本實(shí)用新型涉及傳感器領(lǐng)域，具體而言涉及一種具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲须娐贰?/p>

背景技術(shù)：

紅外熱釋電傳感器廣泛用于消防、化工氣體的檢測(cè)并智能量化顯示氣體參數(shù)、紅外檢測(cè)報(bào)警、紅外遙控、光譜分析等領(lǐng)域。實(shí)際工作中由于傳感器的工作環(huán)境溫度變化較大，又由于溫度變化引起傳感器的熱輸出較大，將會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差。同時(shí)，溫度變化影響零點(diǎn)大小，繼而影響到傳感器的靜態(tài)特性，所以必須采取措施以減少或消除溫度變化帶來(lái)的影響，即必須進(jìn)行零點(diǎn)溫度補(bǔ)償。

美國(guó)著名的傳感器公司Kulite公司就基于相關(guān)的補(bǔ)償方法研制出了一套溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，并已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，但是這個(gè)系統(tǒng)跟一臺(tái)專用的計(jì)算機(jī)捆綁銷售，而且其價(jià)格十分昂貴，每臺(tái)售價(jià)大約要35萬(wàn)美元。在國(guó)內(nèi)，近年來(lái)在這方面的理論研究也取得了很大進(jìn)步。如沈陽(yáng)儀器儀表工藝研究所在國(guó)內(nèi)首次解決了擴(kuò)散硅力敏芯片的零點(diǎn)溫度自補(bǔ)償工藝，但是都是苦于沒有一個(gè)精確的、可方便的應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐數(shù)學(xué)模型來(lái)計(jì)算補(bǔ)償電阻的大小，難以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)線上快速自動(dòng)的補(bǔ)償，效率不高。改善傳感器結(jié)構(gòu)，可以減小時(shí)間常數(shù)，降低溫度梯度的影響，但是無(wú)法完全消除。

目前紅外熱釋電傳感器的溫度補(bǔ)償方法過于昂貴，且補(bǔ)償效果并不夠理想，急需一種具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)募t外熱釋電傳感電路。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型目的在于提供一種具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲须娐罚摕後岆妭鞲须娐纺軌蛴行Я泓c(diǎn)溫度補(bǔ)償紅外熱釋電傳感器，使得紅外熱釋電傳感器的測(cè)量結(jié)果更為精確，且成本低廉，易于推廣。

為達(dá)成上述目的，本實(shí)用新型提出一種具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲须娐罚鰺後岆妭鞲须娐钒ㄓ糜诩t外探測(cè)的第一熱釋電探測(cè)元、用于溫度補(bǔ)償?shù)牡诙後岆娞綔y(cè)元，以及用于放大探測(cè)信號(hào)的放大模塊；

所述第一熱釋電探測(cè)元包括第一熱釋電晶體，以及鍍?cè)诘谝粺後岆娋w兩側(cè)的兩個(gè)金屬電極；

所述第一熱釋電晶體兩側(cè)的金屬電極被設(shè)置成通過加電極化以分別具有正、負(fù)極性；

所述第二熱釋電探測(cè)元包括第二熱釋電晶體、鍍?cè)诘诙後岆娋w兩側(cè)的兩個(gè)第二金屬電極，以及設(shè)置在第二熱釋電晶體之外的用于遮擋紅外光的遮光元件；

所述第二熱釋電晶體兩側(cè)的金屬電極被設(shè)置成通過加電極化以分別具有正、負(fù)極性；

所述第一熱釋電晶體與所述第二熱釋電晶體結(jié)構(gòu)相同；

所述前置放大模塊為場(chǎng)效應(yīng)管，該場(chǎng)效應(yīng)管的柵極連接有柵極電阻，該柵極電阻的另一端接地；該場(chǎng)效應(yīng)管的源極連接有源極電阻，該源極電阻的另一端接電；

所述后置放大模塊為電流運(yùn)算放大器，其輸入端與所述前置放大模塊的源極連接，用于對(duì)前置放大模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行放大；

