专利名称：具有增强低频响应反馈放大器的热电检测器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及一种热电检测器装置，特别是涉及一种具有用于在非零的频率上倍增检测器元件电阻负载阻值的反馈路径的热电检测器放大器电路。
每当热电检测器的温度变化时，都将产生少量电荷。往往，这些检测器被设计为响应于入射电磁辐射温度而变化。因此，响应于电磁辐射可改变检测器的温度的任何部位都可以产生电荷。通过把结果转移为一般可用形式的电子仪器可以测量这种电荷。
一般，热电检测器并不被用于测量稳定温度(例如温度计)。采用热电检测器的这种测量要求精确顾及非常少量的电荷，利用目前的可用技术来测量少量电荷是不实际的。因此，热电检测器被用于测量温度的变化。因此，设计为响应于电磁辐射的热电检测器随入射到其上的辐射变化而产生电荷。
热电检测器的一般应用是检测辐射红外线(电磁辐射的一种形式)的人类。一些光学元件被设计为将来自某个空间体积的红外光聚焦到热电检测器上。人类移动进入该空间体积将引起入射到检测器上的电磁辐射的变化，又由于响应而产生少量的电荷。通过加入电子仪器到这种光学和检测器的组合体上，形成一种人体移动传感器。
可能利用多种不同方法来测量热电检测器所产生的电荷。一种通用的方法如
图1所示，是在封装上位于邻近窗口1的热电检测器元件2上并联连接一个负载电阻(RL)，和测量响应于温度的变化而流过热电检测器元件2的电荷所产生的瞬态电压。由于检测器的物理特性，产生的电压幅度随着温度变化率而变化。这种变化经常借助于如图2所示的频率响应曲线予以描述，该图表示每瓦入射能量(引起温度变化的)的峰值电压对所施加能量的频率。
当用在并联负载电阻(RL)的结构时，热电检测器在某个频率上呈现峰值响应。该负载电阻是一个确定该低频峰肩位置的元件。增加负载电阻值则使该峰值向较低频率移动。对于许多应用来说，一个低频峰值是所希望的。但是，需要的负载电阻可能是在数百个KMΩ范围。这种大小的阻值是难以制造的。再有，使用这样的阻值的仪器电路也常常是有问题的。
另一种常规的热电检测器表示在图3，该检测器包括位于邻近窗口6的封装上用作热电检测器元件的缓冲器的运算放大器8。运算放大器附加一个比图1中的FET小得多的偏移电压和按接近于1(0.9995到1.0)的系数复制热电检测器元件7的输出电压。然而，对于热电检测器的各种应用来说，这些性质一般是不严格的，因此FET因为它便宜，所以FET是一种最常用的放大元件。
1994年10月4日授予Masao Inoue的美国专利5,352,895公开了一种热电检测器，该检测器包括用于检测红外辐射的热电元件，和连接到该热电检测元件的用于放大响应于入射能量所产生的相当少量电荷的场效应晶体管(FET)。一些电容器被连接到该FET的源和漏极，用于稳定所施加的电压和去掉高频感应噪声。一个栅电阻被连接在热电元件的两端。热电元件是由PVD或PZT材料制造的，而被用作火警(fire)检测的栅电阻具有从5到10KMΩ范围的阻值，和特别地要求保护10KMΩ。但是FET放大器不能在非零频率上提供栅电阻12阻值的倍增。
1993年11月16日授予Akira Kumada的美国专利5,262,647公开了一种具有热电检测元件和运算放大器的红外检测器，该运算放大器具有斩波器控制电路，能使该检测器检测运动着的人或温度。斩波器机械地截断输入到热电红外检测元件的红外线。增益控制电路波连接到该运算放大器，用于控制放大器的增益。但是，该运算放大器不能在非零频率上提供负载电阻的阻值的倍增。
因此，本发明的目的在于提供在非零频率上倍增负载电阻(RL)的阻值的负载电阻(RL)的结点上接收热电检测器元件输出的反馈缓冲放大器。
本发明的另外一个目的在于通过提供有效的负载电阻阻值作为从缓冲放大器输出端反馈的结果倍增该负载电阻的阻值能够在热电检测器中使用容易制造的较小的电阻。
本发明的再一个目的在于在存有缓冲放大器输入偏置电流的情况下，更容易地处理具有较小负载电阻的热电检测器的静止(零频率)输出。
