红外敏感单元及其阵列测温电路的制作方法

本发明涉及一种测温电路，尤其是一种红外敏感单元及其阵列测温电路。

背景技术：

热电堆为通过冷热结的温度差实现测温的传感器，由于热电堆一般具有较大的电阻，而输出电压却非常微弱，因此，如何有效获取热电堆输出的信号，并实现有效测温一直是本技术领域的一个难题。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种红外敏感单元及其阵列测温电路，其能有效实现对热电堆的信号放大，降低电路的复杂度，提高温度测量的精度，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述红外敏感单元，包括热电堆以及与所述热电堆适配连接的nmos管，其中，热电堆的正极端与nmos管的栅极端连接，nmos管的源极端接地；热电堆的负极端与热电堆偏置电压连接，nmos管的漏极端与漏极偏置电压连接，通过所述漏极偏置电压、热电堆偏置电压能使得所述nmos管处于饱和状态，通过nmos管能对所述热电堆感应输出的热电测温信号进行放大，以在所述nmos管的漏极端得到放大后的单元红外测温信号。

nmos管的漏极端通过漏极分压电阻与漏极偏置电压连接。

一种红外敏感单元阵列测温电路，包括红外敏感单元阵列、用于提供红外敏感单元阵列所需工作电压的阵列偏置电源以及与所述红外敏感单元阵列适配连接的漏极偏置选通器与输出信号选通器；

红外敏感单元阵列包括m*n个红外敏感单元，其中，m≥2，n≥2，红外敏感单元包括热电堆以及nmos管，热电堆的正极端与nmos管的栅极端连接，nmos管的源极端接地，nmos管的漏极端与漏极分压电阻的第一端连接；漏极偏置选通器至少具有n个漏极选通连接端，输出信号选通器至少具有m个输出选通连接端；

阵列偏置电源能提供单元热电堆偏置电压以及单元漏极偏置电压，其中，单元热电堆偏置电压能加载于红外敏感单元阵列内所有红外敏感单元的热电堆的负极端；漏极偏置选通器的n个漏极选通连接端分别与红外敏感单元阵列内n列的红外敏感单元一一对应，输出信号选通器的m个输出选通连接端分别与红外敏感单元阵列内m行的红外敏感单元一一对应，其中，漏极偏置选通器的一漏极选通连接端与红外敏感单元阵列内同一列所有红外敏感单元中漏极分压电阻的第二端连接，输出信号选通器的一输出选通连接端与红外敏感单元阵列内同一行所有红外敏感单元中nmos管的漏极端连接；

漏极偏置选通器选通一列红外敏感单元时，能将单元漏极偏置电压同时加载到所选通列红外敏感单元内漏极分压电阻的第二端，通过单元热电堆偏置电源以及单元漏极偏置电压，能使得所选通列红外敏感单元内所有nmos管处于饱和状态；输出信号选通器选通一行红外敏感单元时，以能将所选通行红外敏感单元与所选通列红外敏感单元交集处红外敏感单元的单元红外测温信号选通输出。

还包括同相运算放大器以及测温控制器，其中，测温控制器与漏极偏置选通器的选通控制端以及输出信号选通器的选通控制端连接；

输出信号选通器的输出端与同相运算放大器的同相端连接，同相运算放大器的反相端与环境温度参考模块连接，同相运算放大器能将放大后的单元测温信号、环境温度参考信号传输至测温控制器内，测温控制器根据接收的单元测温信号、环境温度参考信号能得到阵列测温信息。

所述同相运算放大器包括运算放大器u1，运算放大器u1的同相输入端与输出信号选通器的输出端连接，运算放大器u1的反相端与电阻r4的一端、电阻r2的一端以及电容c1的一端连接，电阻r4的另一端与环境温度参考模块连接，电阻r2的另一端、电容c1的另一端与运算放大器u1的输出端连接，且运算放大器u1的输出端通过adc模块与测温控制器连接。

所述环境温度参考模块包括热敏电阻ntc，热敏电阻ntc的一端与电阻r4连接，热敏电阻ntc的另一端与adc模块的输入端以及电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端接地。