所述第一熱釋電探測(cè)元的正極與所述第二熱釋電探測(cè)元的負(fù)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(cè)元的負(fù)極與所述第二熱釋電探測(cè)元的正極相連后接地。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述熱釋電傳感電路被設(shè)置成通過減小柵極電阻的阻值以提高該熱釋電傳感電路的溫度穩(wěn)定性；

所述熱釋電傳感電路還被設(shè)置成通過增大柵極電阻的阻值以增大該熱釋電傳感電路的探測(cè)率。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述柵極電阻的阻值大于等于8×10⁶千歐，且小于等于1×10⁷千歐。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述源極電阻的阻值小于等于100千歐。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述源極電阻的阻值為47千歐。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述后置放大模塊采用電流運(yùn)算放大器OP1177和OPA227中的任意一種。

進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述第一熱釋電探測(cè)元、第二熱釋電探測(cè)元以及放大模塊被集成封裝在單個(gè)芯片上。

由以上本實(shí)用新型的技術(shù)方案，與現(xiàn)有相比，其顯著的有益效果在于，本實(shí)用新型的具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲衅?，能夠?qū)囟扔绊懡档偷阶钚。篃後岆妭鞲衅鞯臏y(cè)量結(jié)果更為精確。

應(yīng)當(dāng)理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細(xì)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實(shí)用新型主題的一部分。另外，所要求保護(hù)的主題的所有組合都被視為本公開的實(shí)用新型主題的一部分。

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本實(shí)用新型教導(dǎo)的前述和其他方面、實(shí)施例和特征。本實(shí)用新型的其他附加方面例如示例性實(shí)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)本實(shí)用新型教導(dǎo)的具體實(shí)施方式的實(shí)踐中得知。

附圖說(shuō)明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個(gè)圖中示出的每個(gè)相同或近似相同的組成部分可以用相同的標(biāo)號(hào)表示。為了清晰起見，在每個(gè)圖中，并非每個(gè)組成部分均被標(biāo)記?，F(xiàn)在，將通過例子并參考附圖來(lái)描述本實(shí)用新型的各個(gè)方面的實(shí)施例，其中：

圖1為本實(shí)用新型的熱釋電傳感電路圖。

圖2為本實(shí)用新型的具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲须娐放c傳統(tǒng)非電路受溫度梯度影響比較。

圖3為本實(shí)用新型的具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲须娐放c傳統(tǒng)非溫度補(bǔ)償電路對(duì)瞬變溫度響應(yīng)比較。

具體實(shí)施方式

為了更了解本實(shí)用新型的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說(shuō)明如下。

在本公開中參照附圖來(lái)描述本實(shí)用新型的各方面，附圖中示出了許多說(shuō)明的實(shí)施例。本公開的實(shí)施例不必定意在包括本實(shí)用新型的所有方面。應(yīng)當(dāng)理解，上面介紹的多種構(gòu)思和實(shí)施例，以及下面更加詳細(xì)地描述的那些構(gòu)思和實(shí)施方式可以以很多方式中任意一種來(lái)實(shí)施，這是因?yàn)楸緦?shí)用新型所公開的構(gòu)思和實(shí)施例并不限于任何實(shí)施方式。另外，本實(shí)用新型公開的一些方面可以單獨(dú)使用，或者與本實(shí)用新型公開的其他方面的任何適當(dāng)組合來(lái)使用。

結(jié)合圖1，本發(fā)明所提及的熱釋電傳感電路包括用于紅外探測(cè)的第一熱釋電探測(cè)元60、用于溫度補(bǔ)償?shù)牡诙後岆娞綔y(cè)元60’，以及用于放大探測(cè)信號(hào)的放大模塊。