这些和其它的目的是由包含以下装置的热电检测器实现的。这些装置包括用于检测红外辐射的装置；与检测装置并联用于提供一个负载来测量检测装置输出的装置；连接到检测装置输出端的用于缓冲该输出的装置；和从缓冲装置的输出端连接到输入端的用于产生负载电阻的倍增的装置。该检测装置包括一个热电陶瓷材料。负载电阻包括与第二电阻串联的第一电阻。反馈装置包括连接在缓冲装置的输出端和负载装置之间的一个电容。缓冲装置包括一个场效应晶体管。缓冲装置包括一个运算放大器。缓冲装置包括一个增益近于1的增益。负载阻值的倍增改善了该检测装置的峰值低频响应。缓冲装置包括一个源电阻，用于提供从缓冲装置输出的检测装置的缓冲输出。
该各目的还是由包括以下装置的热电检测器实现的。这些装置包括用于检测红外辐射的装置；与该检测装置并联用于提供一个负载来测量检测装置输出的装置，该负载包括与第二电阻串联的第一负载电阻；连接到检测装置的输出端用于缓冲检测装置的输出的装置，该缓冲装置包括一个输出分压器，该分压器包括与第二源电阻串联的第一源电阻；而且该检测器还包括用于产生负载倍增的从第一源电阻和第二源电阻的结点连接到第一负载电阻和第二电阻的结点的反馈装置。检测装置包括热电陶瓷材料。缓冲装置的反馈装置包括一个电容。缓冲装置包括一个场效应晶体管。缓冲装置包括近于1的增益。负载电阻的倍增改善了检测装置的峰值低频响应。
该各目的还是由一种提供热电检测器的方法实现的，该方法包括以下步骤检测红外辐射；将一个负载与检测红外辐射的装置并联；利用放大装置缓冲检测装置的输出；以及在放大装置中从放大器的输出端连接到其输入端提供一个反馈装置以便产生负载电阻的倍增。检测红外辐射的步骤包括利用具有热电陶瓷材料的传感器的步骤。连接负载的步骤包括将第一电阻与第二电阻串联连接的步骤。提供反馈装置的步骤包括在放大器装置的输出端和放大器装置的输入端的负载之间连接一个电容的步骤。缓冲检测装置输出的步骤包括使用一场效应晶体管的步骤。缓冲检测装置输出的步骤包括使用一个运算放大器的步骤。提供产生负载阻值的倍增的反馈步骤改善了检测装置的低频响应的峰值幅度。
后附的权利要求书具体地指出和清楚地请求保护本发明的主题。阅读了下面结合附图的详细描述后，本发明的各种目的、各个优点和各新颖的特点将是显而易见的，附图中相同标号代表相同的部件，其中图1是具有作为放大元件的场效应晶体管(FET)的常规热电红外辐射检测器的电路图；图2表示来自热电检测元件的电压响应(伏/瓦)对入射到检测器元件的的电磁辐射的频率的曲线图；图3是另外一个具有作为放大元件的运算放大器的常规热电红外辐射检测器的电路图；图4是按照本发明的热电红外辐射检测器的电路图；以及图5是按照本发明的热电红外辐射检测器的另外一个实施例的电路图。
参照图1，表示一个在现有技术中公知的热电检测器，该检测器包括位于邻近封装窗口1的热电检测元件2，连接在热电检测器元件2的两端子之间的负载电阻(RL)，场效应晶体管(FET)3，连接在FET3的漏极和电压源(VS)之间的漏电阻RD，和连接在FET 3的源极和电压源的返回侧的源电阻(RS)。红外幅射通过窗口1和一个滤光片(未示出)，被热电元件2接收。RS和RD电阻和电压源(VS)从外面连接到被封装的具有其RL和放大器FET 3的热电元件2上。经缓冲的信号输出5被提供到FET3的源极(S)。当在FET的栅极(G)和源极(S)之间有附加的偏移电压时，即来自热电检测器元件2的电压在FET 3的源极(S)上以0.95到1.0之间的增益因子被复制。一般较少使用的是在FET 3的漏极(D)上的被放大信号的输出端4。
现在参照图4，图中表示本发明的一个实施例的热电检测器10的电路图。热电检测器10的电路图表示出具有窗口12的封装11，其中具有连接到源极19的外部源电阻(RS)和连接到漏极13的电压源(VS)。封装11包括位于封装11中邻近具有滤光片(未示出)的窗口12的热电检测器元件14，滤光片用于防止白光影响检测元件14，具有负载电阻(RL)的一个电阻网络与连接在热电检测器元件14的两端子之间的电阻R相串联，以及一个场效应晶体管16，其栅极(G)在连接点15与热电检测器元件14的输出端和RL相连接。另外，有一个电容(C)连接在场效应晶体管16的源极19和串联的电阻RL和R的连接点之间。电阻R和热电元件的第二端的连接点被连接到封装11的端子17。源电阻(RS)被从外部连接到FET 16的源极19和端子17之间。电压源(VS)的正端被连接到FET 16的漏极13，而VS的返回侧被连接到封装11的端子17。在FET 16的源极(S)测量跨在电阻RS两端的经缓冲的信号输出18的电压。