所述测温控制器与显示终端连接，以通过显示终端能显示输出阵列测温信息。

本发明的优点：热电堆与nmos管的栅极端连接，在热电堆的负极端加载热电堆偏置电压，在nmos管的漏极端加载漏极偏置电压时，能使得nmos管处于饱和状态，从而通过nmos管能对热电堆感应输出的热电测温信号进行放大，以在所述nmos管的漏极端得到放大后的单元红外测温信号，即能有效实现对热电堆的信号放大，降低电路的复杂度；当利用红外敏感单元构成红外敏感单元阵列时，能在红外敏感单元阵列内即实现对热电堆测温信号的放大，提高温度测量的精度，安全可靠。

附图说明

图1为本发明红外敏感单元的示意图。

图2为本发明测量红外敏感单元的单元红外测温信号的示意图。

图3为本发明2*2的红外敏感单元阵列测温电路的示意图。

图4为本发明m*n红外敏感单元阵列测温控制电路的框图。

附图标记说明：1-热电堆、2-测量仪表、3-第一二选一选通器、4-第二二选一选通器、5-阵列电压源、6-基准电压模块、7-红外敏感单元阵列、8-输出信号选通器、9-输出信号选通器、10-同相运算放大器、11-adc模块、12-测温控制器以及13-显示终端。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能有效实现对热电堆的信号放大，降低电路的复杂度，提高温度测量的精度，本发明包括热电堆1以及与所述热电堆1适配连接的nmos管，其中，热电堆1的正极端与nmos管的栅极端连接，nmos管的源极端接地；热电堆1的负极端与热电堆偏置电压连接，nmos管的漏极端与漏极偏置电压连接，通过所述漏极偏置电压、热电堆偏置电压能使得所述nmos管处于饱和状态，通过nmos管能对所述热电堆1感应输出的热电测温信号进行放大，以在所述nmos管的漏极端得到放大后的单元红外测温信号。

具体地，热电堆1以及nmos管均采用现有常用的形式，具体形式可以根据实际需要进行选择，此处不再赘述。图1中的nmos管即为nmos1，热电堆1的正极端与nmos管的栅极端连接，nmos管的衬底接地。一般地，nmos管的漏极端通过漏极分压电阻与漏极偏置电压连接。

具体实施时，vb为热电堆偏置电压，热电堆偏置电压vb主要是为热电堆1提供电压，保证nmos管的栅极电压始终大于所述nmos管的阈值电压，以使得所述nmos管保持在开启状态。vd为漏极偏置电压，漏极偏置电压vd可以控制所述nmos管的源源极端、漏极端的导通和断开，同时要保证大于栅极端的电压减去阈值电压，保证nmos管始终处于饱和状态。vout为整个红外敏感单元的输出，rd为漏极分压电阻，通过漏极分压电阻rd能将nmos管栅极端的电压变换转变成漏极端的电流变化，最终可以通过vout端得到单元红外测温信号。

图2为利用测量仪表进行测量时的等效电路图，其中，热电堆偏置电压vb为0.7v，漏极偏置电压vd为5v，漏极分压电阻rd为150kω。当然，当热电堆1、nmos管nmos1具体工作参数不同时，需要具体选择热电堆偏置电压vb、漏极偏置电压vd以及漏极分压电阻rd等具体的情况，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

下面对通过nmos管与热电堆1配合，能得到放大后的单元红外测温信号的情况进行具体分析说明。具体地，

由于输出电压变化范围较小，所以mos管的沟道效应影响较小，从而得到nmos管的饱和漏极电流公式如下：

其中，id是nmos管的源漏极间电流，μn是nmos管的载流子迁移率，cox是单位面积栅氧化层电容，vth是nmos管的阈值电压，w为nmos管的沟道宽度，l为nmos管的沟道长度，vgs＝vb+vt，vgs为nmos管的栅源电压，vt为热电堆1的输出电压，即感应输出的热电测温信号。

对公式(1)，则有

设热电堆1的感应输出的热电测温信号分别为vt1,vt2,其中，令vt2-vt1＝δvt，从而有

vout＝vds＝vd-id·rd(3)

