红外热电堆温度传感器的自测试和自校准系统

摘要

本发明公开了一种红外热电堆温度传感器的自测试和自校准系统，实现红外热电堆温度传感器在片上电激励下的自测试和自校准。其特点在于根据传统的MEMS工艺，为红外热电堆温度传感器提供电激励的同时，能够利用片上激励，对热电堆输出的信号进行放大，模数/数模转换和数字处理，从而实现对红外热电堆温度传感器片上响应率的自测试和自校准。优化了外部环境对热电堆温度传感器响应率的影响，减少了使用片外高精度的设备产生的测试和校准费用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种针对红外热电堆温度传感器的自测试和自校准系统，可应用于红外热电堆温度传感系统内部电路设计中。

背景技术

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度(-273℃)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就会不断地发射红外辐射。并且不同温度的物体所释放的红外能辐射功率是不一样的，因此通过检测物体向外发射的红外辐射功率，探测器单元可以得到物体的温度。红外探测器可以将入射辐射信号转变成电信号输出的器件，使许多原本人眼察觉不到的热像转变成可以察觉和测量的其他物理量，从而加深了对自然界本质的认识。热电堆红外探测器是一种非接触式和非制冷型的红外探测器，相对于其他红外探测器来说具有能够主要检测恒定辐射量，可对静态物体进行探测输出信号，无需偏置电压，测试放大电路简单和制备成本低等优点，因此在军用领域和民用领域得到了较为广泛的应用。

随着半导体制造工艺的发展，在微电子制造工艺基础上吸收融合其它加工工艺技术的MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)技术逐渐发展起来。同时在器件工艺得到迅速发展的今天，MEMS技术几乎应用到了各个领域，尤其是要求小尺寸、高精度、高可靠性及低功耗的高科技领域，给人类的生活产生了巨大的变化。同时自MEMS技术引进入红外探测器制作之后，红外探测器显示出了更大的优势。

然而一方面MEMS器件的参数值可能会因为环境变量(温度和压力)和制造工艺变量的变化而变化,同时MEMS传感器设备的灵敏度是随环境温度的变化影响较大的参数，因此现在的MEMS芯片在运用于相应领域前都要利用大型的校准设备进行出厂校准，由此产生了高额的校准费用；另一方面随着MEMS技术的发展，高度集成的电路被广泛应用，MEMS除了电激励外，还需测量声、光、振动、流体、压力、温度或化学等激励的输入输出，因此测试这些电路变得越来越困难，同时产生的测试成本也居高不下。

发明内容

为有效降低MEMS红外探测器的校准与测试成本并降低其测试难度，本发明提出了一种适用于红外热电堆温度传感器的自测试和自校准系统，以实现采用系统中的电信号作为测试激励并在系统中对传感器的测试响应进行分析与判别，从而实现传感器系统的片上自测试和自校准。

为了实现以上目的，本发明所提出的系统主要包括：(1)感知红外辐射的热电堆和用于提供发热源的发热电阻，发热电阻的供电电压值由片上数字处理模块输出，输出的数字自测试供电电压信号经过片上数模转换器转换为模拟电压值连接到发热电阻一端，发热电阻的另一端接地，电势为0；(2)发热电阻两端的电压差通过模数转换器连接到数字处理模块的输入端；(3)热电堆的响应输出电压信号经过放大器和模数转换器后作为数字处理模块的输入端；(4)本地温度测量电路将探测出的本地温度信号通过模数转换器连接到数字处理模块的输入端；(5)数字处理模块接收各个模数转换器ADC的输出信号，内部分析和判断后输出数字供电电压到数模转换器DAC或者直接数据输出。