仍然参照图4，反馈被从缓冲器FET 16的源极输出端经由电容器C和负载电阻RL引人到缓冲器FET 16的栅极的输入端。这个反馈的效果是通过在典型测量频率下遵循下式倍增负载电阻RL的值
在零频率上负载电阻等于未被倍增的RL+R值。阻值R可以选择为远小于RL和与电容C一起确定反馈路径变为有效的时间。因此，在零频率上，这时C是一个开路电路，负载电阻R+RL近似等于RL。相反，在基本上高于1/2πRC的频率上，其中C可以被认为是一个短路电路，负载电阻近似等于
RC之积可以按需要相加，产生延伸的热电检测器/缓冲器电路的低频响应，直至检测传感器元件14的热响应限制了低频响应为止。因为在实际上高于1/2πRC的频率上RL被倍增，所以RL的阻值不要过高即可实现这种延伸。然而，在零频率上，缓冲器FET 16看到一个基本上仅RL的检测器元件负载，这容易要求其输入偏置电流，如果流入一个大于RL许多倍的阻值的话，则可能引起过大的偏移电压。为了方便起见，如果零频率2RL负载是可容许的，R可以等于RL。由于缓冲器增益系数的变化，特别是在FET缓冲器中增益系数可以被降低并根据缓冲器电路的特性而做得很小。这导致一个较小但更精确的RL的倍增。
虽然图4的热电检测器电路的特定元件可以根据具体的应用变化，但优选实施例包括以下方面热电检测元件14可以由诸如EG&GHeimann Optoelectronics of Montgomeryville公司(Pennsylvania)制造的元件号为LHI888提供的热电陶瓷检测器器件来实现。FET16可以从许多方面得到的2N4338器件来实现。负载电阻RL为20KMΩ,R为2KMΩ,C为27那法，和RS为47KΩ。电源电压(VS)为0.5V。
现在参照图5，图中表示出按照本发明的热电检测器20的另外一个实施例提供了一种增益系数降低的方法。热电检测器20包括具有带滤光片(未示出)的窗口22和连接到一个源极29的外部源电阻(RS)和连接到漏极23的电压源(VS)的封装21。封装21包括邻近窗口22位于封装中的热电检测元件24，具有与电阻R串联的负载电阻RL的电阻网络，所述网络连接到热电检测元件24的两端子之间，以及一场效应晶体管16，其栅极在连接点25与热电检测元件24的输出端和RL连接。另外，电容(C)连接到串联电阻网络R和RL的连接点与串联电阻RS1和RS的连接点上的端子29之间，上述串联电阻RS1和RS形成一个输出分压器，其电阻值小于RL数个数量级。RS1和RS的输出分压器提供了一个较小但更高精度负载阻值倍增。电压源VS的正端被连接到FET 26的漏极23，而VS的返回侧被连接到端子27和RS。在RS1和RS分压器的连接点即端子29上测量缓冲信号输出端28的电压。
因为缓冲的增益系数的变化，特别是在FET缓冲器中，在图5所示的热电检测器20的中增益系数被降低，这导致较小但更精确的RL的倍增。净增益系数等于；
图5所示的热电检测器20的各个元件可以利用与图4中的热电检测器10相同的元件来实现，只是附加的电阻RS1的阻值为4.7KΩ。
本发明已经按某些实施例的形式进行了描述。但在不脱离本发明的情况下对所披露的装置可以作出许多修改将是显而易见的。因此，后附的权利要求书将要覆盖落入本发明的真正的精神和范围内的所有这些变化和修改。
权利要求
1．一种热电检测器，包括用于检测红外辐射的装置；与所述检测装置并联连接用于提供一个负载以测量所述检测装置输出的装置；连接到所述检测装置的输出端用于缓冲所述输出的装置；和所述检测器包括从所述缓冲装置的一个输出端连接到一个输入端的反馈装置，用于产生所述负载的阻值的倍增。
