具有零点温度补偿的热释电传感器及补偿方法与流程

本发明涉及传感器领域，具体而言涉及一种具有零点温度补偿的热释电传感器及补偿方法。

背景技术：

红外热释电传感是微电子与固体电子领域的一种集成设计，广泛用于消防、化工气体的检测并智能量化显示气体参数、红外检测报警、红外遥控、光谱分析等领域。环境温度的变化会影响热释电传感器内部组件的特性，使传感器的信号和噪声发生偏移，特别是温度梯度会使传感器的输出信号产生波动，增加输出的不稳定性。热释电传感器的响应率、偏置电压和噪声都随温度升高而增大，其中，响应率与温度成线性关系，偏置电压在温度越高时增加越快，噪声则在门电阻阻值越大时增加越明显。温度梯度会使热释电传感器产生一个极大的低频信号，甚至超出前置放大器的工作范围，对前置放大器造成损坏，这种影响的程度与热释电传感器的时间常数有关，时间常数越大，传感器对温度梯度越敏感。门电阻阻值越小的传感器稳定性越高。但是，门电阻阻值的平方根与噪声成反比，当门电阻的阻值减小时，传感器的噪声会同时增大。例如，当我们通过减小门电阻的阻值使传感器的稳定性提高到原来的9倍时，传感器的探测率也会降至原来的三分之一。

改善传感器结构，可以减小时间常数，降低温度梯度的影响，但是无法将温度梯度影响降低到理想情况。急需一种能够温度补偿且不影响其他性能参数的热释电传感器。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种具有零点温度补偿的热释电传感器，该热释电传感器能够将温度影响降低到最小，使热释电传感器的测量结果更为精确。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种具有零点温度补偿的热释电传感器，所述热释电传感器包括基座、封帽、引脚、滤光片、第一热释电探测元、前置放大器、第二热释电单元、遮光元件；

所述基座的上端设置有上凸台，该上凸台的外径小于等于所述封帽的内径，基座的上端对应插接在封帽的下端内；

所述引脚设置在所述基座的下端；

所述前置放大器设置在所述上凸台上表面，其输出端与所述引脚连接；

所述第一热释电探测元与所述前置放大器电连接，并设置在前置放大器上方；

所述第二热释电探测元与所述前置放大器电连接，并设置在前置放大器上方；

所述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元电连接，且两者相邻放置；

所述遮光元件设置在所述第二热释电探测元外表面上；

所述封帽的顶端设置有一开口，该开口位于所述第一热释电探测元和第二热释电探测元正上方；

所述滤光片设置在所述封帽的顶端开口内侧，贴附在封帽顶端内壁上；

所述封帽内腔为真空状态。

进一步的实施例中，所述上凸台侧面与封帽内壁之间的缝隙填充有绝缘密封材料。

进一步的实施例中，所述滤光片为带通滤光片。

进一步的实施例中，所述封帽采用金属材质。

进一步的实施例中，所述上凸台侧面与封帽内壁之间的缝隙填充有绝缘密封材料。

进一步的实施例中，所述滤光片为带通滤光片。

进一步的实施例中，所述前置放大器、第一热释电探测元与第二热释电探测元集成封装在单个芯片内。

进一步的实施例中，所述第一热释电探测元包括热释电晶体，以及镀在热释电晶体两面的金属电极；

所述第二热释电探测元与第一热释电探测元结构相同。

进一步的实施例中，所述前置放大器为场效应管，该场效应管的源极电阻小于等于100KΩ。

进一步的实施例中，所述第一热释电探测元的正极与所述第二热释电探测元的负极相连，再连接至所述前置放大器的栅极；

所述第一热释电探测元的负极与第二热释电探测元的正极相连，再连接至所述前置放大器的源极。

进一步的实施例中，所述第一热释电探测元的正极连接至所述前置放大器的栅极；

所述第一热释电探测元的负极与第二热释电探测元的负极连接；

所述第二热释电探测元的正极连接至所述前置放大器的源极。

本发明还提供一种采用前述具有零点温度补偿的热释电传感器的零点温度补偿方法，所述方法包括下列步骤：

步骤1、辐射通量为ΔΦ的调制辐射光经过透射率为τ的滤光片到达第一热释电探测元，辐射通量τΔΦ经过第一热释电探测元表面吸收后，产生温度变化ΔT；

步骤2、第一热释电探测元将温度变化ΔT转化处理为电荷密度变化ΔQ；

步骤3、第一热释电探测元的表面电极产生的电荷密度变化ΔQ通过前置放大器处理，转换为电压信号输出Δu。

由以上本发明的技术方案，与现有相比，其显著的有益效果在于，本发明的具有零点温度补偿的热释电传感器，能够将温度影响降低到最小，使热释电传感器的测量结果更为精确。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明的实施例一的热释电传感器结构剖视图。

图2为本发明的实施例一的热释电传感器电路图。

图3为本发明的实施例二的热释电传感器电路图。

图4为本发明的温度补偿传感器与传统非温度补偿传感器受温度梯度影响比较。

图5为本发明的温度补偿传感器与传统非温度补偿传感器对瞬变温度响应比较。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图1，本发明所提及的热释电传感器100，该热释电传感器100包括基座10、封帽30、引脚20、滤光片40、第一热释电探测元60、前置放大器50、第二热释电单元60’、遮光元件70。

基座10的上端设置有上凸台，该上凸台的外径小于等于封帽30的内径，基座10的上端对应插接在封帽30的下端内，上凸台侧面与封帽30内壁之间的缝隙填充有绝缘密封材料。