所述第一熱釋電探測(cè)元60包括第一熱釋電晶體，以及鍍?cè)诘谝粺後岆娋w兩側(cè)的兩個(gè)金屬電極。

所述第一熱釋電晶體兩側(cè)的金屬電極被設(shè)置成通過加電極化以分別具有正、負(fù)極性。

所述第二熱釋電探測(cè)元60’包括第二熱釋電晶體、鍍?cè)诘诙後岆娋w兩側(cè)的兩個(gè)第二金屬電極，以及設(shè)置在第二熱釋電晶體之外的用于遮擋紅外光的遮光元件。

所述第二熱釋電晶體兩側(cè)的金屬電極被設(shè)置成通過加電極化以分別具有正、負(fù)極性。

所述第一熱釋電晶體與所述第二熱釋電晶體結(jié)構(gòu)相同。

所述放大模塊包括前置放大模塊和后置放大模塊，其中：

所述前置放大模塊為場(chǎng)效應(yīng)管T1，該場(chǎng)效應(yīng)管T1的柵極連接有柵極電阻，其阻值為R1，該柵極電阻的另一端接地；該場(chǎng)效應(yīng)管的源極連接有源極電阻，其阻值為R_S，該源極電阻的另一端接電。

所述后置放大模塊為電流運(yùn)算放大器L，其輸入端與所述前置放大模塊的源極連接，用于對(duì)前置放大模塊的輸出結(jié)果進(jìn)行放大。

所述第一熱釋電探測(cè)元60的正極與所述第二熱釋電探測(cè)元60’的負(fù)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(cè)元60的負(fù)極與所述第二熱釋電探測(cè)元60’的正極相連后接地。

所述第一熱釋電探測(cè)元60的第一熱釋電晶體因溫度變化而釋放電荷，在其正極產(chǎn)生的電流被定義為工作電流，該工作電流分為兩部分，其中，一部分是第一熱釋電晶體受到紅外輻射而生成，這一部分被定義為探測(cè)電流；另一部分是第一熱釋電晶體因傳感器殼體溫度變化而生成，這一部分被定義為第一溫度電流。

由于第二熱釋電探測(cè)元60’外表面設(shè)置有用于遮擋紅外光的遮光元件，因此第二熱釋電探測(cè)元60’不響應(yīng)紅外光，只是作為一個(gè)有效電容工作。當(dāng)傳感器殼體溫度發(fā)生變化時(shí)，所述第二熱釋電探測(cè)元60’因傳感器殼體溫度變化而在其正極生成電流，該電流被定義為第二溫度電流。

第二溫度電流理論上與第一溫度電流相同，但由于工藝差異，這兩者之間存在一個(gè)差值，被定義為差值電流。

由于第一熱釋電探測(cè)元60和第二熱釋電探測(cè)元60’為反極性并聯(lián)，所述場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓分為兩部分，其中，一部分是由所述探測(cè)電流流經(jīng)柵極電阻造成的探測(cè)電壓，另一部分是由所述差值電流流經(jīng)柵極電阻造成的差值電壓。

所述熱釋電傳感電路通過減小柵極電阻的阻值以減小差值電壓，從而提高該熱釋電傳感電路的溫度穩(wěn)定性。

柵極電阻阻值越小的熱釋電傳感電路穩(wěn)定性越高，但是，柵極電阻阻值的平方根與噪聲成反比，當(dāng)柵極電阻的阻值減小時(shí)，熱釋電傳感電路的噪聲會(huì)同時(shí)增大。例如，當(dāng)我們通過減小柵極電阻的阻值使熱釋電傳感器的穩(wěn)定性提高到原來(lái)的9倍時(shí)，熱釋電傳感器的探測(cè)率也會(huì)降至原來(lái)的三分之一。優(yōu)選的，柵極電阻的阻值大于等于8Gohm且小于或等于10Gohm，該柵極電阻的阻值范圍能夠兼顧熱釋電傳感器穩(wěn)定性及探測(cè)率。

