热释电传感器及信号转换方法与流程

本发明涉及传感器领域，具体而言，涉及一种热释电传感器及信号转换方法。

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：

本发明的目的在于提供一种热释电传感器及信号转换方法，其能够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。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种热释电传感器，其包括引脚、封帽、基座、滤光片、第一热释电探测元、第二热释电探测元、红外遮光件以及前置放大器，所述封帽顶部设置有开口，所述滤光片设置于所述开口处，所述封帽与所述基座连接形成容置空间，所述第一热释电探测元、所述第二热释电探测元以及所述前置放大器位于所述容置空间内，所述引脚位于所述基座下方，与所述前置放大器电连接，所述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元极性相反且特性一致，所述第一热释电探测元分别与所述第二热释电探测元和所述前置放大器电连接，所述红外遮光件覆盖所述第二热释电探测元。

在本发明较佳的实施例中，上述前置放大器设置于所述基座上，所述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元设置于所述前置放大器上。

在本发明较佳的实施例中，上述容置空间为真空状态或者由氮气填充。

在本发明较佳的实施例中，上述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元并联。

在本发明较佳的实施例中，上述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元串联。

在本发明较佳的实施例中，上述第一热释电探测元、所述第二热释电探测元以及所述前置放大器集成封装。

在本发明较佳的实施例中，上述前置放大器由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，所述场效应管的源极电阻小于或等于100KΩ。

在本发明较佳的实施例中，上述封帽由金属材料制成。

在本发明较佳的实施例中，上述滤光片为带通滤光片。

第二方法，本发明实施例还提供了一种热释电传感器信号转换方法，应用于热释电传感器，所述热释电传感器包括滤光片、第一热释电探测元、第二热释电探测元以及前置放大器，所述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元极性相反且特性一致，所述第一热释电探测元分别与所述第二热释电探测元和所述前置放大器电连接，所述红外遮光件覆盖所述第二热释电探测元，所述方法包括：所述滤光片透射辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达所述第一热释电探测元；所述热释电传感器温度变化，所述第一热释电探测元与所述第二热释电探测元产生的干扰信号相互抵消；所述第一热释电探测元吸收辐射通量ΔΦ，产生温度变化ΔT；所述第一热释电探测元将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ，传输所述电荷密度变化到所述前置放大器；所述前置放大器接收所述电荷密度变化ΔQ，将所述电荷密度变化ΔQ转换为电压信号输出Δu。

本发明提供的热释电传感器包括引脚、封帽、基座、滤光片、第一热释电探测元、第二热释电探测元、红外遮光件以及前置放大器。该第一热释电探测元分别与第二热释电探测元和前置放大器电连接，且红外遮光件覆盖第二热释电探测元，由于第二热释电探测元被红外遮光件覆盖，该第二热释电探测元不响应红外光，只作为一个有效电容工作，第二热释电探测元能够为第一热释电探测元提供温度补偿，将温度的影响降低到最小，使热释电传感器的测量结果更为精确。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1示出了本发明实施例提供的热释电传感器的剖面示意图；

图2示出了本发明第一实施例提供的热释电传感器的电路图；

图3示出了本发明实施例提供的热释电传感器与现有的热释电传感器受温度梯度影响的比较图；

图4示出了本发明实施例提供的热释电传感器与现有的热释电传感器对顺便温度响应比较图；

图5示出了本发明第二实施例提供的热释电传感器的电路图；

图6示出了本发明第三实施例提供的热释电传感器信号转换方法的流程图。

图标：100-热释电传感器；110-引脚；120-封帽；130-基座；140-滤光片；150-第一热释电探测元；160-第二热释电探测元；170-红外遮光件；180-前置放大器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供一种热释电传感器100，其包括引脚110、封帽120、基座130、滤光片140、第一热释电探测元150、第二热释电探测元160、红外遮光件170以及前置放大器180。

其中，所述封帽120由金属材料制成，且该封帽120的顶部设有开口，该开口可以为正方形、可以为长方形、也可以为圆形，该滤光片140设置于该开口处。在本实施例中，所述滤光片140为带通滤光片，该滤光片140的作用是滤去无用的红外线，让有用的红外线通过，以免引起干扰，即使特定波长的红外辐射选择性的通过，到达第一热释电探测元150，在其截止范围的红外辐射则不能通过，其中，该滤光片140可以是真空镀膜而成。

在本实施例中，所述封帽120与所述基座130连接形成容置空间，其中，作为一种方式，该容置空间为真空状态或者由氮气填充。在本实施例中，所述封帽120与所述基座130可以一体成型，防止空气从所述封帽120和所述基座130的连接处进入所述容置空间，进而破坏所述第一热释电探测元150、第二热释电探测元160以及前置放大器180。

