本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)，尤其涉及一種紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試(BIST，Built-In Self Test)電路及方法。

背景技術(shù)：

MEMS(Micro Electromechanical System，微電子機(jī)械系統(tǒng))是利用半導(dǎo)體技術(shù)形成電子機(jī)械器件，如各種傳感器件。

紅外熱電堆溫度傳感器是一類(lèi)典型的MEMS傳感，其基本原理是塞貝克效應(yīng)，由逸出功不同的兩種導(dǎo)電材料所組成的閉合回路，當(dāng)兩接觸點(diǎn)處溫度不同時(shí)，由于溫度梯度使得材料內(nèi)部的載流子向溫度低的一端移動(dòng)，在溫度低的一端形成電荷積累，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為熱電偶，一系列熱電偶串聯(lián)組成熱電堆，通過(guò)測(cè)量熱電堆兩端電壓變化即可探測(cè)待測(cè)物體的溫度。由于其非接觸式測(cè)溫的特性，被廣泛應(yīng)用于照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、家居智能、環(huán)境監(jiān)測(cè)、汽車(chē)倒車(chē)、預(yù)防檢測(cè)、消防、國(guó)防、醫(yī)療、制程控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)測(cè)量與控制。

在MEMS器件商業(yè)化中，有必要在封裝前對(duì)早期的產(chǎn)品進(jìn)行功能測(cè)試、可靠性分析及失效分析等工作，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，然而，由于MEMS除了電激勵(lì)外，還需測(cè)量聲、光、振動(dòng)、流體、壓力、溫度或化學(xué)等激勵(lì)的輸入輸出，測(cè)試工作相對(duì)復(fù)雜。

因此，若能對(duì)MEMS系統(tǒng)進(jìn)行可測(cè)試性設(shè)計(jì)，采用電信號(hào)為MEMS器件提供測(cè)試激勵(lì)，則可以提高M(jìn)EMS測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化程度、降低對(duì)復(fù)雜測(cè)試儀器的依賴(lài)度，從而有效降低其測(cè)試與產(chǎn)品成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于至少克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷之一，提供一種紅 外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在封裝前的芯片級(jí)系統(tǒng)自測(cè)試，從而提高測(cè)試效率，并有效降低產(chǎn)品成本。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路，包括熱電堆、信號(hào)采集單元、發(fā)熱電阻、自測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路和測(cè)試分析電路，其中：

信號(hào)采集單元，用于采集并處理熱電堆的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值；

發(fā)熱電阻，用于為熱電堆提供熱輻射源；

自測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路，用于為發(fā)熱電阻提供不同的輸入激勵(lì)電壓；

信號(hào)采集單元輸出的響應(yīng)電勢(shì)差值及發(fā)熱電阻兩端的輸入激勵(lì)電壓值分別連接至測(cè)試分析電路的輸入端，根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓值，測(cè)試分析電路進(jìn)行測(cè)試分析。

可選的，自測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路包括自測(cè)試信號(hào)控制單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，自測(cè)試信號(hào)控制單元輸出不同的數(shù)字控制信號(hào)至數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元根據(jù)數(shù)字控制信號(hào)輸出不同的激勵(lì)電壓信號(hào)至發(fā)熱電阻。

可選的，還包括：熱電堆響應(yīng)率獲取單元，用于根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓值，獲得熱電堆響應(yīng)率。

可選的，還包括響應(yīng)誤差獲取單元，用于獲得所述熱電堆響應(yīng)率下的不同輸入激勵(lì)電壓下熱電堆輸出響應(yīng)誤差值，所述熱電堆輸出響應(yīng)誤差值為不同輸入激勵(lì)電壓下熱電堆輸出響應(yīng)電勢(shì)差的計(jì)算值與實(shí)際值之差。

可選的，還包括判斷單元，用于根據(jù)輸出響應(yīng)誤差值判斷熱電堆是否工作正常。

此外，本發(fā)明還提供了一種紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試方法，包括：

提供發(fā)熱電阻的輸入激勵(lì)電壓，發(fā)熱電阻為熱電堆提供熱輻射源；

獲得熱電堆的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及發(fā)熱電阻兩端的輸入激勵(lì)電壓值；

根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓，進(jìn)行測(cè)試分析。

可選的，根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓值，進(jìn)行測(cè)試分析的步驟包括：

根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓值，測(cè)試分析電路進(jìn)行測(cè)試分析計(jì)算，獲得熱電堆響應(yīng)率。

