專利名稱：熱電紅外線傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱電紅外線傳感器，該傳感器可用作輻射熱測量儀以及類似的儀表，測定從人體發(fā)出的輻射的紅外線能，以確定人體的本身或運(yùn)動，或測定輻射能和房間的溫度。
這種提到的熱電紅外線傳感器由采用FET的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路組成，該電流—電壓轉(zhuǎn)換電路是這樣組成的，紅外線接收區(qū)與單型的熱電元件和與FET的柵極并聯(lián)的高阻值的電阻器連接，并得到從與電源和FET的接地端連接的輸出電阻過來的電壓信號，從熱電元件過來的測定了某種輻射熱的信號電流輸出在高電阻器轉(zhuǎn)換成電壓，該轉(zhuǎn)換電壓加到FET的柵極，形成由FET流到電阻器的電流改變的FET源電壓，此時加到電阻器的電壓作為輸出提供到信號放大電路。
還有一種電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，其中兩個雙型熱電元件組成了兩個紅外線接收區(qū)，該接收區(qū)串聯(lián)連接。
在使用FET的上述電流—電壓轉(zhuǎn)換電路中，表示對紅外線敏感度的輸出電壓V通過下面的公式得到。
公式1ν=PηAωRgGλ11+(ωωe)21+(ωωt)2]]>其中發(fā)射率η；有效射線接收區(qū)A；輸入電阻R；熱電系數(shù)λ；熱擴(kuò)散系數(shù)G；熱時間常數(shù)τt；及電時間常數(shù)τe。
在上述使用FET的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路中，產(chǎn)生的噪聲進(jìn)一步地通過下面的公式得到。
公式2噪聲輸出電壓VN=Vr2+Vδ2+Vi2+Vn2+Vt2]]>輸入電阻噪聲Vr=4kTR1+(ωωe)2]]>tanδ噪聲Vδ=R4kTωCitanδ1+(ωωe)2]]>FET電流噪聲Vi=1nR1+(ωωe)2]]>FET電壓噪聲Vn＝En熱噪聲Vt=R4kT2Gη]]>其中玻耳茲曼常數(shù)K；絕對零度T；分電容Ci；元件的介電損耗tanδ；FET的電流噪聲In；及FET的電壓噪聲En。
然而對于紅外線傳感器重要的不僅僅是熱電元件的輸入信號S要大，更重要的是相對于產(chǎn)生的噪聲N的比值，即得到最佳的S/N比。然而當(dāng)通過改進(jìn)熱電元件，例如相對于同一入射的紅外線源的輸出信號值是傳統(tǒng)方式得到的信號值的兩倍，而穩(wěn)定狀態(tài)的輸出噪聲恰好提高到原來的四倍最后使輸出解析度或檢測度降低到1/2，于是紅外線傳感能力相反地降低了。
所以，為了提高紅外線傳感器的傳感能力，要確定該紅外線傳感器的合適性和不合適性，即看傳感器的最終值，輸出噪聲N如何限制到最小或如何得到較大的S/N比值，另外，輸出信號S相對于相同的紅外線輸入如何變大。傳統(tǒng)的FET的熱電元件就分析到這里，最終的敏感度由發(fā)射率η、有效的紅外線接收區(qū)A、輸入電阻R、熱電系數(shù)λ和熱擴(kuò)散率G決定，同時頻率特性由熱時間常數(shù)τt和電時間常數(shù)τe決定，這從輸出電壓V的公式1清楚可見。
于是，通過分別最佳設(shè)置這些參數(shù)可獲得最大可能的信號輸出的傳感器，但在實際中最重要的是發(fā)展一些新材料的熱電元件以提高熱電系數(shù)；或者改進(jìn)元件的裝配工藝以提高熱擴(kuò)散系數(shù)。
另外，熱電元件的噪聲由下列組成1)輸入電阻噪聲Vr；2)tanδ噪聲Vδ；3)FET電流噪聲Vi；4)FET電壓噪聲Vn及5熱噪聲Vt，可通過前面的公式2得到，最后噪聲輸出電壓VN由相應(yīng)的噪聲的均方確定。