上述系统的自测试和自校准过程分别为：在自测试模式下，数字处理模块产生大于0的自测试供电电压传送到发热电阻，从而使其发热为热电堆提供热辐照，热电堆吸收发热电阻产生的热辐照，从而得到响应电压差值ΔV₁，结合获得的发热电阻两端的电压差Vr₁从而计算得到此时器件的响应率R₁并保存，然后重复改变发热电阻的热辐照功率，获得发热电阻两端变化的电压差值Vr₂和热电堆输出的变化电压差值ΔV₂，计算每一次改变热辐照功率时的响应率R₂并保存，将两次得到的响应率R₁和R₂进行差值，并对差值运算结果进行分析和判断后获得测试结果，从而实现红外热电堆温度传感器响应率的片上自测试；在自校准模式下，片上自测试供电电压信号输出为0，数字处理模块通过内部计数，自校准信号被激活，从而使一个大于0的自校准供电电压传送到发热电阻，使其发热为热电堆提供热辐照，热电堆吸收发热电阻产生的热辐照，得到此时的响应电压差值ΔV和发热电阻两端的电压差值Vr，从而计算得到此时器件的响应率R并保存，然后片上自校准供电电压信号输出为0，发热电阻不发热，热电堆通过吸收红外辐射正常工作，此时利用自校准供电电压下计算出的响应率R和红外辐射效率，估算出实际的红外响应率，从而实现红外热电堆温度传感器响应率的片上自校准。

上述热电堆的自测试方法具体为：根据热电堆红外探测器的响应率R为在给定的辐照功率P下，热电堆的输出电压ΔV与入射辐照功率的比值，表示为：

$>R=\frac{\Delta V}{P}---(1-2)$>

其中发热电阻产生的辐照功率P为：

$>P=ϵ\frac{V_r^2}{r}---(1-3)$>

公式(1-3)中V_r为发热电阻两端的电压，r为发热电阻阻值，ε为发热电阻的辐射系数；将公式(1-3)代入公式(1-2)得：

$>R=\frac{\Delta V}{P}=\frac{r\Delta V}{{\mathrm{ϵV}}_r^2}---(1-4)$>

利用公式(1-4)得到在两次不同热辐射条件下各自的响应率R₁和R₂为：

$>R_1=\frac{{\mathrm{\Delta V}}_1}{P_1}=\frac{{\mathrm{r\Delta V}}_1}{{\mathrm{ϵV}}_{r1}^2},R_2=\frac{{\mathrm{\Delta V}}_2}{P_2}=\frac{{\mathrm{r\Delta V}}_2}{{\mathrm{ϵV}}_{r2}^2}---(1-5)$>

从而计算R₁和R₂二者差值δ：

δ＝|R₁-R₂|(1-6)

根据公式(1-6)在数字处理模块中设定误差阈值δ_T，当δ≤δ_T时，说明热电堆正常工作，测试通过；否则说明热电堆工作异常，测试不通过。

探测器的响应率的自校准方法具体为：根据热电堆吸收红外辐射的效率η的表达式

$>\eta =\frac{R_O}{R_e}---(1-7)$>

其中R_O为探测器的红外响应率，R_e为探测器的电学响应率，通过系统内部计数，自校准信号被激活，产生一个自校准供电电压信号，利用在此电压信号的作用下获得的发热电阻两端的电压V_r和响应的热电堆的输出电压ΔV，可以得到此时探测器的电学响应率R_e，最后结合公式(1-7)得到在当前环境温度下的响应率R_O为：

$>R_O=\eta *R_e=k*r*\frac{\Delta V}{V_r^2}---(1-8)$>

其中k＝η/ε，为常数，r为发热电阻阻值，利用公式(1-8)可以实时的进行响应率的自校准。

其中，所述发热电阻的阻值r的确定方法为：通过将热电堆与地相接的那一端断开并且引出，引出的节点与一个固定电阻串联后接地，在初始上电的条件下，测量固定电阻两端的电压，然后通过比例换算得到发热电阻的阻值。

本发明与现有的红外热电堆温度传感器的输出系统相比，其优点在于：本发明在无需额外标准信号源的条件下，能够为红外热电堆温度传感器提供片上激励，进而采用一个有序的设计流程实现实时的红外热电堆温度传感器自测试和自校准。节省了红外热电堆温度传感器的测试和校准费用，具有结构简单，操作方便，成本低等特点。