其中，vout是nmos管处于饱和状态下，根据变化的栅极电压转换的输出电压，vd是加在漏极的漏极偏置电压，rd是漏极分压电阻。

将公式(1)带入可得vout1,vout2:

vout1＝vd-a·(b+vt1)²·rd(4)

vout2＝vd-a·(b+vt2)²·rd

上面两式相减，可得

将公式(2)代入，因vt1,vt2数量级较小，忽略vt1²,vt2²,可推导得

δvout＝-a·b·δvt·rd

δvout＝vout2-vout1＝a·(vt1·b+vt1²-vt2·b-vt2²)(5)

从上式中，可以看到，当即可达到增量反向放大的作用，但需要注意的是，使用(4)式时，需同时满足nmos管工作在饱和区的工作条件，这样才能使用饱和电流的计算公式，将式(3)及vgs-vth＝b带入，得到下式

通过以上的推导，可得结论，电路参数满足以下公式条件，即可在通过nmos管加载漏极偏置电压的情况控制整个红外敏感单元的输出状态，即通过nmos管能对所述热电堆1感应输出的热电测温信号进行放大，以在所述nmos管的漏极端得到放大后的单元红外测温信号。

因此，得到通过nmos管能对热电堆1感应输出的热电测温信号放大的具体条件：

如图4所示，为红外敏感单元阵列测温电路，包括红外敏感单元阵列7、用于提供红外敏感单元阵列7所需工作电压的阵列偏置电源以及与所述红外敏感单元阵列7适配连接的漏极偏置选通器8与输出信号选通器9；

红外敏感单元阵列7包括m*n个红外敏感单元，其中，m≥2，n≥2，红外敏感单元包括热电堆1以及nmos管，热电堆1的正极端与nmos管的栅极端连接，nmos管的源极端接地，nmos管的漏极端与漏极分压电阻的第一端连接；漏极偏置选通器8至少具有n个漏极选通连接端，输出信号选通器9至少具有m个输出选通连接端；

阵列偏置电源能提供单元热电堆偏置电压以及单元漏极偏置电压，其中，单元热电堆偏置电压能加载于红外敏感单元阵列7内所有红外敏感单元的热电堆1的负极端；漏极偏置选通器8的n个漏极选通连接端分别与红外敏感单元阵列7内n列的红外敏感单元一一对应，输出信号选通器9的m个输出选通连接端分别与红外敏感单元阵列7内m行的红外敏感单元一一对应，其中，漏极偏置选通器8的一漏极选通连接端与红外敏感单元阵列7内同一列所有红外敏感单元中漏极分压电阻的第二端连接，输出信号选通器9的一输出选通连接端与红外敏感单元阵列7内同一行所有红外敏感单元中nmos管的漏极端连接；

漏极偏置选通器8选通一列红外敏感单元时，能将单元漏极偏置电压同时加载到所选通列红外敏感单元内漏极分压电阻的第二端，通过单元热电堆偏置电源以及单元漏极偏置电压，能使得所选通列红外敏感单元内所有nmos管处于饱和状态；输出信号选通器9选通一行红外敏感单元时，以能将所选通行红外敏感单元与所选通列红外敏感单元交集处红外敏感单元的单元红外测温信号选通输出。

如图3所示，为m＝2且n＝2时，红外敏感单元阵列7与漏极偏置选通器8、输出信号选通器9的配合示意图，其中，图3中的第一二选一选通器3能与漏极偏置选通器8对应，第二二选一选通器4与输出信号选通器9对应。下面根据图3中2*2的红外敏感单元阵列7的具体情况进行具体说明，当m、n为其他情况时，可以具体参考说明，此处不再赘述。

具体地，2*2的红外敏感单元阵列7包括热电堆1-1、热电堆1-2、热电堆1-3以及热电堆1-4，其中，热电堆1-1与热电堆1-3位于同一列，热电堆1-2与热电堆1-4位于同一列，热电堆1-1与热电堆1-2位于同一行，热电堆1-3与热电堆1-4位于同一行。热电堆1-1的正极端与nmos管nmos1-1的栅极端连接，nmos管nmos1-1的漏极端与漏极分压电阻rd1-1的第一端连接，热电堆1-2的正极端与nmos管nmos1-2的栅极端连接，nmos管nmos1-2的漏极端与漏极分压电阻rd1-2的第一端连接，热电堆1-3的正极端与nmos管nmos1-3的栅极端连接，nmos管nmos1-3的漏极端与漏极分压电阻rd1-3的第一端连接；热电堆1-4的正极端与nmos管1-4的栅极端连接，nmos管1-4的漏极端与漏极分压电阻rd1-4的第一端连接。