在分析這些參數(shù)的典型的一個時，注意頻率在1H左右作為感覺人體的傳感頻率是很重要的，這是熱電元件的最突出的應(yīng)用，一個關(guān)鍵的參數(shù)是由輸入電阻決定的熱噪聲。可清楚地知道當(dāng)電阻值進(jìn)一步增加時，這個輸入電阻熱噪聲可減小。
當(dāng)高電阻值超過100GΩ時，然而該電阻幾乎是極限值，考慮到熱電元件工作的穩(wěn)定性，即如何外部的噪聲、FET的偏置電流的波動、高電阻的阻值的變化及任何其它的噪聲的減少幾乎是不可能的。所以，相對于噪聲參數(shù)，傳統(tǒng)的熱電紅外線傳感器幾乎達(dá)到了極限。
根據(jù)本發(fā)明人的調(diào)查結(jié)果和提高在使用帶有FET的傳統(tǒng)的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路的S/N比的可能性，噪聲的減少幾乎不能實現(xiàn)，只有例如改進(jìn)熱電系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)及其它的可提高輸入信號的方法。然而在實際中，在輸出特性的各種改進(jìn)正靠近極限的情況下，欲使S/N比值的改進(jìn)達(dá)到兩倍或三倍多只希望通過改變元件或安裝條件將是非常困難的。
本發(fā)明人根據(jù)試驗試圖利用熱電元件具有的電容的阻抗的頻率特性，作為反復(fù)試驗的結(jié)果，本發(fā)明人認(rèn)識到該利用是有利的，可以提高熱電紅外線傳感器的S/N比值。
也就是說不依靠改變熱電元件材料的任何方法，本發(fā)明人通過連接有運(yùn)算放大器的熱電元件的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路來組成本發(fā)明，另一個熱電元件作為反饋電容加在運(yùn)算放大器上，為減少該電流—電壓轉(zhuǎn)換電路的輸入轉(zhuǎn)換噪聲完成各種模擬和經(jīng)驗的設(shè)計。
在本發(fā)明中，紅外線傳感器由通過把第一熱電元件連接到運(yùn)算放大器形成的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路組成，AC反饋電路和另外的DC反饋電路接到該運(yùn)算放大器上，該AC的電路由第二熱電元件組成，于是在前述的傳統(tǒng)例子中的問題得到了解決。在上述裝置中，熱電元件只在AC反饋電路中使用，沒有使用任何作為電子部分制造的電容器。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將在參照附圖中所示的實施例和本發(fā)明的詳細(xì)描述中很明顯地體現(xiàn)出來。


圖1A到1C為分別示出了本發(fā)明熱電紅外線傳感器主要裝置的電路示意圖；圖2為示出了圖1中傳感器具體結(jié)構(gòu)的電路示意圖；圖3和4為進(jìn)一步示出了圖1中傳感器具體結(jié)構(gòu)的電路示意圖；圖5a和5b為圖1中使用的熱電元件的具體實施例的說明圖；圖6為圖5a和5b所示的熱電元件的等效電路圖；圖7a和7b為圖1中傳感器使用的熱電元件的另一個具體實施例的說明圖；圖8為圖7a和7b所示的熱電元件的等效電路圖；圖9a和9b為圖1中傳感器使用的熱電元件的另一個具體實施例的說明圖；圖10為圖9a和9b所示的熱電元件的等效電路圖；圖11為圖2中傳感器的另一個具體結(jié)構(gòu)的電路示意圖；圖12為示出了圖2中傳感器的轉(zhuǎn)換阻抗特性的坐標(biāo)圖；圖13為示出了圖2中傳感器的噪聲特性的坐標(biāo)圖；圖14為示出了圖2中傳感器的噪聲輸出電壓特性的坐標(biāo)圖；圖15為示出了圖2中傳感器的S/N特性的坐標(biāo)圖；圖16為示出了包括在本發(fā)明使用的DC反饋電路的傳感器的電路示意圖；圖17為示出了圖16中的電路轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性的坐標(biāo)圖；圖18為示出了當(dāng)圖16缺少作為特征裝置情況下的轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性的坐標(biāo)圖；圖19為示出了圖16傳感器另外具體結(jié)構(gòu)的電路示意圖；圖20A到20C為圖19中傳感器工作時的說明圖；及圖21為圖16中傳感器的特性坐標(biāo)圖。