附图说明

图1为红外热电堆温度传感器典型结构图。

图2为本发明的片上自测试和自校准系统电路图。

图3为本发明的红外热电堆温度传感器片上自测试工作流程图。

图4为本发明的红外热电堆温度传感器片上自校准工作流程图。

图5为本发明的红外热电堆温度传感器片上自测试和自校准之间的操作关系。

具体实施方式

下面将参照附图和结合工作原理对本发明进行详细描述。

图1为红外热电堆温度传感器典型结构图。主要包括热电堆1、放大器2、本地温度测量电路3以及温度计算电路4等。工作原理为：根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律(一个黑体表面的辐射功率与黑体本身的热力学温度的四次方成正比，也与黑体的表面积成正比)和塞贝克效应(闭合回路由逸出功不同的两种导体材料组成，两种材料由于温度差而产生电压差),热电堆1通过将感知待测物体的红外辐射转化为电压差信号△V，此电压差信号通过放大器2后输入到温度计算电路4中，于此同时，本地温度测量电路3通过测量获得用电压值表示的本地温度T₀，将此电压值传送到温度计算电路4中。温度计算电路4获得热电堆两端的电压差信号△V和本地温度信号T₀后，利用响应率R和公式(1-1)可获得待测物体的温度T₁。

$>T_1=\sqrt[4]{\frac{\Delta V}{A_{s}Ra\sigma }+T_0^4}---(1-1)$>

其中A_s为热电堆吸收面积，a分别为待测物体和热电堆的辐射系数相关常数，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数。

为了实现片上热电堆响应率的自测试和自校准，本发明利用了一个发热电阻，此发热电阻的作用是产生测试和校准激励，具体电路如图2所示：发热电阻1的供电电压值由片上数字处理模块7提供，所述数字处理模块7输出的数字自测试供电电压信号经过片上数模转换器5转换为模拟电压值连接到发热电阻1一端(p端)，发热电阻1的另一端(q端)接地；发热电阻1两端的电压差通过模数转换器6连接到数字处理模块7的输入端；热电堆的响应输出电压信号依次经过放大器2和模数转换器6后连接数字处理模块7的输入端；本地温度测量电路3将探测出的本地温度信号通过模数转换器6连接到数字处理模块7的输入端；所述数字处理模块7接收各个模数转换器6的输出信号，分析和判断后输出数字供电电压到数模转换器5或者直接数据输出。在自测试模式下，数字处理模块7产生的大于0的数字电压信号经过DAC(Digital/AnalogConverter：数模转换器)5转换为发热电阻的供电电压8，从而发热电阻发热为热电堆提供热辐射，热电堆感知到发热电阻产生的热辐射后，由斯蒂芬-玻尔兹曼定律和塞贝克效应产生一个电压差。在自校准模式下，数字处理模块7首先产生一个大于0的数字电压信号,此电压信号使发热电阻发热产生热辐射，从而使热电堆产生相应的电压差，然后数字处理模块7产生为0的数字电压信号，此时发热电阻不发热，热电堆处于正常工作模式。发热电阻的一端(p端)与片上DAC5输出的自测试供电电压信号相连，此电压信号是由数字处理模块7产生，经过DAC数模转换器5后形成。

本发明利用了一个片内的电压激励信号作为输入，使发热电阻发热，热电堆产生一个代表温度的电压信号，然后运用一个电压放大器对输出的电压信号进行放大，运用一个ADC(Analog/DigitalConverter：模数转换器)对放大后的信号进行转换后形成一个代表温度的数字信号，将此数字信号和发热电阻两端的电压信号进行逻辑运算后得到此时的响应率,然后调整输入电压，对2个不同辐照条件的响应率进行差值，接着对测试结果分析和判断，若测试结果出现错误则停止芯片的运行，若测试结束时还没有发现错误则测试通过，接着调整输入电压，利用由电阻发热产生的热电堆响应电压值和发热电阻两端的电压值，对热电堆进行响应率的校准。由此实现了热电堆的自测试和自校准。

利用发热电阻产生的激励信号、发热电阻两端的电压信号、模拟元器件和数字处理电路得到图2所示的自测试和自校准系统结构图。在图2所示的系统结构下，数字处理模块7首先产生连接到发热电阻上的自测试或者自校准供电电压，然后接收由电阻发热的热电堆响应输出电压和发热电阻两端的电压，最后对接收到的电压信号进行自测试或者自校准逻辑运算后输出。其中整个红外热电堆温度传感器自测试和自校准具体实现为：根据热电堆红外探测器的响应率R为在给定的辐照功率P下，热电堆的输出电压ΔV与入射辐照功率的比值，表示为：

