具有零點溫度補償的熱釋電傳感器的製作方法
2023-06-21 05:26:01
本實用新型涉及熱釋電傳感器，特別是涉及一種具有零點溫度補償的熱釋電傳感器。
背景技術：
紅外熱釋電傳感是微電子與固體電子領域的一種集成設計，廣泛用於消防、化工氣體的檢測並智能量化顯示氣體參數、紅外檢測報警、紅外遙控、光譜分析等領域。環境溫度的變化會影響熱釋電傳感器內部組件的特性，使傳感器的信號和噪聲發生偏移，特別是溫度梯度會使傳感器的輸出信號產生波動，增加輸出的不穩定性。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係，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生一個極大的低頻信號，甚至超出前置放大器的工作範圍，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有關，時間常數越大，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。
改善傳感器結構，可以減小時間常數，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的熱釋電傳感器。
技術實現要素：
本實用新型的第一目的在於克服現有技術之不足，提供一種具有零點溫度補償的熱釋電傳感器，所述熱釋電傳感器能夠將溫度影響降低到最小，使熱釋電傳感器的測量結果更為精確。
本實用新型的第二目的在於提供一種具有零點溫度補償的熱釋電傳感器信號轉換處理方法。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：所述具有零點溫度補償的熱釋電傳感器包括基座、封帽、引腳、濾光片、第一熱釋電探測元及前置放大器，所述濾光片設於封帽的開口處，所述前置放大器設於基座上，第一熱釋電探測元與前置放大器電連接並設於前置放大器上方，所述封帽罩在第一熱釋電探測元外圍，基座下方引腳將電信號引出，還包括用於溫度補償的第二熱釋電探測元，所述第二熱釋電探測元與第一熱釋電探測元極性相反且特性一致，所述第二熱釋電探測元與第一熱釋電探測元電連接。
進一步的，所述具有零點溫度補償的熱釋電傳感器還包括紅外遮光元件，所述紅外遮光元件遮蔽第二熱釋電探測元。
進一步的，所述具有零點溫度補償的熱釋電傳感器的第二熱釋電探測元與第一熱釋電探測元並聯。
進一步的，所述具有零點溫度補償的熱釋電傳感器的第二熱釋電探測元與第一熱釋電探測元串聯。
進一步的，所述具有零點溫度補償的熱釋電傳感器的前置放大電路器與第一熱釋電探測元、第二熱釋電探測元集成封裝。
進一步的，所述具有零點溫度補償的熱釋電傳感器的前置放大器包括場效應管，所述場效應管的源極電阻小於或等於100KΩ。
採有本實用新型進行信號轉換處理方法，至少包括以下步驟：
1)輻射通量為ΔΦ的調製輻射光經過透射率為τ的濾光片到達第一熱釋電探測元，輻射通量τΔΦ經過第一熱釋電探測元表面吸收後，產生溫度變化ΔT；
2)第一熱釋電探測元將溫度變化ΔT轉化為電荷密度變化ΔQ；
3)第一熱釋電探測元的表面電極產生的電荷密度變化ΔQ通過前置放大器處理，轉換為電壓信號輸出Δu。
與現有技術相比較，本實用新型的有益效果是：
本實用新型的具有零點溫度補償的熱釋電傳感器，能夠將溫度影響降低到最小，使熱釋電傳感器的測量結果更為精確。
附圖說明
圖1為本實用新型實施例1的熱釋電傳感器結構剖視圖；
圖2為本實用新型實施例1的熱釋電傳感器電路圖；
圖3為本實用新型實施例2的熱釋電傳感器電路圖；
圖4為本實用新型溫度補償傳感器與傳統非溫度補償傳感器受溫度梯度影響比較；
圖5為本實用新型溫度補償傳感器與傳統非溫度補償傳感器對瞬變溫度響應比較。
具體實施方式
以下實施例將結合附圖對本實用新型作進一步詳細說明。
實施例1
參照圖1，本實施例的熱釋電傳感器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及前置放大器50，所述濾光片40設於封帽30的開口處301，所述前置放大器50設於基座10上，第一熱釋電探測元60與前置放大器50電連接並設於前置放大器50上方，所述封帽30罩在第一熱釋電探測元60外圍，基座10下方引腳20將電信號引出，還包括用於溫度補償的第二熱釋電探測元60』，所述第二熱釋電探測元60』與第一熱釋電探測元60極性相反且特性一致，所述第二熱釋電探測元60』與第一熱釋電探測元60電連接。