其中，所述第一热释电探测元150、第二热释电探测元160以及所述前置放大器180位于该容置空间当中，作为一种方式，该前置放大器180设置于所述基座130上，所述第一热释电探测元150和第二热释电探测元160设置于所述前置放大器180上，更利于所述第一热释电探测元150吸收红外射线，反应更加灵敏。作为一种方式，所述第一热释电探测元150、第二热释电探测元160以及前置放大器180集成封装，使所述第一热释电探测元150、第二热释电探测元160以及前置放大器180能牢固设置于所述基座130上。

其中，所述红外遮光件170覆盖所述第二热释电探测元160，作为一种方式，该红外遮光件170能够为所述第二热释电探测元160遮蔽红外光，使所述第二热释电探测元160不响应红外光，在本实施例中，所述第二热释电探测元160也可以采用其他的遮蔽红外光的方式，例如，在所述第二热释电探测元160的外表面设置阻挡红外光的涂层等等。

请参照图2，其中，所述第一热释电探测元150分别与所述第二热释电探测元160和前置放大器180电连接，作为一种方式，所述第一热释电探测元150是热释电传感器100的核心元件，它可以是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容，当所述第一热释电探测元150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。在本实施例中，所述第二热释电探测元160与所述第一热释电探测元150特性一致，即所述第二热释电探测元160可以是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容。作为一种方式，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160极性相反，即所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160电连接的时候，正负极相反。

在本实施例中，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160并联连接，其中，该第一热释电探测元150作为工作元件，即所述第一热释电探测元150接收红外光的照射，所述第二热释电探测元160作为温度补偿元件，即所述第二热释电探测元160不响应红外光，该第二热释电探测元160能够有效的补偿温度对第一热释电探测元150的影响，在该实施例中，所述第二热释电探测元160只是作为一个有效电容工作。

其中，所述热释电传感器100的温度发生变化时，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160都会因温度变化产生干扰信号，例如，当环境温度升高，该第一热释电探测元150与第二热释电探测元160的偏置电压会随温度的升高而增大，会干扰信号。在本实施例中，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160特性一致，即受环境温度变化的影响是一致的，由于所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160极性相反，即产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高所述热释电传感器100的温度稳定性，保证其测量结构更为精确。

在本实施例中，所述前置放大器180由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗的变换，将第一热释电探测元150微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。其中，第一热释电探测元150与第二热释电探测元160并联后接于前置放大器180的场效应管T1的栅极，作为一中方式，假设该场效应管的栅极连接门电阻为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：其中，由公式可知，增大源极电阻R_S，或减小漏极电流可以提高所述前置放大器180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100KΩ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100KΩ，即所述场效应管的源极电阻小于或等于100KΩ，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。

其中，所述引脚110位于所述基座130的下方，并往所述热释电传感器100的外部延伸，作为一种方式，所述引脚110与所述前置放大器180电连接，用于将电信号引出。

请参照图3，图3示出了本实施例采用的具有温度补偿的热释电传感器100和现有技术中的热释电传感器在温度梯度作用下偏置电压的变化对比图，其中，本实施例中的热释电传感器100包括电连接的第一热释电探测元150和第二热释电探测元160，现有的热释电传感器不包括第二热释电探测元160。其中，图中壳体温度表示所述封帽120的温度，从图中可以看出，本实施例提供的热释电传感器100的偏置电压几乎不受温度梯度的影响，能够将温度的影响降低到最小，提高测量精度。

请按照图4，图4示出了本实施例采用的具有温度补偿的热释电传感器100和现有技术中的热释电传感器的阶跃响应曲线的对比图，其中，本实施例中的热释电传感器100包括电连接的第一热释电探测元150和第二热释电探测元160，现有的热释电传感器不包括第二热释电探测元160。其中，当环境温度从25℃快速升高到40℃时，现有的热释电传感器的偏压跃变非常大，与之相比，本实施例采用的热释电传感器100的阶跃响应很小，将其受温度的影响降低到最小。

第一实施例提供的热释电传感器100的工作原理是：该热释电传感器100包括引脚110、封帽120、基座130、滤光片140、第一热释电探测元150、第二热释电探测元160、红外遮光件170以及前置放大器180。该第一热释电探测元150分别与第二热释电探测元160和前置放大器180电连接，且红外遮光件170覆盖第二热释电探测元160，由于第二热释电探测元160被红外遮光件170覆盖，该第二热释电探测元160不响应红外光，只作为一个有效电容工作，第二热释电探测元160能够为第一热释电探测元150提供温度补偿，将温度的影响降低到最小，使热释电传感器100的测量结果更为精确。

第二实施例

请参照图5，本实施例提供一种热释电传感器100，其与第一实施例提供的热释电传感器100大致相同，二者的区别在于，在本实施例的实施方式中，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160串联连接。

其中，该第一热释电探测元150作为工作元件，即所述第一热释电探测元150接收红外光的照射，所述第二热释电探测元160作为温度补偿元件，即所述第二热释电探测元160不响应红外光，该第二热释电探测元160能够有效的补偿温度对第一热释电探测元150的影响，在该实施例中，所述第二热释电探测元160只是作为一个有效电容工作。