現(xiàn)在參照附圖中的相應(yīng)實施例對本發(fā)明進(jìn)行描述，同時可以知道本發(fā)明的實現(xiàn)不局限于所示的實施例，而且也包括所有不脫離權(quán)利要求書中限定范圍的各種變化、修改及等效裝置。
參照圖1A到1C，圖1A到1C分別示出了本發(fā)明的紅外線傳感器的每一個不同工作狀態(tài)實質(zhì)部分的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，在圖1A的裝置中，熱電元件1的一端接地，另一端接運(yùn)算放大器2的輸入端(圖中為反向輸入端)，電容器1’作為反饋電容Cf連接在運(yùn)算放大器2的輸入端和輸出端之間。這里反饋電容Cf形成了AG反饋電路，經(jīng)過運(yùn)算放大器2的輸入端和輸出端，進(jìn)一步形成了在低輸入范圍下穩(wěn)定電路工作的DC反饋電路3，于是運(yùn)算放大器2的輸出經(jīng)過輸入電阻Ri反饋。
所述DC反饋電路3由包括除運(yùn)算放大器2外的另一個運(yùn)算放大器31的集成電路組成，該放大器31提供阻抗轉(zhuǎn)換，如圖2所示配有電容器C1和電阻器R1。
根據(jù)該裝置的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，從熱電元件1輸出的電流轉(zhuǎn)換成帶有可被反饋電容Cf利用的阻抗的電壓。
在圖1B的另一個結(jié)構(gòu)中，只有熱電元件1’連接在運(yùn)算放大器2的輸入和輸出端，通過在該裝置中的熱電元件1’獲得反饋電容Cf。在圖1C的另一個結(jié)構(gòu)中，電路是這樣布置的，圖1A中的電容器1’由熱電元件1’代替。在圖1B到1C的結(jié)構(gòu)中，除已描述過的方面外，其它方面與圖1A的裝置中的幾乎相同。
圖3和4示出的裝置中，分壓電路4也與DC反饋電路3連接，圖3和4中與圖1中的元件相對應(yīng)的組成元件用相同的標(biāo)號，將略去對它們的描述。在圖3中所示的工作狀態(tài)下，DC反饋電路3由集成電路組成，該反饋電路3接收被分壓電路4分壓的從運(yùn)算放大器2過來的輸出電壓作為輸入。
在圖4的工作狀態(tài)下，三個輸入電阻器R2-R4的一端相互連接形成T-型，它們的另一端分別與運(yùn)算放大器2的輸入端、另一個運(yùn)算放大器31的輸出端和大地連接，于是通過電阻器R2-R4的T-型連接，該反饋電路的額定反饋增益可減少，并且集成電路的反饋時間常數(shù)將轉(zhuǎn)移到低區(qū)，以使時間常數(shù)相應(yīng)擴(kuò)大，DC反饋電路的相應(yīng)部分減少。
分壓電路4不需要總量如圖4所示的三個電阻器連成T-型，也可以兩個電阻器的普通連接的結(jié)構(gòu)，但同時當(dāng)考慮DC反饋電路的偏差及其它的特性時，T-型電阻器具有更大的優(yōu)越性。
因為在上述的裝置中，從第一熱電元件1過來的元件電流通過利用反饋電容Cf的阻抗轉(zhuǎn)換成電壓，與使用FET緩沖器的傳統(tǒng)電路相反，去除了決定輸出噪聲電壓的電阻器熱噪聲，這方面從后面的描述分析中可清楚地知道，所以可基本實現(xiàn)消除噪聲源，總的噪聲可減少。