所述第一熱釋電探測元60、前置放大器50和第二熱釋電探測元60』真空封裝在金屬管材質的封帽30內。所述濾光片40為帶通濾光片，它封裝在封帽30的頂端，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，在其截止範圍外的紅外輻射則不能通過。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後，加電極化製成，相當於一個以熱釋電晶體為電介質的平板電容器。當第一熱釋電探測元60受到非恆定強度的紅外光照射時，產生的溫度變化導致其表面電極的電荷密度發生改變，從而產生熱釋電電流。前置放大器50由一個高內阻的場效應管源極跟隨器構成，通過阻抗變換，將第一熱釋電探測元60微弱的電流信號轉換為有用的電壓信號輸出。
在第一熱釋電傳感器60內部增加零點溫度補償元件以提高傳熱釋電感器的溫度穩定性。將兩個極性相反、特性一致的熱釋電探測元60、60』並聯在一起，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』由此產生的幹擾信號會相互抵消，因此能夠提高傳感器的溫度穩定性。當然第二熱釋電探測元60』也可以採用其他遮蔽紅外光的方式，例如在第二熱釋電探測元60』的外表面設置阻擋紅外光的塗層。
參見圖2，第一熱釋電探測元60與第一熱釋電探測元60』並聯後接於前置放大器60的場效應管T1的柵極，所述第一熱釋電探測元60與第二熱釋電探測元60』的極性相反且特性一致。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RS，電壓增益AV與場效應管在工作點的跨導gfs和源極電阻RS有關，按下式計算：
由公式(1)可知，增大源極電阻RS，或減小漏極電流可以提高前置放大器50的電壓增益AV。但是增大源極電阻RS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RS達到100Kohm時，漏極電壓會升高到15V，因此源極電阻RS不應過大，一般不超過100Kohm。增大電壓增益AV能降低溫度對跨導gfs的影響，提高增益的溫度穩定性。
熱釋電傳感器100的信號轉換可以概述為三個階段：
熱轉換階段：輻射通量為ΔΦ的調製輻射光經過透射率為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表面吸收後，產生溫度變化ΔT；
熱電轉換階段：在τΔΦ的作用下，第一熱釋電探測元60的表面電極產生電荷密度變化ΔQ；
電轉換階段：ΔQ通過前置放大器50轉換為電壓信號Δu輸出；
熱轉換階段產生的轉換溫差ΔT越大，傳感器的響應率和信噪比越高。
參見圖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及與其並聯的用於溫度補償的第二熱釋電探測元60』，所述非溫度補償型熱釋電傳感器不包括用於溫度補償的第二熱釋電探測元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』作為補償元件後傳感器100的偏置電壓幾乎不受溫度梯度的影響。
參見圖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及與其並聯的用於溫度補償的第二熱釋電探測元60』，所述非溫度補償型熱釋電傳感器不包括用於溫度補償的第二熱釋電探測元60』。從圖中可以看出，當環境溫度從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，由於加工誤差的原因，傳感器的階躍響應可能為正也可能為負。
綜上，本實用新型實施例1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，從而保證採集信號的精確性。
實施例2
如圖3所示，與實施例1類似，其區別在於，所述熱釋電探測元60、60』串聯在一起，兩者極性相反且特性一致。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』由此產生的幹擾信號會相互抵消，因此能夠提高傳感器的溫度溫度性。
上述實施例僅用來進一步說明本實用新型的幾種具體的實施例，但本實用新型並不局限於實施例，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本實用新型技術方案的保護範圍內。