$>R=\frac{\Delta V}{P}---(1-2)$>

其中发热电阻产生的辐照功率P为：

$>P=ϵ\frac{V_r^2}{r}---(1-3)$>

公式(1-3)中V_r为发热电阻两端的电压，r为发热电阻阻值，ε为发热电阻的辐射系数。将公式(1-3)代入公式(1-2)得：

$>R=\frac{\Delta V}{P}=\frac{r\Delta V}{{\mathrm{ϵV}}_r^2}---(1-4)$>

利用公式(1-4)可以得到在两次不同热辐射条件下各自的响应率R₁和R₂为：

$>R_1=\frac{{\mathrm{\Delta V}}_1}{P_1}=\frac{{\mathrm{r\Delta V}}_1}{{\mathrm{ϵV}}_{r1}^2},R_2=\frac{{\mathrm{\Delta V}}_2}{P_2}=\frac{{\mathrm{r\Delta V}}_2}{{\mathrm{ϵV}}_{r2}^2}---(1-5)$>

从而计算R₁和R₂二者差值：

δ＝|R₁-R₂|(1-6)

根据公式(1-6)在数字处理模块中设定误差阈值δ_T，当δ≤δ_T时，说明热电堆正常工作，测试通过；否则说明热电堆工作异常，测试不通过；由此实现热电堆的自测试。

由于在不同的环境温度下，热电堆的响应率会随着环境温度的变化而发生变化，所以在热电堆的自测试结果通过的条件下，利用热电堆的响应数据进行温度计算还需要对热电堆的响应率进行实时校准。

在自校准时根据热电堆吸收红外辐射的效率η的表达式：

$>\eta =\frac{R_O}{R_e}---(1-7)$>

其中R_O为探测器的红外响应率(吸收特定红外辐射功率时热电堆的输出电压与该辐射功率的比值)，R_e为探测器的电学响应率(吸收特定阻值的发热功率时热电堆的输出电压与该发热功率的比值)，通过系统内部计数，自校准信号被激活，产生一个自校准供电电压信号，利用在此电压信号的作用下获得的发热电阻两端的电压V_r和响应的热电堆的输出电压ΔV，可以得到此时探测器的电学响应率R_e，最后结合公式(1-7)可以得到在当前环境温度下的响应率R_O为：

$>R_O=\eta *R_e=k*r*\frac{\Delta V}{V_r^2}---(1-8)$>

其中k＝η/ε，为常数，发热电阻的阻值r的确定方法为：通过将热电堆与地相接的那一端(q端)断开并且引出，引出的节点与一个固定电阻串联后接地，在初始上电的条件下，测量固定电阻两端的电压(q端的电压)，然后通过比例换算得到发热电阻的阻值。利用公式(1-8)可以实时的进行响应率的自校准，校准后的响应率可以按照公式(1-1)来计算实际的温度，从而使输出的温度更为准确。

图3为本发明所设计的红外热电堆温度传感器片上自测试工作流程图。器件上电后，数字处理模块首先读取由于工艺误差产生的偏置电压(零点电压)，紧接着内部产生发热电阻的自测试供电电压值，并读取此时的响应输出△V₁和Vr₁值，然后计算出此时的响应率R₁并判断是否为0，若是，说明热电堆无法对热辐照正常响应，则测试不通过，同时停止芯片运行，否则保存响应率R₁并继续进行自测试操作。数字处理模块内部继续调整发热电阻的供电电压值，并读取此时的△V₂和Vr₂值，同时计算出此时的响应率R₂并保存，然后对响应率R₁和R₂进行差值，通过比较响应误差δ与误差阈值δ_T的大小对测试结果进行分析和判断。若测试结果无误，则再次测试，重复上诉步骤直至满足测试质量要求为止；若测试过程中出现一次错误，则停止整个芯片的运行，表示测试不通过，反之则测试通过，进行下一步的自校准操作。