可選的，獲得熱電堆響應(yīng)率之后，還包括：

獲得所述熱電堆響應(yīng)率下的不同輸入激勵(lì)電壓下的熱電堆輸出響應(yīng)誤差值，所述熱電堆輸出響應(yīng)誤差值為不同輸入激勵(lì)電壓下熱電堆輸出響應(yīng)電勢(shì)差的計(jì)算值與實(shí)際值之差。

可選的，獲得響應(yīng)誤差后，還包括步驟：

根據(jù)輸出響應(yīng)誤差值，判斷熱電堆是否工作正常。

本發(fā)明實(shí)施例提供的紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路及方法，由發(fā)熱電阻為熱電堆提供熱輻射源，通過(guò)自測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路為發(fā)熱電阻提供輸入激勵(lì)電壓，在給定輸入激勵(lì)電壓下，信號(hào)采集單元采集并處理熱電堆的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值，根據(jù)該電勢(shì)差值及發(fā)熱電阻的輸入激勵(lì)電壓，進(jìn)行測(cè)試分析，這樣，可以在電路設(shè)計(jì)時(shí)引入該電路，在封裝前芯片級(jí)測(cè)試中利用電信號(hào)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，從而提高測(cè)試的效率，有效降低產(chǎn)品的成本，利于產(chǎn)品的商業(yè)化。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆溫度傳感器的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路的方框結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路的電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式做詳細(xì)的說(shuō)明。

在下面的描述中闡述了很多具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明還可以采用其他不同于在此描述的其它方式來(lái)實(shí)施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類(lèi)似推廣，因此本發(fā)明不受下面公開(kāi)的具體實(shí)施例的限制。

其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實(shí)施例時(shí)，為便于說(shuō)明，表示器件結(jié)構(gòu)的剖面圖會(huì)不依一般比例作局部放大，，而且所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。此外，在實(shí)際制作中應(yīng)包含長(zhǎng)度、寬度及深度的三維空間尺寸。

參考圖1所示，為本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，通常的，紅外熱電堆傳感器中，包括熱電堆10、信號(hào)采集單元12、本地溫度輸出單元20和溫度計(jì)算邏輯電路單元30，其中，信號(hào)采集單元12包括信號(hào)處理電路102和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路104，本地溫度輸出單元20包括本地溫度測(cè)量電路201和第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路202，熱電堆10由熱電偶對(duì)串聯(lián)組成，熱電堆10的輸出信號(hào)依次經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路102和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路104后連接至溫度計(jì)算邏輯電路30的一個(gè)輸入端，本地溫度測(cè)量電路201將本地當(dāng)前溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路202后輸入至溫度計(jì)算邏輯電路30的另一個(gè)輸入端。

對(duì)于該紅外熱電堆溫度傳感器，其工作原理為：熱電堆10在接收到待測(cè)物體的紅外輻照后，熱電堆10的兩端輸出微弱的初始響應(yīng)電勢(shì)差信號(hào)，該初始響應(yīng)電勢(shì)差信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路102濾波和放大處理后，獲得放大的響應(yīng)電勢(shì)差信號(hào)，該放大的響應(yīng)電勢(shì)差信號(hào)經(jīng)過(guò)第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路104轉(zhuǎn)化為數(shù)字的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V，該輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V輸入至溫度計(jì)算邏輯電路單元30；同時(shí)，本地溫度測(cè)量電路201獲得由電壓值表示的本地溫度信號(hào)，該本地溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)第二模數(shù)轉(zhuǎn)換電路202后，以數(shù)字的本地溫度值T₀輸入至溫度計(jì)算邏輯電路單元30，溫度計(jì)算邏輯電路單元30獲得響應(yīng)電勢(shì)差值△V和本地溫度值T₀后，可以計(jì)算獲得待測(cè)物體的溫度，可以通過(guò)如下公式(1)來(lái)獲得待測(cè)物體的溫度。

$T_1=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}V}{AR\left(\frac{1}{\frac{1}{\mathrm{\ϵ}1}+\frac{1}{\mathrm{\ϵ}2}-2}\right)\mathrm{\σ}}+T_0^4}$ 公式(1)

上述為紅外熱電堆溫度傳感器的基本電路和原理，在對(duì)紅外熱電堆溫度傳感器的測(cè)試中，熱電堆的性能是否正常是整個(gè)傳感器性能是否正常的關(guān)鍵。

