一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于電力電子技術領域，特別涉及了一種具有偏置熱補償功能的微測福射熱計型紅外讀出電路。
【背景技術】
[0002]根據普朗克輻射定理，任何溫度高于絕對零度的物體，其內部都會發生分子熱運動，從而產生波長不等的紅外輻射。如何將這種紅外輻射轉換為可測量的信號來探測客觀世界成為人類不斷奮斗的目標。紅外焦平面陣列探測器就是人們在不斷探索中的一個產物。
[0003]傳統的焦平面陣列擁有極高的靈敏度，幾乎已經接近了背景限，但這種光電子探測器在工作溫度較高時，本身固有的熱激發過程快速增加，使得暗電流和噪聲迅速上升，極大地降低了焦平面探測陣列的性能，所以需要制冷設備使其工作在低溫環境下。但是由于制冷設備的存在，使得探測系統在體積、重量、功耗和成本方面都大量增加，從而增加了它應用的困難性。隨著技術的不斷發展，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器可在常溫下工作，無需制冷設備，并具有質量輕、體積小、壽命長、成本低、功耗小、啟動快及穩定性好等優點。
[0004]微測輻射熱計焦平面陣列(FPA)具有較高的靈敏度，是應用最廣泛的一種非制冷紅外焦平面陣列探測器。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，通過測量其電阻值的變化探測紅外輻射信號的大小。微測輻射熱計普遍采用微機械加工技術制作的懸臂梁微橋結構，橋面沉積有一層具有高電阻溫度系數的熱敏材料，橋面由兩條具有良好力學性能并鍍有導電材料的橋腿支撐，橋腿與襯底的接觸點為橋墩，橋墩電學上連接到微測輻射熱計FPA下的硅讀出電路(ROIC)上。通過橋腿和橋墩，熱敏材料連接到讀出電路的電學通道中，形成一個對溫度敏感并連接到讀出電路上的像素單元。
[0005]其實非制冷紅外焦平面陣列探測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)來穩定其工作溫度，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器的應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升高，襯底溫度的變化會導致焦平面陣列極大的非均勻性，影響讀出結果。通過不斷研宄得出，解決無TEC的非制冷紅外焦平面陣列探測器的非均勻性的關鍵技術，一方面在于工藝上的改進，另一方面在于具有非均勻性校正功能的讀出電路的設計，從電路上對非均勻性進行補償，使得非制冷紅外焦平面陣列探測器在沒有TEC作為溫度穩定裝置的情況下，也能正常工作，輸出具有良好質量的圖像。
[0006]微測輻射熱計是一種熱敏型的紅外探測器，其探測機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、轉化為電壓或電流信號并最終輸出的電路。一個傳統的紅外讀出電路如圖1所示，在電路設計時，敏感像元和盲像元在各自的偏置電壓下，流過它們的電流Is和Ib，在無外界紅外輻射時它們是相等的。在實際使用過程中，偏置引起像元發熱，由于像元對熱敏感，故像元的等效電阻也隨之發生變化。然而，由于敏感像元和盲像元的偏置時間存在明顯差異，故在讀出電路中它們實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生了偏差，該偏差同時會降低讀出電路的動態范圍，因此，需要消除偏置熱效應。
【實用新型內容】
[0007]為了解決上述【背景技術】提出的技術問題，本實用新型旨在提供一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，解決了傳統讀出電路的輸出由于偏置熱產生偏差以及該偏差降低讀出電路的動態范圍的問題。
[0008]為了實現上述技術目的，本實用新型的技術方案為:
[0009]一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，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個依次串聯的電阻，每個電阻分別并聯一個開關，所述PMOS管的漏極經盲像元陣列與盲像元電阻連接；所述盲像元陣列中的各個電阻均與盲像元電阻具有相同的電阻溫度系數。
[0010]其中，上述積分器包括運算放大器和積分電容，所述運算放大器的輸出端經積分電容與運算放大器的負輸入端相連，運算放大器的負輸入端連接PMOS管的源極。
[0011]其中，上述運算放大器的型號為0P07。
[0012]其中，上述NMOS管的型號為2N7000。
[0013]其中，上述PMOS管的型號為S14405。
[0014]采用上述技術方案帶來的有益效果:
[0015]本實用新型在傳統紅外電路的基礎上，在盲像元支路增加盲像元陣列RDAC來對偏置熱產生的偏差進行補償，從而獲得更大的輸出動態范圍，避免了偏置熱對動態范圍的壓縮。本實用新型增加的盲像元陣列Rdac由多個電阻串聯而成，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(TCR)，因此，即使襯底溫度發生了變化，也無需對其阻值重新進行調節。若采用普通的半導體電阻構成Rda。，則襯底溫度變化時會使得Rdac與Rb、Rs的變化率不一致，從而極大降低讀出電路的動態范圍。
