可对积分电容模块和列级积分电容c3进行复位，如上所述，第三mos管m3导通时，可使列级积分电容c3复位，同时，轨运算放大器a的正极输入端vin+与负极输入端vin-的电压相等或近似，因此，正极输入端vin+处的电压约等于参考电压vref，使得第二mos管m2导通时，积分电容模块与
负极输入端vin-的电势差约等于参考电压vref，从而实现对积分电容模块的复位。
32.在示例中，如果红外探测模块为p-on-n型红外探测器，则轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+的参考电压为接地电压gnda，使得负极输入端vin-的电压也为接地电压gnda。在第一mos管导通后，p-on-n型红外探测器的光敏电流可对积分电容模块的mos电容c_mos和mim电容c_mim进行充电，使积分电容模块达到或接近电源电压vdda，在第二mos管导通后，由于轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-的电压等于或接近接地电压gnda，因此，积分电容模块与轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-的电势差等于或约等于电源电压vdda，从而使得积分电容模块内积分后的电荷转移至列级积分器，例如，列级积分器中的列级积分电容c3，形成电压信号，并使得积分电容模块的电压复位至接地电压gnda。
33.在示例中，如果红外探测模块为n-on-p型红外探测器，则轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+的参考电压为电源电压vdda，使得负极输入端vin-的电压也为电源电压vdda。在第一mos管导通后，n-on-p型红外探测器的光敏电流可将电压等于或约等于电源电压vdda的积分电容模块的mos电容c_mos和mim电容c_mim中的电荷进行泄放，例如，泄放至达到或接近地电压gnda，在第二mos管导通后，由于轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-的电压等于或接近电源电压vdda，因此，积分电容模块与轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-的电势差等于或约等于电源电压vdda，从而使得积分电容模块内积分后的电荷转移至列级积分器，例如，列级积分器中的列级积分电容c3，形成电压信号，并使得积分电容模块的电压复位至电源电压vdda。
34.在一种可能的实现方式中，根据以上复位及积分过程，所述像素级单元电路的电荷处理能力通过公式（1）表示，qmax=vdda
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(c_mos+c_mim)（1）其中，qmax为积分后的电荷的最大值，即，以电源电压vdda为积分电容模块的电压，进行积分获得的电荷量。vdda为电源电压，c_mos为所述mos电容的电容值，c_mim为所述mim电容的电容值。
35.在一种可能的实现方式中，为了提升像素级单元电路的电荷处理能力，提升积分后的电荷的最大值，可使得轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+与负极输入端vin-的电压接近或几乎相等，从而使得像素级单元电路的电荷处理能力几乎能够达到上述积分后的电荷的最大值qmax。
36.图3为本发明提供的轨到轨运算放大器的示意图。如图3所示，所述轨到轨运算放大器a包括至少一组nmos差分对结构和至少一组pmos差分对结构。在示例中，至少一组nmos差分对结构包括nmos管mn1和mn2组成的差分对结构，nmos管mn3和mn4组成的差分对结构，以及nmos管mn5和mn6组成的差分对结构。其中，轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+为nmos管mn1的栅极，轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-为nmos管mn2的栅极。nmos管mn5和mn6的栅极连接nmos管mn3的漏极，nmos管mn5和mn6的源极接地。nmos管mn3和mn4的栅极接入偏置电压vbias5。nmos管mn3的源极连接nmos管mn5的漏极，nmos管mn4的源极连接nmos管mn6的漏极。nmos管mn4的漏极连接轨到轨运算放大器a的输出端vout。