如圖2和圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例提供的紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路，用于測(cè)試熱電堆的性能是否正常，該紅外熱電堆內(nèi)建自測(cè)試電路包括熱電堆10、信號(hào)采集單元12、發(fā)熱電阻40、自測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路50和測(cè)試分析電路60，其中，自測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生電路50，用于為發(fā)熱電阻提供不同的輸入激勵(lì)電壓，發(fā)熱電阻40在不同的輸入激勵(lì)電壓下為熱電堆10提供熱輻射源，熱電堆10兩端的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值由熱電堆信號(hào)單元12接收并輸出，輸出的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V以及發(fā)熱電阻兩端的輸入激勵(lì)電壓值V_r分別連接至測(cè)試分析電路60的輸入端，以供測(cè)試分析電路60進(jìn)行測(cè)試分析。

其中，熱電堆10由熱電偶對(duì)串聯(lián)組成，熱電偶對(duì)例如為P型多晶硅和金熱電偶、Si外延層P型擴(kuò)散區(qū)和鋁熱電偶、N型多晶硅和P型多晶硅熱電偶等，熱電堆10的一端靠近發(fā)熱電阻，在熱輻射下熱電堆兩端的電壓發(fā)生變化，輸出一個(gè)初始的響應(yīng)電勢(shì)差值，該初始的響應(yīng)電勢(shì)差值通常比較微弱，通過(guò)信號(hào)采集單元12后輸出計(jì)算分析所需要的響應(yīng)電勢(shì)差值，信號(hào)采集單元12為該初始的響應(yīng)電勢(shì)差值的信號(hào)處理及輸出單元，對(duì)該初始的響應(yīng)電勢(shì)差值進(jìn)一步處理后，輸出所需要的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值，在本發(fā)明實(shí)施例中，熱電堆信號(hào)單元12包括信號(hào)處理電路102和第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路104，信號(hào)處理電路102可以為濾波和放大電路，初始的響應(yīng)電勢(shì)差值經(jīng)過(guò)濾波和放大后，由第一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路104轉(zhuǎn)化為數(shù)字的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V。

對(duì)于自測(cè)信號(hào)產(chǎn)生電路50，用于為發(fā)熱電阻40提供輸入激勵(lì)電壓，本實(shí)施例中，自測(cè)信號(hào)產(chǎn)生電路50包括自測(cè)試信號(hào)控制單元501和第一數(shù)模轉(zhuǎn)換單元502，自測(cè)試信號(hào)控制單元501元輸出不同的控制信號(hào)至第一數(shù)模轉(zhuǎn)換單元502，第一數(shù)模轉(zhuǎn)換單元502根據(jù)控制信號(hào)輸出不同的電壓激勵(lì)信號(hào)V₊至發(fā)熱電阻40，在本實(shí)施例中，發(fā)熱電阻40接在自測(cè)信號(hào)產(chǎn)生電路50的輸出電壓V₊與地之間，在需要進(jìn)行熱電堆的自測(cè)試時(shí)，自測(cè)試信號(hào)控制單元501輸出測(cè)試控制信號(hào)，經(jīng)并轉(zhuǎn)換為發(fā)熱電阻的輸入激勵(lì)電壓，使其發(fā)熱為熱電堆提供片內(nèi)熱輻照；當(dāng)不需要自測(cè)試時(shí)，自測(cè)試信號(hào)控制單元501輸出關(guān)斷控制信號(hào)，經(jīng)并轉(zhuǎn)換為地電壓，以關(guān)斷發(fā)熱電阻的供電，實(shí)現(xiàn)熱電堆正常的溫度測(cè)量功能。

信號(hào)采集單元12輸出的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V及發(fā)熱電阻兩端的輸入激勵(lì)電壓值V_r分別連接至測(cè)試分析電路60的輸入端，根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V及輸入激勵(lì)電壓值V_r，測(cè)試分析電路進(jìn)行測(cè)試分析。本實(shí)施例中，輸入激勵(lì)電壓V_r經(jīng)過(guò)第三模數(shù)轉(zhuǎn)換單元80后連接至測(cè)試分析電路60的輸入端。

至此，為本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆BIST電路，該BIST電路可以與已有的紅外熱電堆溫度傳感器設(shè)計(jì)在同一個(gè)電路中，在完成芯片制造后，在芯片級(jí)實(shí)現(xiàn)紅外熱電堆的自測(cè)試，此電路中獲取的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V及輸入激勵(lì)電壓值V_r可以應(yīng)用于所需的測(cè)試模塊中?？梢愿鶕?jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V及輸入激勵(lì)電壓V_r，進(jìn)行測(cè)試分析，可以判斷熱電堆的工作是否正常。