基于红外热电堆温度传感器片上自校准的工作流程如图4所示。数字处理模块首先读取由于工艺误差产生的偏置电压(零点电压)，然后内部开始计数，当计数值达到预先设定值时产生一个一个自校准信号和发热电阻的自校准供电电压值，使电阻发热产生热辐射，然后通过读取此时热电堆的响应输出△V和Vr，从而进行响应率R_e的计算并保存，最后利用公式(1-9)对当前环境下的响应率R_O进行实时校准并输出，重复此过程直到器件断电为止。

由图3和图4的工作流程图可以得到本发明所设计的红外热电堆温度传感器片上自测试和自校准之间的操作关系，具体关系如图5所示。首先发热电阻在自测试或者自校准供电电压的作用下产生热辐射，然后热电堆吸收电阻的热辐射从而产生响应输出电压，接着根据发热电阻两端的电压和热电堆的输出电压进行响应率的计算，最后进行自测试下的测试结果判断或者自测试完成后的响应率校准运算和结果输出。在整个操作过程中自测试和自校准之间的关系包含以下几点：(1)自测试和自校准过程都是以器件的响应率为基础；(2)自测试和自校准的运行都是在电阻发热的条件下进行的；(3)整个芯片的自测试结果无误后才能进行自校准运算；(4)自测试和自校准过程都需要提供发热电阻的供电电压；(5)自测试过程中需要调整供电电压值，自校准过程中可以不调整供电电压值。

本发明在分析响应率R基础上，根据不同条件下的热辐照功率P和热电堆的输出响应△V，提出了对热电堆响应率的自测试和自校准。使用此系统，自测试和自校准速度快，相对于使用外部昂贵的测试和校准设备，不仅解决了片内自测试和自校准的问题，减小了测试和校准系统的体积，在很大程度上缩短了测试和校准时间，以及测试和校准成本。

本发明主要包括：感知红外辐射的热电堆、发热电阻和片内供电电压；在自测试模式下，设置片内供电电压，发热电阻连接的电路导通，电阻发热，发热电阻产生的热辐射被热电堆吸收，吸收的热辐射最后以电压信号的形式输出；在自校准模式下，热电堆通过吸收红外光源而正常工作。将发热电阻中产生的电压变化经过滤波和放大电路处理，可以得到一个与电压的变化量成正比的输出电压值。

本发明设计了一种在电激励下的红外热电堆温度传感器，用电激励替代物理激励实现对温度的检测，在很大程度上使操作简单化。

本发明设计了1个DAC数模转换器,实现对片内的数字供电电压进行数字-模拟的转换，从而转换为传送到发热电阻的模拟输入电压。还设计了2个ADC模数转换器,分别对热电堆的输出电压信号本地温度电压进行模拟-数字的转换，进而实现数字处理功能。

本发明的设计原则是：在测试阶段，数字处理模块内产生自测试数字电压信号，此电压信号经过DAC数模转换后作为发热电阻的模拟供电电压，发热电阻产生热辐照功率并对热电堆进行热辐照，数字处理模块对读取的数据进行计算得到热电堆的响应率R₁，之后调整发热电阻的热辐照功率并计算出此时的响应率R₂，根据响应率R₁和R₂的差值判断测试结果，以实现对红外热电堆温度传感器进行片上自测试的目的；在校准阶段，数字处理模块内部计数，产生自校准信号和自校准供电电压，利用及发热电阻其连接电路为红外热电堆温度传感器提供标准发热源，用数字处理模块对热电堆的响应信号进行响应率R的校准，以实现对红外热电堆温度传感器的片上自校准。

本发明根据传统的MEMS工艺，为红外热电堆温度传感器提供电激励的同时，能够利用片上激励，对热电堆输出的信号进行放大，模数/数模转换和数字处理，从而实现对红外热电堆温度传感器片上响应率的自测试和自校准。优化了外部环境对热电堆温度传感器响应率的影响，减少了使用片外高精度的设备产生的测试和校准费用。

以上理论分析可以用来说明本发明的电路结构和具体流程。在不脱离本发明及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明的保护范围不局限于以上理论分析和附图所公开的内容。