本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，具體而言涉及一種具有零點溫度補償?shù)臒後岆妭鞲衅骷把a償方法。

背景技術(shù)：

紅外熱釋電傳感是微電子與固體電子領(lǐng)域的一種集成設(shè)計，廣泛用于消防、化工氣體的檢測并智能量化顯示氣體參數(shù)、紅外檢測報警、紅外遙控、光譜分析等領(lǐng)域。環(huán)境溫度的變化會影響熱釋電傳感器內(nèi)部組件的特性，使傳感器的信號和噪聲發(fā)生偏移，特別是溫度梯度會使傳感器的輸出信號產(chǎn)生波動，增加輸出的不穩(wěn)定性。熱釋電傳感器的響應率、偏置電壓和噪聲都隨溫度升高而增大，其中，響應率與溫度成線性關(guān)系，偏置電壓在溫度越高時增加越快，噪聲則在門電阻阻值越大時增加越明顯。溫度梯度會使熱釋電傳感器產(chǎn)生一個極大的低頻信號，甚至超出前置放大器的工作范圍，對前置放大器造成損壞，這種影響的程度與熱釋電傳感器的時間常數(shù)有關(guān)，時間常數(shù)越大，傳感器對溫度梯度越敏感。門電阻阻值越小的傳感器穩(wěn)定性越高。但是，門電阻阻值的平方根與噪聲成反比，當門電阻的阻值減小時，傳感器的噪聲會同時增大。例如，當我們通過減小門電阻的阻值使傳感器的穩(wěn)定性提高到原來的9倍時，傳感器的探測率也會降至原來的三分之一。

改善傳感器結(jié)構(gòu)，可以減小時間常數(shù)，降低溫度梯度的影響，但是無法將溫度梯度影響降低到理想情況。急需一種能夠溫度補償且不影響其他性能參數(shù)的熱釋電傳感器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種具有零點溫度補償?shù)臒後岆妭鞲衅?，該熱釋電傳感器能夠?qū)囟扔绊懡档偷阶钚?，使熱釋電傳感器的測量結(jié)果更為精確。

本發(fā)明的上述目的通過獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征實現(xiàn)，從屬權(quán)利要求以另選或有利的方式發(fā)展獨立權(quán)利要求的技術(shù)特征。

為達成上述目的，本發(fā)明提出一種具有零點溫度補償?shù)臒後岆妭鞲衅?，所述熱釋電傳感器包括基座、封帽、引腳、濾光片、第一熱釋電探測元、前置放大器、第二熱釋電單元、遮光元件；