在本發(fā)明實(shí)施例中，還進(jìn)一步包括熱電堆響應(yīng)率獲取單元和響應(yīng)誤差獲取單元。

熱電堆響應(yīng)率，通過(guò)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值△V及輸入激勵(lì)電壓值V_r計(jì)算獲得在當(dāng)前環(huán)境溫度下的熱電堆的響應(yīng)率R。

具體的，首先，可以通過(guò)輸入激勵(lì)電壓值V_r獲得發(fā)熱電阻產(chǎn)生的熱輻照功率P，可以采用如下公式(2)：

$P=\mathrm{\ϵ}\frac{V_r^2}{r}$ (2)

其中，r為發(fā)熱電阻阻值，ε為發(fā)熱電阻的輻射系數(shù)。

再結(jié)合熱電堆接收熱輻照后輸出響應(yīng)電勢(shì)差值ΔV，得到響應(yīng)率R計(jì)算方法如下：

$R=\frac{\mathrm{\Δ}V}{P}=\frac{r\mathrm{\Δ}V}{{\mathrm{\ϵV}}_r^2}$ (3)

在獲得當(dāng)前溫度下的熱電堆的響應(yīng)率R后，可以進(jìn)一步應(yīng)用于熱電堆輸出響應(yīng)的估算中。在本實(shí)施例中，還包括響應(yīng)誤差獲取單元，在得到熱電堆響應(yīng)率R基礎(chǔ)上，在保持環(huán)境溫度不變的前提下，通過(guò)調(diào)整發(fā)熱電阻的輸入激勵(lì)電壓，獲得不同熱輻照功率下熱電堆的響應(yīng)，來(lái)判斷熱電堆是否能夠正常工作。

具體的，保證環(huán)境溫度不變，調(diào)整發(fā)熱電阻的輸入激勵(lì)電壓，發(fā)熱電阻兩端的電壓為V_r’，則可以通過(guò)公式(2)得到發(fā)熱電阻的熱輻照功率P’， 根據(jù)響應(yīng)率R不變，可以得到此輸入激勵(lì)電壓下的熱電堆響應(yīng)輸出電壓的計(jì)算值：

(4)

而此時(shí)熱電堆輸出實(shí)際的響應(yīng)輸出電勢(shì)差值ΔVa’，，計(jì)算計(jì)算值與實(shí)際值之差，從而獲得輸出響應(yīng)誤差值δ，此時(shí)比較δ與誤差閾值δ_T的大小，若δ≤δ_T時(shí)，則說(shuō)明熱電堆正常工作，可以認(rèn)為測(cè)試通過(guò)；否則說(shuō)明熱電堆工作異常，認(rèn)為測(cè)試不通過(guò)。

以上為本發(fā)明實(shí)施例的紅外熱電堆BIST電路，此外，，本發(fā)明還提供了利用上述BIST電路進(jìn)行自測(cè)的方法。

參考圖4所示，該紅外熱電堆BIST方法，包括：提供發(fā)熱電阻的輸入激勵(lì)電壓，發(fā)熱電阻為熱電堆提供熱輻射源；獲得熱電堆的輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及發(fā)熱電阻兩端的輸入激勵(lì)電壓；根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓，進(jìn)行測(cè)試分析。

進(jìn)一步的，根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓，，進(jìn)行測(cè)試分析的步驟包括：

根據(jù)輸出響應(yīng)電勢(shì)差值及輸入激勵(lì)電壓，測(cè)試分析電路進(jìn)行測(cè)試分析，獲得熱電堆響應(yīng)率。

進(jìn)一步的，獲得熱電堆響應(yīng)率之后，還包括：

獲得所述熱電堆響應(yīng)率下的不同輸入激勵(lì)電壓下熱電堆輸出響應(yīng)誤差值，所述熱電堆輸出響應(yīng)誤差值為不同輸入激勵(lì)電壓下熱電堆響應(yīng)輸出電勢(shì)差的計(jì)算值與實(shí)際值之差。

進(jìn)一步的，獲得輸出響應(yīng)誤差值后，可以根據(jù)輸出響應(yīng)誤差值判斷熱電堆是否工作正常。

本說(shuō)明書(shū)中的各個(gè)實(shí)施例均采用遞進(jìn)的方式描述，各個(gè)實(shí)施例之間相同相似的部分互相參見(jiàn)即可，每個(gè)實(shí)施例重點(diǎn)說(shuō)明的都是與其他實(shí)施例的不同之處。尤其，對(duì)于方法實(shí)施例而言，由于其基本相似于結(jié)構(gòu)實(shí)施例，所以描述得比較簡(jiǎn)單，相關(guān)之處參見(jiàn)方法實(shí)施例的部分說(shuō)明即可。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何 熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。