場(chǎng)效應(yīng)管T1的源極接有源極電阻，其阻值為R_S，電壓增益A_V與場(chǎng)效應(yīng)管在工作點(diǎn)的跨導(dǎo)g_fs和源極電阻的阻值R_S有關(guān)，按下式計(jì)算：

由前述公式可知，增大源極電阻的阻值，或減小漏極電流可以提高場(chǎng)效應(yīng)管T1的電壓增益A_V。但是增大源極電阻的阻值的同時(shí)，輸出電阻會(huì)變大，從而導(dǎo)致漏極電壓升高，當(dāng)源極電阻的阻值達(dá)到100Kohm時(shí)，漏極電壓會(huì)升高到15V，因此源極電阻的阻值不應(yīng)過大，一般不超過100Kohm。增大電壓增益A_V能降低溫度對(duì)跨導(dǎo)g_fs的影響，提高場(chǎng)效應(yīng)管T1的溫度穩(wěn)定性。

所述后置放大模塊為電流運(yùn)算放大器L，所述運(yùn)算放大器采用OP1177或OPA227，OP1177型號(hào)運(yùn)算放大器L具有極低失調(diào)電壓和漂移、低輸入偏置電流、低噪聲及低功耗特點(diǎn)，運(yùn)算放大器L對(duì)前置放大器的輸入結(jié)果進(jìn)行放大。電阻R2的阻值大小為10Kohm，電容C1的容值為22μF，電容C2的容值為100nF，電容C3的容值為100nF。

熱釋電傳感電路的信號(hào)處理轉(zhuǎn)換可以概述為三個(gè)步驟：

步驟1、輻射通量為ΔΦ的調(diào)制輻射光到達(dá)第一熱釋電探測(cè)元60，輻射通量ΔΦ被第一熱釋電探測(cè)元60表面吸收后，產(chǎn)生溫度變化ΔT；

步驟2、第一熱釋電探測(cè)元60將溫度變化ΔT轉(zhuǎn)化為電荷密度變化ΔQ。

步驟3、電荷密度變化ΔQ通過前置放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)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(yīng)率和信噪比越高。

參見圖2，溫度補(bǔ)償型和非溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路在溫度梯度的作用下偏置電壓的變化不同，所述溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路包括的第一熱釋電探測(cè)元60及與其并聯(lián)的用于溫度補(bǔ)償?shù)牡诙後岆娞綔y(cè)元60’，所述非溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路不包括用于溫度補(bǔ)償?shù)牡诙後岆娞綔y(cè)元60’。從圖2中可以看出，增加了第二熱釋電探測(cè)元60’作為溫度補(bǔ)償元件后，第一熱釋電探測(cè)元60的偏置電壓幾乎不受溫度梯度的影響。

參見圖3，溫度瞬變的條件下，溫度補(bǔ)償型和非溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路的階躍響應(yīng)曲線不同，所述溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路包括的第一熱釋電探測(cè)元60及與其并聯(lián)的用于溫度補(bǔ)償?shù)牡诙後岆娞綔y(cè)元60’，所述非溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路不包括用于溫度補(bǔ)償?shù)牡诙後岆娞綔y(cè)元60’。從圖3中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度從25℃快速升高到40℃時(shí)，非溫度補(bǔ)償型熱釋傳感電路的第一熱釋電探測(cè)元60的偏壓躍變非常大，與之相比，溫度補(bǔ)償型熱釋電傳感電路的第一熱釋電探測(cè)元60的階躍響應(yīng)很小，恢復(fù)時(shí)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(yīng)可能為正也可能為負(fù)。

從而，本實(shí)用新型提出的具有零點(diǎn)溫度補(bǔ)償?shù)臒後岆妭鞲须娐坊静皇軠囟扔绊?，在溫度瞬變的條件下也能比較快的恢復(fù)，第二熱釋電探測(cè)元60’能夠有效補(bǔ)償溫度對(duì)第一熱釋電探測(cè)元60造成的影響，從而保證采集信號(hào)的精確性。

雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本實(shí)用新型。本實(shí)用新型所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。