其中，所述热释电传感器100的温度发生变化时，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160都会因温度变化产生干扰信号，例如，当环境温度升高，该第一热释电探测元150与第二热释电探测元160的偏置电压会随温度的升高而增大，会干扰信号。在本实施例中，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160特性一致，即受环境温度变化的影响是一致的，由于所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160极性相反，即产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高所述热释电传感器100的温度稳定性，保证其测量结构更为精确。

第二实施例提供的热释电传感器100的工作原理是：该热释电传感器100包括引脚110、封帽120、基座130、滤光片140、第一热释电探测元150、第二热释电探测元160、红外遮光件170以及前置放大器180。该第一热释电探测元150分别与第二热释电探测元160和前置放大器180电连接，且红外遮光件170覆盖第二热释电探测元160，由于第二热释电探测元160被红外遮光件170覆盖，该第二热释电探测元160不响应红外光，只作为一个有效电容工作，第二热释电探测元160能够为第一热释电探测元150提供温度补偿，将温度的影响降低到最小，使热释电传感器100的测量结果更为精确。

第三实施例

请参照图6，图6示出了本发明实施例提供的热释电传感器信号装换方法的流程示意图，下面将针对图6所示的流程进行详细的阐述，其中，该方法应用于热释电传感器100，该热释电传感器100包括滤光片140、第一热释电探测元150、第二热释电探测元160、红外遮光件170以及前置放大器180，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160极性相反且特性一致，所述第一热释电探测元150分别与所述第二热释电探测元160和所述前置放大器180电连接，所述红外遮光件170覆盖所述第二热释电探测元160，所述方法包括：

步骤S110：所述滤光片140透射辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达所述第一热释电探测元150。

在本实施例中，所述滤光片140为带通滤光片，该滤光片140的作用是滤去无用的红外线，让有用的红外线通过，以免引起干扰，即使特定波长的红外辐射选择性的通过，到达第一热释电探测元150，在其截止范围的红外辐射则不能通过，作为一种方式，所述滤光片140透射辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达第一热释电探测元150。

步骤S120：所述热释电传感器100温度变化，所述第一热释电探测元150与所述第二热释电探测元160产生的干扰信号相互抵消。

其中，热释电传感器100对温度变化很敏感，当热释电传感器100的温度发生变化时，第一热释电探测元150和第二热释电探测元160受环境温度的影响相同，由于第一热释电探测元150与第二热释电探测元160特性一致，即产生的干扰信号相同，由于第一热释电探测元150与第二热释电探测元160极性相反，即产生的干扰信号相互抵消。将温度的影响降低到最小。

步骤S130：所述第一热释电探测元150吸收辐射通量ΔΦ，产生温度变化ΔT。

作为一种方式，由于红外遮光件170覆盖所述第二热释电探测元160，所述第二热释电探测元160不响应红外光，所述第一热释电探测元150吸收辐射通量ΔΦ，所述第一热释电探测元150是热释电传感器100的核心元件，它可以是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容，当所述第一热释电探测元150受到非恒定强度的红外光照射时，即吸收辐射通量ΔΦ后产生的温度变化ΔT。

步骤S140：所述第一热释电探测元150将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ，传输所述电荷密度变化到所述前置放大器180。

其中，第一热释电探测元150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。即将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ，再将电荷密度变化传输到所述前置放大器180。

步骤S150：所述前置放大器180接收所述电荷密度变化ΔQ，将所述电荷密度变化ΔQ转换为电压信号输出Δu。

在本实施例中，所述前置放大器180由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗的变换，将第一热释电探测元150微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出，即将所述电荷密度变化ΔQ转换为电压信号输出Δu。

本发明实施例提供的热释电传感器信号转换方法首先通过滤光片140透射辐射通量为ΔΦ的调制辐射光到达第一热释电探测元150，使热释电传感器100温度变化，该第一热释电探测元150与第二热释电探测元160产生的干扰信号相互抵消，第一热释电探测元150吸收辐射通量ΔΦ，产生温度变化ΔT，然后第一热释电探测元150将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ，传输所述电荷密度变化到所述前置放大器180，最后前置放大器180接收电荷密度变化ΔQ，将所述电荷密度变化ΔQ转换为电压信号输出Δu。将温度的影响降低到最小，使热释电传感器100的测量结果更为精确。

综上所述，本发明提供的热释电传感器100包括引脚110、封帽120、基座130、滤光片140、第一热释电探测元150、第二热释电探测元160、红外遮光件170以及前置放大器180。该第一热释电探测元150分别与第二热释电探测元160和前置放大器180电连接，且红外遮光件170覆盖第二热释电探测元160，由于第二热释电探测元160被红外遮光件170覆盖，该第二热释电探测元160不响应红外光，只作为一个有效电容工作，第二热释电探测元160能够为第一热释电探测元150提供温度补偿，将温度的影响降低到最小，使热释电传感器100的测量结果更为精确。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。