引脚20设置在基座10的下端，用于将电信号引出。

前置放大器50设置在上凸台上表面，其输出端与引脚20连接。

第一热释电探测元60与前置放大器50电连接，并设置在前置放大器50上方。

第二热释电探测元60’与前置放大器50电连接，并设置在前置放大器50上方。

第一热释电探测元60与第二热释电探测元60’电连接，且两者相邻放置。

遮光元件70设置在第二热释电探测元60’外表面上。

封帽30的顶端设置有一开口301，该开口301位于第一热释电探测元60和第二热释电探测元60’正上方。

滤光片40设置在封帽30的顶端开口内侧，贴附在封帽30顶端内壁上，滤光片40为带通滤光片，使特定波长的红外辐射选择性地通过，到达第一热释电探测元60，在其截止范围外的红外辐射则不能通过。

前置放大器50、第一热释电探测元60与第二热释电探测元60’集成封装在单个芯片内。

第一热释电探测元60包括热释电晶体，以及镀在热释电晶体两面的金属电极，第二热释电探测60’元与第一热释电探测元60结构相同。

第一热释电探测元60是热释电传感器的核心元件，它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当第一热释电探测元60受到非恒定强度的红外光照射时，产生的温度变化导致其表面电极的电荷密度发生改变，从而产生热释电电流。

前置放大器50由一个高内阻的场效应管源极跟随器T1构成，通过阻抗变换，将第一热释电探测元60微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

下面结合附图所示并根据本发明的目的，示例性地描述前述具有零点温度补偿的热释电传感器的实现。

实施例一

结合图2，在第一热释电传感器60内部增加零点温度补偿元件以提高传热释电感器的温度稳定性。将两个极性相反、特性一致的热释电探测元60、60’并联在一起，具体连接方式如下：第一热释电探测元60的正极与第二热释电探测元60’的负极相连，再连接至前置放大器50的栅极；第一热释电探测元60的负极与第二热释电探测元60’的正极相连，再连接至前置放大器50的源极。

第一热释电探测元60作为工作元件，第二热释电探测元60’作为温度补偿元件，能够有效补偿温度对第一热释电探测元60的影响。优选的，第二热释电探测元60’被遮光元件70遮蔽，因此不响应红外光，只是作为一个有效电容工作，当传感器封帽30温度发生变化时，第一热释电传感器60和第二热释电探测元60’由此产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高传感器的温度稳定性。当然第二热释电探测元60’也可以采用其他遮蔽红外光的方式，例如在第二热释电探测元60’的外表面设置阻挡红外光的涂层。

场效应管T1的栅极连接门电阻R1，场效应管T1的源极接有源极电阻R_S，电压增益A_V与场效应管在工作点的跨导g_fs和源极电阻R_S有关，按下式计算：

由公式(1)可知，增大源极电阻R_S，或减小漏极电流可以提高前置放大器50的电压增益A_V。但是增大源极电阻R_S的同时，输出电阻会变大，从而导致漏极电压升高，当源极电阻R_S达到100Kohm时，漏极电压会升高到15V，因此源极电阻R_S不应过大，一般不超过100Kohm。增大电压增益A_V能降低温度对跨导g_fs的影响，提高增益的温度稳定性。

热释电传感器100的信号转换可以概述为三个阶段：

热转换阶段：辐射通量为ΔΦ的调制辐射光经过透射率为τ的红外滤光片到达第一热释电探测元60，辐射通量τΔΦ被第一热释电探测元60表面吸收后，产生温度变化ΔT；

热电转换阶段：在τΔΦ的作用下，第一热释电探测元60的表面电极产生电荷密度变化ΔQ；

电转换阶段：ΔQ通过前置放大器50转换为电压信号Δu输出。

热转换阶段产生的转换温差ΔT越大，传感器的响应率和信噪比越高。

结合图4，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感器在温度梯度的作用下偏置电压的变化不同，所述温度补偿型热释电传感器包括第一热释电探测元60及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，非温度补偿型热释电传感器不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’。图中壳体温度即为封帽30的温度，从图中可以看出，增加了第二热释电探测元60’作为补偿元件后传感器100的偏置电压几乎不受温度梯度的影响。

结合图5，温度瞬变的条件下，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感器的阶跃响应曲线不同，所述温度补偿型热释电传感器包括的第一热释电探测元60及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，非温度补偿型热释电传感器不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’。从图中可以看出，当环境温度从25℃快速升高到40℃时，非温度补偿型热释电传感器的偏压跃变非常大，与之相比，温度补偿型热释电传感器100的阶跃响应很小，恢复时间也短得多。需要注意的是，由于加工误差的原因，传感器的阶跃响应可能为正也可能为负。

从而，本发明实施例一的温度补偿型热释电传感器基本不受温度影响，在温度瞬变的条件下也能比较快的恢复，第二热释电探测元60’能够有效补偿温度对第一热释电探测元60造成的影响，从而保证采集信号的精确性。

实施例二

结合图3，本发明实施例二与实施例一的区别在于，热释电探测元60、60’串联在一起，两者极性相反且特性一致，具体连接方式如下：第一热释电探测元60的正极连接至前置放大器50的栅极；第一热释电探测元60的负极与第二热释电探测元60’的负极连接；第二热释电探测元60’的正极连接至前置放大器50的源极。其中第一热释电探测元60作为工作元件，第二热释电探测元60’作为补偿元件，能够有效补偿温度对第一热释电探测元60的影响。优选的，第二热释电探测元60’被遮光元件70遮蔽，因此不响应红外光，只是作为一个有效电容工作，当传感器100封帽30温度发生变化时，第一热释电传感器60和第二热释电探测元60’由此产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高传感器的温度温度性。

从而，本发明实现了将温度影响降低到最小，使热释电传感器的测量结果更为精确。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。