所述基座的上端設(shè)置有上凸臺，該上凸臺的外徑小于等于所述封帽的內(nèi)徑，基座的上端對應插接在封帽的下端內(nèi)；

所述引腳設(shè)置在所述基座的下端；

所述前置放大器設(shè)置在所述上凸臺上表面，其輸出端與所述引腳連接；

所述第一熱釋電探測元與所述前置放大器電連接，并設(shè)置在前置放大器上方；

所述第二熱釋電探測元與所述前置放大器電連接，并設(shè)置在前置放大器上方；

所述第一熱釋電探測元與所述第二熱釋電探測元電連接，且兩者相鄰放置；

所述遮光元件設(shè)置在所述第二熱釋電探測元外表面上；

所述封帽的頂端設(shè)置有一開口，該開口位于所述第一熱釋電探測元和第二熱釋電探測元正上方；

所述濾光片設(shè)置在所述封帽的頂端開口內(nèi)側(cè)，貼附在封帽頂端內(nèi)壁上；

所述封帽內(nèi)腔為真空狀態(tài)。

進一步的實施例中，所述上凸臺側(cè)面與封帽內(nèi)壁之間的縫隙填充有絕緣密封材料。

進一步的實施例中，所述濾光片為帶通濾光片。

進一步的實施例中，所述封帽采用金屬材質(zhì)。

進一步的實施例中，所述上凸臺側(cè)面與封帽內(nèi)壁之間的縫隙填充有絕緣密封材料。

進一步的實施例中，所述濾光片為帶通濾光片。

進一步的實施例中，所述前置放大器、第一熱釋電探測元與第二熱釋電探測元集成封裝在單個芯片內(nèi)。

進一步的實施例中，所述第一熱釋電探測元包括熱釋電晶體，以及鍍在熱釋電晶體兩面的金屬電極；

所述第二熱釋電探測元與第一熱釋電探測元結(jié)構(gòu)相同。

進一步的實施例中，所述前置放大器為場效應管，該場效應管的源極電阻小于等于100KΩ。

進一步的實施例中，所述第一熱釋電探測元的正極與所述第二熱釋電探測元的負極相連，再連接至所述前置放大器的柵極；

所述第一熱釋電探測元的負極與第二熱釋電探測元的正極相連，再連接至所述前置放大器的源極。

進一步的實施例中，所述第一熱釋電探測元的正極連接至所述前置放大器的柵極；

所述第一熱釋電探測元的負極與第二熱釋電探測元的負極連接；

所述第二熱釋電探測元的正極連接至所述前置放大器的源極。

本發(fā)明還提供一種采用前述具有零點溫度補償?shù)臒後岆妭鞲衅鞯牧泓c溫度補償方法，所述方法包括下列步驟：

步驟1、輻射通量為ΔΦ的調(diào)制輻射光經(jīng)過透射率為τ的濾光片到達第一熱釋電探測元，輻射通量τΔΦ經(jīng)過第一熱釋電探測元表面吸收后，產(chǎn)生溫度變化ΔT；

步驟2、第一熱釋電探測元將溫度變化ΔT轉(zhuǎn)化處理為電荷密度變化ΔQ；

步驟3、第一熱釋電探測元的表面電極產(chǎn)生的電荷密度變化ΔQ通過前置放大器處理，轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出Δu。

由以上本發(fā)明的技術(shù)方案，與現(xiàn)有相比，其顯著的有益效果在于，本發(fā)明的具有零點溫度補償?shù)臒後岆妭鞲衅?，能夠?qū)囟扔绊懡档偷阶钚?，使熱釋電傳感器的測量結(jié)果更為精確。

應當理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。另外，所要求保護的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導的前述和其他方面、實施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據(jù)本發(fā)明教導的具體實施方式的實踐中得知。

附圖說明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個圖中示出的每個相同或近似相同的組成部分可以用相同的標號表示。為了清晰起見，在每個圖中，并非每個組成部分均被標記?，F(xiàn)在，將通過例子并參考附圖來描述本發(fā)明的各個方面的實施例，其中：

圖1為本發(fā)明的實施例一的熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)剖視圖。

圖2為本發(fā)明的實施例一的熱釋電傳感器電路圖。

圖3為本發(fā)明的實施例二的熱釋電傳感器電路圖。

圖4為本發(fā)明的溫度補償傳感器與傳統(tǒng)非溫度補償傳感器受溫度梯度影響比較。

圖5為本發(fā)明的溫度補償傳感器與傳統(tǒng)非溫度補償傳感器對瞬變溫度響應比較。

具體實施方式

為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下。

在本公開中參照附圖來描述本發(fā)明的各方面，附圖中示出了許多說明的實施例。本公開的實施例不必定意在包括本發(fā)明的所有方面。應當理解，上面介紹的多種構(gòu)思和實施例，以及下面更加詳細地描述的那些構(gòu)思和實施方式可以以很多方式中任意一種來實施，這是因為本發(fā)明所公開的構(gòu)思和實施例并不限于任何實施方式。另外，本發(fā)明公開的一些方面可以單獨使用，或者與本發(fā)明公開的其他方面的任何適當組合來使用。

結(jié)合圖1，本發(fā)明所提及的熱釋電傳感器100，該熱釋電傳感器100包括基座10、封帽30、引腳20、濾光片40、第一熱釋電探測元60、前置放大器50、第二熱釋電單元60’、遮光元件70。

