一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)福射熱計(jì)型紅外讀出電路。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)普朗克輻射定理，任何溫度高于絕對(duì)零度的物體，其內(nèi)部都會(huì)發(fā)生分子熱運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生波長(zhǎng)不等的紅外輻射。如何將這種紅外輻射轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的信號(hào)來(lái)探測(cè)客觀世界成為人類不斷奮斗的目標(biāo)。紅外焦平面陣列探測(cè)器就是人們?cè)诓粩嗵剿髦械囊粋€(gè)產(chǎn)物。
[0003]傳統(tǒng)的焦平面陣列擁有極高的靈敏度，幾乎已經(jīng)接近了背景限，但這種光電子探測(cè)器在工作溫度較高時(shí)，本身固有的熱激發(fā)過(guò)程快速增加，使得暗電流和噪聲迅速上升，極大地降低了焦平面探測(cè)陣列的性能，所以需要制冷設(shè)備使其工作在低溫環(huán)境下。但是由于制冷設(shè)備的存在，使得探測(cè)系統(tǒng)在體積、重量、功耗和成本方面都大量增加，從而增加了它應(yīng)用的困難性。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人們提出了非制冷紅外焦平面陣列的概念。非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器可在常溫下工作，無(wú)需制冷設(shè)備，并具有質(zhì)量輕、體積小、壽命長(zhǎng)、成本低、功耗小、啟動(dòng)快及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]微測(cè)輻射熱計(jì)焦平面陣列(FPA)具有較高的靈敏度，是應(yīng)用最廣泛的一種非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器。其工作原理是熱敏材料吸收入射的紅外輻射后溫度改變，從而引起自身電阻值的變化，通過(guò)測(cè)量其電阻值的變化探測(cè)紅外輻射信號(hào)的大小。微測(cè)輻射熱計(jì)普遍采用微機(jī)械加工技術(shù)制作的懸臂梁微橋結(jié)構(gòu)，橋面沉積有一層具有高電阻溫度系數(shù)的熱敏材料，橋面由兩條具有良好力學(xué)性能并鍍有導(dǎo)電材料的橋腿支撐，橋腿與襯底的接觸點(diǎn)為橋墩，橋墩電學(xué)上連接到微測(cè)輻射熱計(jì)FPA下的硅讀出電路(ROIC)上。通過(guò)橋腿和橋墩，熱敏材料連接到讀出電路的電學(xué)通道中，形成一個(gè)對(duì)溫度敏感并連接到讀出電路上的像素單元。
[0005]其實(shí)非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器并非真的完全不需要制冷，而是使用熱電制冷器(Thermo-Electric Cooler, TEC)來(lái)穩(wěn)定其工作溫度，而TEC本身具有一定的體積和功耗，從而使非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的應(yīng)用受到一定程度的影響，所以人們嘗試去除TECo然而去除TEC后，由于像元接受紅外輻射后溫度會(huì)升高，襯底溫度的變化會(huì)導(dǎo)致焦平面陣列極大的非均勻性，影響讀出結(jié)果。通過(guò)不斷研宄得出，解決無(wú)TEC的非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器的非均勻性的關(guān)鍵技術(shù)，一方面在于工藝上的改進(jìn)，另一方面在于具有非均勻性校正功能的讀出電路的設(shè)計(jì)，從電路上對(duì)非均勻性進(jìn)行補(bǔ)償，使得非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器在沒(méi)有TEC作為溫度穩(wěn)定裝置的情況下，也能正常工作，輸出具有良好質(zhì)量的圖像。
[0006]微測(cè)輻射熱計(jì)是一種熱敏型的紅外探測(cè)器，其探測(cè)機(jī)理是紅外輻射引起敏感像元的溫度變化，從而改變敏感像元的等效電阻。其讀出電路是將等效電阻變化檢測(cè)、轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)并最終輸出的電路。一個(gè)傳統(tǒng)的紅外讀出電路如圖1所示，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，敏感像元和盲像元在各自的偏置電壓下，流過(guò)它們的電流Is和Ib，在無(wú)外界紅外輻射時(shí)它們是相等的。在實(shí)際使用過(guò)程中，偏置引起像元發(fā)熱，由于像元對(duì)熱敏感，故像元的等效電阻也隨之發(fā)生變化。然而，由于敏感像元和盲像元的偏置時(shí)間存在明顯差異，故在讀出電路中它們實(shí)際的等效電阻值存在較大的差異，如圖2所示。讀出電路的輸出由于偏置熱而產(chǎn)生了偏差，該偏差同時(shí)會(huì)降低讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍，因此，需要消除偏置熱效應(yīng)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]為了解決上述【背景技術(shù)】提出的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型旨在提供一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，解決了傳統(tǒng)讀出電路的輸出由于偏置熱產(chǎn)生偏差以及該偏差降低讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案為:
