具有零点温度补偿的热释电传感器的制作方法

本实用新型涉及热释电传感器，特别是涉及一种具有零点温度补偿的热释电传感器。

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：

本实用新型的第一目的在于克服现有技术之不足，提供一种具有零点温度补偿的热释电传感器，所述热释电传感器能够将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。

本实用新型的第二目的在于提供一种具有零点温度补偿的热释电传感器信号转换处理方法。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：所述具有零点温度补偿的热释电传感器包括基座、封帽、引脚、滤光片、第一热释电探测元及前置放大器，所述滤光片设于封帽的开口处，所述前置放大器设于基座上，第一热释电探测元与前置放大器电连接并设于前置放大器上方，所述封帽罩在第一热释电探测元外围，基座下方引脚将电信号引出，还包括用于温度补偿的第二热释电探测元，所述第二热释电探测元与第一热释电探测元极性相反且特性一致，所述第二热释电探测元与第一热释电探测元电连接。

进一步的，所述具有零点温度补偿的热释电传感器还包括红外遮光元件，所述红外遮光元件遮蔽第二热释电探测元。

进一步的，所述具有零点温度补偿的热释电传感器的第二热释电探测元与第一热释电探测元并联。

进一步的，所述具有零点温度补偿的热释电传感器的第二热释电探测元与第一热释电探测元串联。

进一步的，所述具有零点温度补偿的热释电传感器的前置放大电路器与第一热释电探测元、第二热释电探测元集成封装。

进一步的，所述具有零点温度补偿的热释电传感器的前置放大器包括场效应管，所述场效应管的源极电阻小于或等于100KΩ。

采有本实用新型进行信号转换处理方法，至少包括以下步骤：

1)辐射通量为ΔΦ的调制辐射光经过透射率为τ的滤光片到达第一热释电探测元，辐射通量τΔΦ经过第一热释电探测元表面吸收后，产生温度变化ΔT；

2)第一热释电探测元将温度变化ΔT转化为电荷密度变化ΔQ；

3)第一热释电探测元的表面电极产生的电荷密度变化ΔQ通过前置放大器处理，转换为电压信号输出Δu。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的具有零点温度补偿的热释电传感器，能够将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。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的热释电传感器结构剖视图；

图2为本实用新型实施例1的热释电传感器电路图；

图3为本实用新型实施例2的热释电传感器电路图；

图4为本实用新型温度补偿传感器与传统非温度补偿传感器受温度梯度影响比较；

图5为本实用新型温度补偿传感器与传统非温度补偿传感器对瞬变温度响应比较。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1

参照图1，本实施例的热释电传感器100包括基座10、封帽30、引脚20、滤光片40、第一热释电探测元60及前置放大器50，所述滤光片40设于封帽30的开口处301，所述前置放大器50设于基座10上，第一热释电探测元60与前置放大器50电连接并设于前置放大器50上方，所述封帽30罩在第一热释电探测元60外围，基座10下方引脚20将电信号引出，还包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述第二热释电探测元60’与第一热释电探测元60极性相反且特性一致，所述第二热释电探测元60’与第一热释电探测元60电连接。

所述第一热释电探测元60、前置放大器50和第二热释电探测元60’真空封装在金属管材质的封帽30内。所述滤光片40为带通滤光片，它封装在封帽30的顶端，使特定波长的红外辐射选择性地通过，到达第一热释电探测元60，在其截止范围外的红外辐射则不能通过。第一热释电探测元60是热释电传感器的核心元件，它是在热释电晶体的两面镀上金属电极后，加电极化制成，相当于一个以热释电晶体为电介质的平板电容器。当第一热释电探测元60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。前置放大器50由一个高内阻的场效应管源极跟随器构成，通过阻抗变换，将第一热释电探测元60微弱的电流信号转换为有用的电压信号输出。

在第一热释电传感器60内部增加零点温度补偿元件以提高传热释电感器的温度稳定性。将两个极性相反、特性一致的热释电探测元60、60’并联在一起，其中第一热释电探测元60作为工作元件，第二热释电探测元60’作为温度补偿元件，能够有效补偿温度对第一热释电探测元60的影响。优选的，第二热释电探测元60’被遮光元件70遮蔽，因此不响应红外光，只是作为一个有效电容工作，当传感器封帽30温度发生变化时，第一热释电传感器60和第二热释电探测元60’由此产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高传感器的温度稳定性。当然第二热释电探测元60’也可以采用其他遮蔽红外光的方式，例如在第二热释电探测元60’的外表面设置阻挡红外光的涂层。

参见图2，第一热释电探测元60与第一热释电探测元60’并联后接于前置放大器60的场效应管T1的栅极，所述第一热释电探测元60与第二热释电探测元60’的极性相反且特性一致。场效应管T1的栅极连接门电阻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：

由公式(1)可知，增大源极电阻R_S，或减小漏极电流可以提高前置放大器50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100Kohm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100Kohm。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。

热释电传感器100的信号转换可以概述为三个阶段：

热转换阶段：辐射通量为ΔΦ的调制辐射光经过透射率为τ的红外滤光片到达第一热释电探测元60，辐射通量τΔΦ被第一热释电探测元60表面吸收后，产生温度变化ΔT；

热电转换阶段：在τΔΦ的作用下，第一热释电探测元60的表面电极产生电荷密度变化ΔQ；

电转换阶段：ΔQ通过前置放大器50转换为电压信号Δu输出；

热转换阶段产生的转换温差ΔT越大，传感器的响应率和信噪比越高。

参见图4，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感器在温度梯度的作用下偏置电压的变化不同，所述温度补偿型热释电传感器包括第一热释电探测元60及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述非温度补偿型热释电传感器不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’。图中壳体温度即为封帽30的温度，从图中可以看出，增加了第二热释电探测元60’作为补偿元件后传感器100的偏置电压几乎不受温度梯度的影响。

参见图5，温度瞬变的条件下，温度补偿型和非温度补偿型热释电传感器的阶跃响应曲线不同，所述温度补偿型热释电传感器包括的第一热释电探测元60及与其并联的用于温度补偿的第二热释电探测元60’，所述非温度补偿型热释电传感器不包括用于温度补偿的第二热释电探测元60’。从图中可以看出，当环境温度从25℃快速升高到40℃时，非温度补偿型热释电传感器的偏压跃变非常大，与之相比，温度补偿型热释电传感器100的阶跃响应很小，恢复时间也短得多。需要注意的是，由于加工误差的原因，传感器的阶跃响应可能为正也可能为负。

综上，本实用新型实施例1的温度补偿型热释电传感器基本不受温度影响，在温度瞬变的条件下也能比较快的恢复，第二热释电探测元60’能够有效补偿温度对第一热释电探测元60造成的影响，从而保证采集信号的精确性。

实施例2

如图3所示，与实施例1类似，其区别在于，所述热释电探测元60、60’串联在一起，两者极性相反且特性一致。其中第一热释电探测元60作为工作元件，第二热释电探测元60’作为补偿元件，能够有效补偿温度对第一热释电探测元60的影响。优选的，第二热释电探测元60’被遮光元件70遮蔽，因此不响应红外光，只是作为一个有效电容工作，当传感器100封帽30温度发生变化时，第一热释电传感器60和第二热释电探测元60’由此产生的干扰信号会相互抵消，因此能够提高传感器的温度温度性。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型的几种具体的实施例，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。