基座10的上端設(shè)置有上凸臺，該上凸臺的外徑小于等于封帽30的內(nèi)徑，基座10的上端對應插接在封帽30的下端內(nèi)，上凸臺側(cè)面與封帽30內(nèi)壁之間的縫隙填充有絕緣密封材料。

引腳20設(shè)置在基座10的下端，用于將電信號引出。

前置放大器50設(shè)置在上凸臺上表面，其輸出端與引腳20連接。

第一熱釋電探測元60與前置放大器50電連接，并設(shè)置在前置放大器50上方。

第二熱釋電探測元60’與前置放大器50電連接，并設(shè)置在前置放大器50上方。

第一熱釋電探測元60與第二熱釋電探測元60’電連接，且兩者相鄰放置。

遮光元件70設(shè)置在第二熱釋電探測元60’外表面上。

封帽30的頂端設(shè)置有一開口301，該開口301位于第一熱釋電探測元60和第二熱釋電探測元60’正上方。

濾光片40設(shè)置在封帽30的頂端開口內(nèi)側(cè)，貼附在封帽30頂端內(nèi)壁上，濾光片40為帶通濾光片，使特定波長的紅外輻射選擇性地通過，到達第一熱釋電探測元60，在其截止范圍外的紅外輻射則不能通過。

前置放大器50、第一熱釋電探測元60與第二熱釋電探測元60’集成封裝在單個芯片內(nèi)。

第一熱釋電探測元60包括熱釋電晶體，以及鍍在熱釋電晶體兩面的金屬電極，第二熱釋電探測60’元與第一熱釋電探測元60結(jié)構(gòu)相同。

第一熱釋電探測元60是熱釋電傳感器的核心元件，它是在熱釋電晶體的兩面鍍上金屬電極后，加電極化制成，相當于一個以熱釋電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。當?shù)谝粺後岆娞綔y元60受到非恒定強度的紅外光照射時，產(chǎn)生的溫度變化導致其表面電極的電荷密度發(fā)生改變，從而產(chǎn)生熱釋電電流。

前置放大器50由一個高內(nèi)阻的場效應管源極跟隨器T1構(gòu)成，通過阻抗變換，將第一熱釋電探測元60微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為有用的電壓信號輸出。

下面結(jié)合附圖所示并根據(jù)本發(fā)明的目的，示例性地描述前述具有零點溫度補償?shù)臒後岆妭鞲衅鞯膶崿F(xiàn)。

實施例一

結(jié)合圖2，在第一熱釋電傳感器60內(nèi)部增加零點溫度補償元件以提高傳熱釋電感器的溫度穩(wěn)定性。將兩個極性相反、特性一致的熱釋電探測元60、60’并聯(lián)在一起，具體連接方式如下：第一熱釋電探測元60的正極與第二熱釋電探測元60’的負極相連，再連接至前置放大器50的柵極；第一熱釋電探測元60的負極與第二熱釋電探測元60’的正極相連，再連接至前置放大器50的源極。

第一熱釋電探測元60作為工作元件，第二熱釋電探測元60’作為溫度補償元件，能夠有效補償溫度對第一熱釋電探測元60的影響。優(yōu)選的，第二熱釋電探測元60’被遮光元件70遮蔽，因此不響應紅外光，只是作為一個有效電容工作，當傳感器封帽30溫度發(fā)生變化時，第一熱釋電傳感器60和第二熱釋電探測元60’由此產(chǎn)生的干擾信號會相互抵消，因此能夠提高傳感器的溫度穩(wěn)定性。當然第二熱釋電探測元60’也可以采用其他遮蔽紅外光的方式，例如在第二熱釋電探測元60’的外表面設(shè)置阻擋紅外光的涂層。

場效應管T1的柵極連接門電阻R1，場效應管T1的源極接有源極電阻R_S，電壓增益A_V與場效應管在工作點的跨導g_fs和源極電阻R_S有關(guān)，按下式計算：