[0009]一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，包括盲像元支路、敏感像元支路和積分器，所述盲像元支路包括盲像元電阻和PMOS管，敏感像元支路包括NMOS管和敏感像元電阻，所述NMOS管的源極連接PMOS管的源極，NMOS管的漏極經(jīng)敏感像元電阻接地，所述PMOS管的源極接入積分器的輸入端，所述盲像元支路還包括盲像元陣列，所述盲像元陣列包括數(shù)個(gè)依次串聯(lián)的電阻，每個(gè)電阻分別并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，所述PMOS管的漏極經(jīng)盲像元陣列與盲像元電阻連接；所述盲像元陣列中的各個(gè)電阻均與盲像元電阻具有相同的電阻溫度系數(shù)。
[0010]其中，上述積分器包括運(yùn)算放大器和積分電容，所述運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)積分電容與運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端相連，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接PMOS管的源極。
[0011]其中，上述運(yùn)算放大器的型號(hào)為0P07。
[0012]其中，上述NMOS管的型號(hào)為2N7000。
[0013]其中，上述PMOS管的型號(hào)為S14405。
[0014]采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果:
[0015]本實(shí)用新型在傳統(tǒng)紅外電路的基礎(chǔ)上，在盲像元支路增加盲像元陣列RDAC來(lái)對(duì)偏置熱產(chǎn)生的偏差進(jìn)行補(bǔ)償，從而獲得更大的輸出動(dòng)態(tài)范圍，避免了偏置熱對(duì)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮。本實(shí)用新型增加的盲像元陣列Rdac由多個(gè)電阻串聯(lián)而成，這些電阻與盲像元電阻Rb和敏感像元電阻Rs有同樣的電阻溫度系數(shù)(TCR)，因此，即使襯底溫度發(fā)生了變化，也無(wú)需對(duì)其阻值重新進(jìn)行調(diào)節(jié)。若采用普通的半導(dǎo)體電阻構(gòu)成Rda。，則襯底溫度變化時(shí)會(huì)使得Rdac與Rb、Rs的變化率不一致，從而極大降低讀出電路的動(dòng)態(tài)范圍。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是傳統(tǒng)紅外讀出電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是傳統(tǒng)紅外讀出電路的盲像元與敏感像元的阻值變化示意圖。
[0018]圖3是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是本實(shí)用新型中盲像元陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5是本實(shí)用新型的盲像元與敏感像元的阻值變化示意圖。
[0021 ] 標(biāo)號(hào)說(shuō)明:Vsk:輸入電壓；Rb:盲像兀電阻；Rs:敏感像兀電阻；PM2:PM0S管；匪2:NM0S管；Ib:流過(guò)盲像元支路的電流；Is:流過(guò)敏感相元支路的電流；Veb:PM0S管的偏置電壓；Vfid:NMOS管的偏置電壓；Cint:積分電容；Vref:積分器的基準(zhǔn)電壓；Vout:輸出信號(hào)；RDA。:盲像元陣列。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]如圖3所示本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，包括盲像元支路、敏感像元支路和積分器，所述盲像元支路包括盲像元電阻Rb和PMOS管PM2，敏感像元支路包括NMOS管匪2和敏感像元電阻Rs，所述NMOS管匪2的源極連接PMOS管PM2的源極，NMOS管NM2的漏極經(jīng)敏感像元電阻Rs接地，所述PMOS管PM2的源極接入積分器的輸入端，所述盲像元支路還包括盲像元陣列Rda。，如圖4所示，所述盲像元陣列1^。包括數(shù)個(gè)依次串聯(lián)的電阻(此1、此2、此3-此11)，每個(gè)電阻分別并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)(S1、S2、S3…Sn )，各開(kāi)關(guān)的啟閉由數(shù)字信號(hào)控制，所述PMOS管PM2的漏極經(jīng)盲像元陣列與盲像元電阻Rb連接，所述盲像元陣列RDA。中的各個(gè)電阻分別與盲像元電阻Rb具有相同的電阻溫度系數(shù)。PMOS管的基極輸入其偏置電壓Veb，NMOS管的基極輸入其偏置電壓Vfid。