漏极分压电阻rd1-1的第二端、漏极分压电阻rd1-3的第二端与第一二选一选通器3的第一漏极选通连接端连接，漏极分压电阻rd1-2的第二端、漏极分压电阻rd1-4的第二端与第一二选一选通器3的第二漏极选通连接端连接。nmos管nmos1-1的漏极端、nmos管nmos1-2的漏极端与第二二选一选通器4的第一输出选通连接端连接，nmos管nmos1-3的漏极端、nmos管nmos1-4的漏极端与第二二选一选通器4的第二输出选通连接端连接。

偏置直流电压源vbias作为热电堆偏置电压，偏置直流电压源vbias同时与热电堆1-1、热电堆1-2、热电堆1-3以及热电堆1-4相对应的负极端连接。电压vdd与第一二选一选通器3连接，当第一二选一选通器3选通时，电压vdd能分别加载到漏极分压电阻rd1-1的第二端以及漏极分压电阻rd1-3的第二端，或者加载到漏极分压电阻rd1-2的第二端以及漏极分压电阻rd1-4的第二端。

当任一红外敏感单元上同时加载有偏置直流电压源vbias以及电压vdd时，所述红外敏感单元内的nmos管处于饱和状态。当第一二选一选通器3的第一漏极选通连接端被选通时，电压vdd同时加载到漏极分压电阻rd1-1的第二端以及漏极分压电阻rd1-3的第二端，通过第二二选一选通器4能分别读取nmos管nmos1-1的漏极电压、nmos管nmos1-3的漏极端电压，即实现读取热电堆1-1、热电堆1-2对应放大后的单元红外测温信号。

当第一二选一选通器3的第二漏极选通连接端未被选通时，nmos管nmos1-2、nmos管nmos1-4相对应的的漏源极间的电流为0，可以认为是断路。当第一二选一选通器3的第二漏极选通连接端接入电压vdd时，电压vdd同时加载到漏极分压电阻rd1-2的第二端以及漏极分压电阻rd1-4的第二端，通过第二二选一选通器4能分别读取nmos管nmos1-2的漏极电压、nmos管nmos1-4的漏极端电压，即实现读取热电堆1-2、热电堆1-4对应放大后的单元红外测温信号。

多行多列即可按照此上述说明进行推导，漏极偏置选通器8选通后加载漏极偏置电压，再通过输出信号选通器9依次读取输出法，红外敏感单元阵列即可完成全部红外敏感单元经放大后得到单元红外测温信号的读取。

图4中，阵列偏置电源包括阵列电压源5以及基准电压模块6，其中，阵列电压源5能输出电压vdd，阵列电压源5与漏极偏置选通器8连接，即通过漏极偏置选通器8选通后能加载单元漏极偏置电压。基准电压模块6与阵列电压源5配合，能得到单元热电堆偏置电压，即基准电压模块6根据电压vdd分压后，能得到单元热电堆偏置电压，所述单元热电堆偏置电压能加载红外敏感单元阵列7内所有热电堆1的负极端。

进一步地，还包括同相运算放大器10以及测温控制器12，其中，测温控制器12与漏极偏置选通器8的选通控制端以及输出信号选通器9的选通控制端连接；

输出信号选通器9的输出端与同相运算放大器10的同相端连接，同相运算放大器10的反相端与环境温度参考模块连接，同相运算放大器10能将放大后的单元测温信号、环境温度参考信号传输至测温控制器12内，测温控制器12根据接收的单元测温信号、环境温度参考信号能得到阵列测温信息。