【附圖說明】
[0016]圖1是傳統紅外讀出電路的結構示意圖。
[0017]圖2是傳統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是本實用新型的結構示意圖。
[0019]圖4是本實用新型中盲像元陣列的結構示意圖。
[0020]圖5是本實用新型的盲像元與敏感像元的阻值變化示意圖。
[0021 ] 標號說明: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:流過盲像元支路的電流；Is:流過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:積分器的基準電壓；Vout:輸出信號；RDA。:盲像元陣列。
【具體實施方式】
[0022]以下將結合附圖，對本實用新型的技術方案進行詳細說明。
[0023]如圖3所示本實用新型的結構示意圖，一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，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^。包括數個依次串聯的電阻(此1、此2、此3-此11)，每個電阻分別并聯一個開關(S1、S2、S3…Sn )，各開關的啟閉由數字信號控制，所述PMOS管PM2的漏極經盲像元陣列與盲像元電阻Rb連接，所述盲像元陣列RDA。中的各個電阻分別與盲像元電阻Rb具有相同的電阻溫度系數。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]在本實施例中，積分器包括運算放大器和積分電容Cint，所述運算放大器的輸出端經積分電容Cint與運算放大器的負輸入端相連，運算放大器的負輸入端連接PMOS管PM2的源極，運算放大器的正輸入端接入基準電壓Vref，運算放大器的輸出端輸出輸出信號 Vout0
[0025]在本實施例中，NMOS管匪2的型號為2N7000。
[0026]在本實施例中，PMOS管PM2的型號為S14405。
[0027]本實用新型在傳統讀出電路的盲像元支路中增加由數字信號控制的盲像元陣列rda。。通過數字信號控制盲像元陣列rda。中的各個開關的啟閉，從而調整盲像元支路上的電阻值，使得在無外界紅外輻射信號時，在一個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)的時間平均值相等。即，流過敏感像元支路的電流Is和流過盲像元支路的電流Ib在一個記分周期中的平均值相等。圖5顯示了上述調節過程，圖5的橫坐標為時間t，縱坐標為阻值R，其中，T表示一個讀出周期，tint為積分周期。
[0028]以上實施例僅為說明本實用新型的技術思想，不能以此限定本實用新型的保護范圍，凡是按照本實用新型提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本實用新型保護范圍之內。
【主權項】
1.一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，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個依次串聯的電阻，每個電阻分別并聯一個開關，各開關的啟閉由數字信號控制，所述PMOS管的漏極經盲像元陣列與盲像元電阻連接，所述盲像元陣列中的各個電阻均與盲像元電阻具有相同的電阻溫度系數。
2.根據權利要求1所述一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，其特征在于:所述積分器包括運算放大器和積分電容，所述運算放大器的輸出端經積分電容與運算放大器的負輸入端相連，運算放大器的負輸入端連接PMOS管的源極。
3.根據權利要求2所述一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，其特征在于:所述運算放大器的型號為0P07。
4.根據權利要求1所述一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，其特征在于:所述NMOS管的型號為2N7000。
5.根據權利要求1所述一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，其特征在于:所述PMOS管的型號為S14405。
【專利摘要】本實用新型公開一種具有偏置熱補償功能的微測輻射熱計型紅外讀出電路，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，盲像元陣列包括數個依次串聯的電阻，每個電阻分別并聯一個開關，各開關的啟閉由數字信號控制，PMOS管的漏極經盲像元陣列與盲像元電阻連接，盲像元陣列中各個電阻均與盲像元電阻具有相同的電阻溫度系數。本實用新型解決傳統讀出電路輸出因偏置熱產生偏差以及因該偏差降低讀出電路動態范圍的問題。
【IPC分類】G01J5-24
【公開號】CN204535859
【申請號】CN201520198702
【發明人】韋良忠, 劉燕, 陳黎明
【申請人】無錫艾立德智能科技有限公司
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月3日