[0024]在本實(shí)施例中，積分器包括運(yùn)算放大器和積分電容Cint，所述運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)積分電容Cint與運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端相連，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接PMOS管PM2的源極，運(yùn)算放大器的正輸入端接入基準(zhǔn)電壓Vref，運(yùn)算放大器的輸出端輸出輸出信號(hào) Vout0
[0025]在本實(shí)施例中，NMOS管匪2的型號(hào)為2N7000。
[0026]在本實(shí)施例中，PMOS管PM2的型號(hào)為S14405。
[0027]本實(shí)用新型在傳統(tǒng)讀出電路的盲像元支路中增加由數(shù)字信號(hào)控制的盲像元陣列rda。。通過(guò)數(shù)字信號(hào)控制盲像元陣列rda。中的各個(gè)開(kāi)關(guān)的啟閉，從而調(diào)整盲像元支路上的電阻值，使得在無(wú)外界紅外輻射信號(hào)時(shí)，在一個(gè)積分周期中敏感像元電阻Rs與盲像元支路的等效電阻(Rb+RDAC)的時(shí)間平均值相等。即，流過(guò)敏感像元支路的電流Is和流過(guò)盲像元支路的電流Ib在一個(gè)記分周期中的平均值相等。圖5顯示了上述調(diào)節(jié)過(guò)程，圖5的橫坐標(biāo)為時(shí)間t，縱坐標(biāo)為阻值R，其中，T表示一個(gè)讀出周期，tint為積分周期。
[0028]以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)思想，不能以此限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡是按照本實(shí)用新型提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本實(shí)用新型保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，包括盲像元支路、敏感像元支路和積分器，所述盲像元支路包括盲像元電阻和PMOS管，敏感像元支路包括NMOS管和敏感像元電阻，所述NMOS管的源極連接PMOS管的源極，NMOS管的漏極經(jīng)敏感像元電阻接地，所述PMOS管的源極接入積分器的輸入端，其特征在于:所述盲像元支路還包括盲像元陣列，所述盲像元陣列包括數(shù)個(gè)依次串聯(lián)的電阻，每個(gè)電阻分別并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，各開(kāi)關(guān)的啟閉由數(shù)字信號(hào)控制，所述PMOS管的漏極經(jīng)盲像元陣列與盲像元電阻連接，所述盲像元陣列中的各個(gè)電阻均與盲像元電阻具有相同的電阻溫度系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，其特征在于:所述積分器包括運(yùn)算放大器和積分電容，所述運(yùn)算放大器的輸出端經(jīng)積分電容與運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端相連，運(yùn)算放大器的負(fù)輸入端連接PMOS管的源極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，其特征在于:所述運(yùn)算放大器的型號(hào)為0P07。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，其特征在于:所述NMOS管的型號(hào)為2N7000。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，其特征在于:所述PMOS管的型號(hào)為S14405。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種具有偏置熱補(bǔ)償功能的微測(cè)輻射熱計(jì)型紅外讀出電路，包括盲像元支路、敏感像元支路和積分器，盲像元支路包括盲像元電阻和PMOS管，敏感像元支路包括NMOS管和敏感像元電阻，NMOS管的源極連接PMOS管的源極，NMOS管的漏極經(jīng)敏感像元電阻接地，PMOS管的源極接入積分器的輸入端，盲像元支路還包括盲像元陣列，盲像元陣列包括數(shù)個(gè)依次串聯(lián)的電阻，每個(gè)電阻分別并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，各開(kāi)關(guān)的啟閉由數(shù)字信號(hào)控制，PMOS管的漏極經(jīng)盲像元陣列與盲像元電阻連接，盲像元陣列中各個(gè)電阻均與盲像元電阻具有相同的電阻溫度系數(shù)。本實(shí)用新型解決傳統(tǒng)讀出電路輸出因偏置熱產(chǎn)生偏差以及因該偏差降低讀出電路動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題。
【IPC分類】G01J5-24
【公開(kāi)號(hào)】CN204535859
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520198702
【發(fā)明人】韋良忠, 劉燕, 陳黎明
【申請(qǐng)人】無(wú)錫艾立德智能科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年8月5日
【申請(qǐng)日】2015年4月3日