由公式(1)可知，增大源極電阻R_S，或減小漏極電流可以提高前置放大器50的電壓增益A_V。但是增大源極電阻R_S的同時，輸出電阻會變大，從而導致漏極電壓升高，當源極電阻R_S達到100Kohm時，漏極電壓會升高到15V，因此源極電阻R_S不應過大，一般不超過100Kohm。增大電壓增益A_V能降低溫度對跨導g_fs的影響，提高增益的溫度穩(wěn)定性。

熱釋電傳感器100的信號轉(zhuǎn)換可以概述為三個階段：

熱轉(zhuǎn)換階段：輻射通量為ΔΦ的調(diào)制輻射光經(jīng)過透射率為τ的紅外濾光片到達第一熱釋電探測元60，輻射通量τΔΦ被第一熱釋電探測元60表面吸收后，產(chǎn)生溫度變化ΔT；

熱電轉(zhuǎn)換階段：在τΔΦ的作用下，第一熱釋電探測元60的表面電極產(chǎn)生電荷密度變化ΔQ；

電轉(zhuǎn)換階段：ΔQ通過前置放大器50轉(zhuǎn)換為電壓信號Δu輸出。

熱轉(zhuǎn)換階段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換溫差ΔT越大，傳感器的響應率和信噪比越高。

結(jié)合圖4，溫度補償型和非溫度補償型熱釋電傳感器在溫度梯度的作用下偏置電壓的變化不同，所述溫度補償型熱釋電傳感器包括第一熱釋電探測元60及與其并聯(lián)的用于溫度補償?shù)牡诙後岆娞綔y元60’，非溫度補償型熱釋電傳感器不包括用于溫度補償?shù)牡诙後岆娞綔y元60’。圖中殼體溫度即為封帽30的溫度，從圖中可以看出，增加了第二熱釋電探測元60’作為補償元件后傳感器100的偏置電壓幾乎不受溫度梯度的影響。

結(jié)合圖5，溫度瞬變的條件下，溫度補償型和非溫度補償型熱釋電傳感器的階躍響應曲線不同，所述溫度補償型熱釋電傳感器包括的第一熱釋電探測元60及與其并聯(lián)的用于溫度補償?shù)牡诙後岆娞綔y元60’，非溫度補償型熱釋電傳感器不包括用于溫度補償?shù)牡诙後岆娞綔y元60’。從圖中可以看出，當環(huán)境溫度從25℃快速升高到40℃時，非溫度補償型熱釋電傳感器的偏壓躍變非常大，與之相比，溫度補償型熱釋電傳感器100的階躍響應很小，恢復時間也短得多。需要注意的是，由于加工誤差的原因，傳感器的階躍響應可能為正也可能為負。

從而，本發(fā)明實施例一的溫度補償型熱釋電傳感器基本不受溫度影響，在溫度瞬變的條件下也能比較快的恢復，第二熱釋電探測元60’能夠有效補償溫度對第一熱釋電探測元60造成的影響，從而保證采集信號的精確性。

實施例二

結(jié)合圖3，本發(fā)明實施例二與實施例一的區(qū)別在于，熱釋電探測元60、60’串聯(lián)在一起，兩者極性相反且特性一致，具體連接方式如下：第一熱釋電探測元60的正極連接至前置放大器50的柵極；第一熱釋電探測元60的負極與第二熱釋電探測元60’的負極連接；第二熱釋電探測元60’的正極連接至前置放大器50的源極。其中第一熱釋電探測元60作為工作元件，第二熱釋電探測元60’作為補償元件，能夠有效補償溫度對第一熱釋電探測元60的影響。優(yōu)選的，第二熱釋電探測元60’被遮光元件70遮蔽，因此不響應紅外光，只是作為一個有效電容工作，當傳感器100封帽30溫度發(fā)生變化時，第一熱釋電傳感器60和第二熱釋電探測元60’由此產(chǎn)生的干擾信號會相互抵消，因此能夠提高傳感器的溫度溫度性。

從而，本發(fā)明實現(xiàn)了將溫度影響降低到最小，使熱釋電傳感器的測量結(jié)果更為精確。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。