由于第二熱電元件1’也可作為紅外線敏感元件使用，而且通過把該第二元件1’的極性設(shè)置成與第一熱電元件1的相同，可達(dá)到較大的敏感性能，于是相互增加了輸出。當(dāng)?shù)谝缓偷诙犭娫?和1’極性反相設(shè)置時，由于日光束或溫度上的波動而在兩個熱電元件1和1’上同時感覺到的紅外線可作為噪聲部分去除掉，于是減少了誤差提高了可靠性。
在圖5到8中，示出其中使用了雙熱電元件的具體實施例。當(dāng)該雙熱電元件作為第一和第二熱電元件使用時，則可能使用兩個紅外線接收區(qū)，該區(qū)形成在熱電元件基片上并相應(yīng)地串聯(lián)連接作為第一和第二熱電元件，或者也可能使用兩個紅外線接收區(qū)的一個作為第一和第二熱電元件。
更具體第說，圖5a和5b示出了在熱電元件基片10兩個表面上的導(dǎo)體的連接圖形，其中基片10上的兩個紅外線接收區(qū)10a(A)和10b(B)串聯(lián)連接，作為第一和第二熱電元件使用。圖5b示出了透過前面看到的后表面上的導(dǎo)體連接圖形。還提供有連接在相應(yīng)連接端或接收區(qū)的導(dǎo)電通路的另一個導(dǎo)體圖形10e。從圖6的等效電路中可以看到，通過在熱電元件基片前表面和后表面上的兩個紅外線接收區(qū)10a和10b形成了一對電容元件CA和CB，第一和第二熱電元件分別通過串聯(lián)兩個電容元件CA和CB組成。圖7a和7b也示出了在熱電元件基片10的前表面和后表面上的另一個結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體圖形(圖7b示出了透過前表面看到的后表面模式)，圖8該表示該圖形的等效電路圖。在該等效電路圖中，通過在熱電元件基片10前表面和后表面上的兩個紅外線接收區(qū)10a和10b形成了電容元件CA和CB，以及電容元件CB布置形成作為反饋電容的第二熱電元件。
圖9和10示出了使用多元熱電元件的結(jié)構(gòu)的實施例。在圖9a和9b中示出了在熱電元件基片的前表面和后表面的導(dǎo)體圖形，在基片上串聯(lián)和并聯(lián)使用了四個紅外線接收區(qū)圖10示出了該圖形的等效電路圖。在該結(jié)構(gòu)中，在四個紅外線接收區(qū)10a(A)到10d(D)中，一對接收區(qū)10a(A)和10c(C)與另一對接收區(qū)10b(B)和10d(D)一樣分別并聯(lián)連接，從而作為第一和第二熱電元件1和1’使用，在電容元件CA和CC并聯(lián)連接中的區(qū)域組成了第一熱電元件1，而在另外電容元件CB和CD并聯(lián)連接中的區(qū)域組成了第二熱電元件1’。圖11示出了由多元熱電元件組成的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，與圖2中相應(yīng)布置。在圖9a和9b中，在左邊和右邊的相應(yīng)區(qū)域通過在前表面和后表面上的導(dǎo)體部分10e分別短接。
接下來描述電流—電壓轉(zhuǎn)換電路的頻率特性。首先來看在圖2中所示電路的模擬結(jié)果，其中該電路中的DC反饋電路由集成電路形成。當(dāng)可取代合成電容值和合成反饋電容值時，使用雙元或多元熱電元件的結(jié)構(gòu)將變得相同。
首先分析將作為信號輸出的輸出電壓V，通過下面的公式3可得到轉(zhuǎn)換阻抗Z和元件電流Ip，圖12中示出了該轉(zhuǎn)換阻抗特性。
公式3轉(zhuǎn)換阻抗Z=1ωdc×Cf1+(ωdcω)21+(ωωdc)2]]>元件電流fp=ω1po1+(ωωt)2]]>從圖12中可看出，相應(yīng)于頻率的傾斜部分的阻抗特性可由Z＝1/(ω·Cf)給出，于是當(dāng)頻率增加時阻抗值增加，但是，由于驅(qū)動DC反饋電路，在反饋電路的時間常數(shù)τdc決定的頻率過后引起阻抗相反地下降。
也就是說，阻抗Z形成了在由反饋電路的時間常數(shù)τdc確定的角速度ωdc時具有一個峰值的曲線。