37.在示例中，至少一组pmos差分对结构包括pmos管mp1和mp2组成的差分对结构，pmos管mp3和mp4组成的差分对结构，以及pmos管mp5和mp6组成的差分对结构。其中，pmos管mp1的栅极连接轨到轨运算放大器a的正极输入端vin+，pmos管mp2的栅极连接轨到轨运算
放大器a的负极输入端vin-，pmos管mp1和mp2的源极连接nmos管mn7的漏极，nmos管mn7的栅极接入偏置电压vbias2，nmos管mn7的源极接地。pmos管mp1和mp2的漏极连接pmos管mp7的源极，pmos管mp7的栅极接入偏置电压vbias1，pmos管mp7的漏极接入电源电压vdda。pmos管mp3和mp4的栅极接入偏置电压vbias3，漏极接入电源电压vdda，pmos管mp3的源极与pmos管mp5的漏极以及nmos管mn2的漏极连接，pmos管mp4的源极与pmos管mp6的漏极以及nmos管mn1的漏极连接。pmos管mp5和mp6的栅极接入偏置电压vbias4，pmos管mp5的源极与nmos管mn3的漏极以及nmos管mn5和mn6的栅极连接，pmos管mp6连接轨到轨运算放大器a的输出端vout。
38.在一种可能的实现方式中，基于以上连接关系，由于nmos差分对结构的输入共模电压，使得参考电压为电源电压时，轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-可等于或非常接近电源电压。由于pmos差分对结构的输入共模电压，使得参考电压为接地电压时，轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-可等于或非常接近接地电压。
39.图4为本发明提供的信号时序图。如图4所示，接入第三mos管m3的复位信号rst1最先升至高电平，在复位信号rst1下降为低电平后，接入第一mos管m1的信号int升至高电平，在信号int下降为低电平后，接入第二mos管m2的信号read升至高电平，在信号read下降为低电平后，接入第四mos管m4的信号col_sw升至高电平。
40.在一种可能的实现方式中，基于上述信号的时序，使得各个mos管的导通顺序如下：在所述第三mos管导通后，所述第一mos管导通结束，在所述第一mos管导通结束后，所述第二mos管导通，在所述第二mos管导通结束后，所述第四mos管导通。
41.在一种可能的实现方式中，在第三mos管导通后，使得列级积分电容c3复位，复位后，第三mos管可关断，随后，第一mos管导通。在第一mos管导通后，红外探测模块生成的光敏电流对积分电容模块的mos电容c_mos和mim电容c_mim进行电荷积分处理，积分完成后，第一mos管关断，随后，第二mos管导通，使得积分电容模块与轨到轨运算放大器a的负极输入端vin-之间的电势差约等于电源电压vdda，从而使得积分电容模块中的电荷转移至列级积分电容c3，形成电压信号，并使得积分电容模块复位。随后，第二mos管关断，第四mos管导通，使得列级积分器输出该电压信号，例如，输出至芯片级输出总线。
42.根据本发明的实施例的具有大电荷处理能力的读出电路，将用于复位的第三mos管移至像素级单元电路之外，并通过运放的性能对像素级单元电路内的积分电容模块进行间接复位，减少了像素级单元电路中的晶体管数量，使得像元面积内容纳积分电容模块的面积最大化，并使用并联连接且采用上、下立体版图的布局方式的mos电容和mim电容作为积分电容，从而提高了探测器像元的积分电荷量，有利于提升红外成像仪的温度灵敏度性能。并且，使用轨到轨运算放大器和列级积分电容可将积分后的电荷完全转换为电压信号，且在全电压范围内实现高线性度，提升了读出电路及红外热成像仪的性能。
43.实验证明：在30
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30um2像元面积内的输入级读出电路，以及具有轨到轨运算放大器的列级积分电路，实现电荷处理能力为76me-，与相关技术中的36me-电荷处理能力相比，在相同光电流条件下，积分时间延长约2.16倍，信噪比提高约1.5倍，实现长波红外探测器的探测率提高约1.5倍。读出电路提升了静电放电保护能力，增强了读出电路的可靠性。
44.本发明还提供一种红外热成像仪，所述红外热成像仪包括：红外焦平面阵列芯片以及所述具有大电荷处理能力的读出电路。