2．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述检测装置包括一种热电陶瓷材料。
3．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述负载装置包括与第二电阻串联的第一电阻。
4．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述反馈装置包括连接在所述缓冲装置的输出端和所述负载装置之间的一个电容。
5．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述缓冲装置包括一个场效应晶体管。
6．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述缓冲装置包括一个运算放大器。
7．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述缓冲装置的增益近于1。
8．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述负载阻值的倍增改善了所述检测装置的峰值低频响应。
9．按照权利要求1所述的热电检测器，其中所述缓冲装置包括一源电阻，用于从所述缓冲装置的输出端提供所述检测装置的缓冲输出。
10．一种热电检测器，包括用于检测红外辐射的装置；与所述检测装置并联连接用于提供一个负载以测量所述检测装置的输出的装置，所述负载包括与第二电阻串联的第一负载电阻；连接到所述检测装置的输出端用于缓冲所述检测装置的输出的装置；所述检测器包括一个输出分压器，该分压器包括与第二源电阻串联的第一源电阻；以及所述检测器包括从所述第一源电阻和所述第二源电阻的连接点连接到所述第一负载电阻和所述第二负载电阻的连接点的反馈装置，用于产生所述负载的倍增。
11．按照权利要求10所述的热电检测器，其中所述测装置包括一种热电陶瓷材料。
12．按照权利要求10所述的热电检测器，其中所述反馈装置包括一个电容器。
13．按照权利要求10所述的热电检测器，其中所述缓冲装置包括一个场效应晶体管。
14．按照权利要求10所述的热电检测器，其中所述缓冲装置的增益近于1。
15．按照权利要求10所述的热电检测器，其中所述负载电阻的倍增改善了所述检测装置的峰值低频响应。
16．一种提供热电检测器的方法，包括以下步骤检测红外辐射；与检测所述红外辐射的装置并联连接一个负载；利用放大装置缓冲所述检测装置的输出；在所述放大装置中提供一个从所述放大装置的输出端连接到输入端的反馈装置，用于产生所述负载的阻值的倍增。
17．按照权利要求16所要求的方法，其中所述检测红外辐射的步骤包括利用具有热电陶瓷材料的检测器。
18．按照权利要求16所要求的方法，其中所述连接所述负载的步骤包括将第一电阻与第二电阻串联连接的步骤。
19．按照权利要求16所要求的热电检测器，其中提供所述反馈装置的步骤包括在所述放大装置的输出端和在所述放大装置的输入端的所述负载之间连接一个电容器的步骤。
20．按照权利要求16所要求的方法，其中所述缓冲所述检测装置的输出的缓冲步骤包括利用场效应晶体管的步骤。
21．按照权利要求16所要求的方法，其中所述缓冲所述检测装置的输出的缓冲步骤包括利用运算放大器的步骤。
22．按照权利要求16所要求的方法，其中所述提供用于产生所述负载的阻值倍增的反馈的步骤改善了所述检测装置的低频响应的峰值幅度。
全文摘要
一种热电检测器电路包括连接到负载电阻和缓冲放大器的输入端的热电检测元件,该放大器具有用于在非零频率上倍增负载电阻的阻值的反馈路径。这种反馈能够利用一个较小的负载电阻,但它能被倍增产生一个较高的负载阻值效果,以满足该检测电路的适当低频响应的需要。
文档编号G01J5/12GK1219233SQ98800289
公开日1999年6月9日 申请日期1998年2月27日 优先权日1998年2月27日
发明者埃里克S·米科 申请人:C&K系统公司, 埃里克S·米科