本发明实施例中，所述同相运算放大器10包括运算放大器u1，运算放大器u1的同相输入端与输出信号选通器9的输出端连接，运算放大器u1的反相端与电阻r4的一端、电阻r2的一端以及电容c1的一端连接，电阻r4的另一端与环境温度参考模块连接，电阻r2的另一端、电容c1的另一端与运算放大器u1的输出端连接，且运算放大器u1的输出端通过adc模块11与测温控制器12连接。

所述环境温度参考模块包括热敏电阻ntc，热敏电阻ntc的一端与电阻r4连接，热敏电阻ntc的另一端与adc模块11的输入端以及电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端接地。热敏电阻ntc还与基准电压模块6电连接。

进一步地，所述测温控制器12与显示终端13连接，以通过显示终端13能显示输出阵列测温信息。adc模块11能实现模数转换，显示终端13具体可以采用现有的显示形式，如为led显示屏、lcd显示屏等，具体可以根据需要进行选择，此处不再赘述。

具体实施时，基准电压模块6可选用型号lm285d-1.2g为的器件，基准电压模块6将电压vdd为5v输出为稳定的1.2v直流电压，为红外敏感单元阵列7提供稳定的单元热电堆偏置电压，保证nmos管的栅极电压始终大于所述nmos管的阈值电压，保证nmos管处于开启状态。

漏极偏置选通器8、输出信号选通器9均采用型号为max308的选通器，测温控制器12选用型号为stm32f103的芯片，测温控制器12能为漏极偏置选通器8、输出信号选通器9提供选址信号、工作信号，使其能够按照先选通电压vdd→依次读取vout→选通电压vdd→依次读取vout…的时序，依次读取全部红外敏感单元输出的单元红外测温信号。测温控制器12具体控制的地址信号、工作信号可以根据实际需要进行确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

运算放大器u1可选用ad8552的放大器，将输出信号选通器9选通得到的单元红外测温信号接入运算放大器u1的同相端，运算放大器u1的反相端通过电阻r4与基准电压模块6连接，即运算放大器u1构成差分输入。与此同时，电阻r4、电阻r2与运算放大器u1构成稳定同相正比例放大结构的同时，电容c1与电阻r2的并联可以对输入进行低通滤波。

同相运算放大器10的闭环增益a为：

滤波时，截止频率f为：

其中，r2为电阻r2的阻值，c1为电容c1的电容值；

ntc是热敏电阻，与其提供的基准电压和电阻r3构成环境温度参考模块，热敏电阻ntc对温度敏感，随温度变化有明显的阻值变化，根据串联电阻分压公式，热敏电阻ntc两端电压也会有明显变化，此电压提供环境温度参考，用于转换到目标温度的输出电压计算。

热敏电阻ntc的分压vntc为

其中，v基准电压为基准电压模块6输出的电压。

adc模块11可采用型号为hy3118的器件，具有24位高精度、内置轨对轨信号模块、操作模拟电压范围大、可四通道时分复用等优点，适用于电压变化小的输入，模数转化的数字输出信号除输入到测温控制器12外，测温控制器12提供选址信号和时钟信号，控制adc模块11的时序工作状态。一般地，可以先进行热敏电阻ntc的电阻分压的读取，再进行红外敏感单元阵列7内红外敏感单元的单元红外测温信号的读取，以构成一个读数周期。

测温控制器12除控制选通模块、模数转换模块的时序工作状态，并读取模数转换的数字输出信号，还将进行信号的处理与输出，具体地，主要进行以下几个方面的数字处理：

1)、热敏电阻ntc的阻值与环境温度的关系已知，可通过热敏电阻ntc的分压vntc相应的数字信号得到ntc实时的阻值，再通过其阻值推导出环境温度。

2)、通过得到的单元红外测温信号和已得到的环境温度，通过下式得到目标温度

其中，tobj是红外敏感单元阵列7内一红外敏感单元所测物体表面温度，vt是所述红外敏感单元内热电堆1的响应电压(即热电堆1感应输出的热电测温信号)，s是校准系数，校准系数s是环境温度25℃，黑体辐射源37℃下，通过响应电压vt推导出的值，tamb是当前环境温度，最终得到红外敏感单元阵列7内每个红外敏感单元所测到的目标温度可现实在显示终端13显示上。