45.图5为本发明提供的红外热成像仪的示意图，该红外热成像仪包括具有大电荷处理能力的读出电路（即，读出电路芯片），以及红外焦平面阵列芯片，红外焦平面阵列芯片用做红外探测器。读出电路芯片包括以矩阵形式排列的像素级单元电路，像素级单元电路与红外焦平面阵列芯片的每个像素通过互连铟球相连，所述读出电路芯片还包括输出端口，用于输出上述电压信号。
46.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：

1.一种具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，包括：多个像素级单元电路和多个列级积分器，所述多个像素级单元电路以矩阵形式排列，所述多个列级积分器与所述矩阵中的多个列的像素级单元电路分别对应；所述像素级单元电路包括红外探测模块、积分电容模块、第一mos管和第二mos管；所述红外探测模块用于将红外光转换为电流，并在第一mos管导通时，将电流输入积分电容模块进行积分处理，获得积分后的电荷；所述积分电容模块用于在第二mos管导通时，将积分后的电荷转移至所述列级积分器；所述列级积分器包括轨到轨运算放大器、第三mos管、第四mos管和列级积分电容；所述积分电容模块的输出端与所述轨到轨运算放大器的负极输入端相连，所述列级积分器用于在所述第三mos管导通时使列级积分电容复位，并通过所述列级积分电容接收所述积分后的电荷，获得电压信号，并在所述第四mos管导通时输出所述电压信号。2.根据权利要求1所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，红外探测模块包括n-on-p型红外探测器，或p-on-n型红外探测器。3.根据权利要求2所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，在所述红外探测模块为所述n-on-p型红外探测器的情况下，所述轨到轨运算放大器的正极的参考电压为电源电压。4.根据权利要求2所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，在所述红外探测模块为所述p-on-n型红外探测器的情况下，所述轨到轨运算放大器的正极的参考电压为接地电压。5.根据权利要求2所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，所述积分电容模块包括并联连接的mos电容和mim电容，且所述mim电容和所述mos电容采用上、下立体版图的布局方式。6.根据权利要求5所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，所述像素级单元电路的电荷处理能力通过公式qmax=vdda
×
(c_mos+ c_mim)表示，其中，qmax为积分后的电荷的最大值，vdda为电源电压，c_mos为所述mos电容的电容值，c_mim为所述mim电容的电容值。7.根据权利要求1所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，在所述第三mos管导通后，所述第一mos管导通结束，在所述第一mos管导通结束后，所述第二mos管导通，在所述第二mos管导通结束后，所述第四mos管导通。8.根据权利要求1所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，所述第三mos管和所述列级积分电容并联，且跨接在所述轨到轨运算放大器的负极输入端和输出端之间。9.根据权利要求1所述的具有大电荷处理能力的读出电路，其特征在于，所述轨到轨运算放大器包括至少一组nmos差分对结构和至少一组pmos差分对结构。10.一种红外热成像仪，其特征在于，所述红外热成像仪包括：红外焦平面阵列芯片以及如权利要求1-9中任一项所述的具有大电荷处理能力的读出电路。

技术总结

本发明提供一种具有大电荷处理能力的读出电路及红外热成像仪，红外探测模块将红外光转换为电流，并在第一MOS管导通时将电流输入积分电容模块进行积分，获得积分后的电荷，并在第二MOS管导通时将电荷转移至列级积分器。列级积分器在第三MOS管导通时使列级积分电容复位，并通过列级积分电容接收电荷，获得电压信号，并在第四MOS管导通时输出电压信号。根据本发明，可将用于复位的第三MOS管移至像素级单元电路之外，并通过运放对像素级单元电路内的积分电容模块进行间接复位，减少像素级单元电路中的晶体管数量，使像元面积内容纳积分电容模块的面积达到最大化，提高了探测器像元的积分电荷量，提升了红外成像仪的温度灵敏度。提升了红外成像仪的温度灵敏度。提升了红外成像仪的温度灵敏度。