這里，反饋電路的時間常數(shù)為tdc=(Rl·Cl·Ri·Cf)]]>＝l/ωdc而且，從熱電元件輸出的元件電流Ip顯示了在熱時間常數(shù)比時具有極值的HPF特性。
這時，轉(zhuǎn)換阻抗Z和元件電流Ip的乘積為輸出電壓V，通過V＝Z×Ip得到。
結(jié)果，阻抗甚至顯示了BPF的特性，其中低范圍的截止頻率由時間常數(shù)τdc確定，而高范圍的截止頻率由熱時間常數(shù)τt確定。
接著分析噪聲特性，圖13示出了相應(yīng)噪聲電壓的分析結(jié)果，其中運(yùn)算放大器的熱噪聲和1/f噪聲沒有受大的影響，圖中還表示了它們的控制參數(shù)。
噪聲輸出電壓包括1)tanδ噪聲Vδ；2)運(yùn)算放大器電流噪聲Zi；3)運(yùn)算放大器電壓噪聲Ve；及4)FB系統(tǒng)噪聲Nfb，這些可通過下面的公式4得到。
公式4tanδ噪聲Vδ=Z4kTω(Cftanδf+Citanδi)]]>運(yùn)算放大器電流噪聲Vi=Z2qlb]]>運(yùn)算放大器電壓噪聲Ve＝vnGvFB系統(tǒng)噪聲Nfb=ZRiRi4kT(1ωC1)2+vnf2(1+1ωC1R1)2+inf2(1ωC1)2]]>Ri熱噪聲Vnf=Z4kT/Ri]]>其中Z=1ωdc×Cf1+(ωdcω)21+(ωωdc)2]]>GV=Z1+(ωωi)2Ri+1]]>圖14示出了通過相應(yīng)的典型噪聲參數(shù)實際計算得到的模擬結(jié)果，圖15示出了S/N比的模擬結(jié)果。從相應(yīng)的噪聲參數(shù)中可以清楚地看到，從電容器介電損耗tanδ推出的噪聲Vδ起了決定作用(在1Hz左右)，圖15示出了總噪聲Nv和信號輸出Sv。通過計算Sv/Nv可得到S/N比。
為了與使用FET緩沖器的傳統(tǒng)的傳感器相比，在與本發(fā)明相同條件下，就電流—電壓轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行模擬。根據(jù)兩個分析結(jié)果，本發(fā)明的S/N比為
Sv(輸出)＝3.0[μv]于是計算結(jié)果為，S/N＝1.3(相對于1Hz)。
另一方面，使用FET緩沖器的傳統(tǒng)裝置的S/N比為
Sv(輸出)＝1.4[μv]于是計算結(jié)果為，
S/N＝0.58(相對于1Hz)。
從上面的模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明中得到改進(jìn)的S/N比大約是使用FET緩沖器的傳統(tǒng)裝置S/N比的兩倍，為察覺人體的很重要頻率1Hz左右。
還可以發(fā)現(xiàn)，由于元件電容Ci從20pF變到10pF，在具有相同元件的敏感度的情況下可實現(xiàn)減少噪聲。
從上面的定性的分析中，發(fā)現(xiàn)可通過去除由于作為傳統(tǒng)噪聲元件而起決定作用的電阻Rg產(chǎn)生的熱噪聲，來實現(xiàn)減少總噪聲。同時在圖14和15中的模擬結(jié)果中，由于轉(zhuǎn)換阻抗比使用FET緩沖器的情況下升高，而噪聲的絕對值并沒有減少，于是信號輸出電壓Sv也一定程度升高，于是S/N比得到增加。
根據(jù)本發(fā)明人進(jìn)行的噪聲分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)運(yùn)算放大器的反饋電容越小，越能得到較高的S/N比。在模擬的實施例中，通過使組成反饋電容的熱電元件的分電容值小于10pF，也可能實現(xiàn)比傳統(tǒng)裝置兩倍多的改進(jìn)性能，根據(jù)本發(fā)明人確定的噪聲分析結(jié)果，進(jìn)一步地，用于I/V轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器的電流噪聲最好更小些，以獲得較高的S/N比，同時需要輸入偏值電流較小，或者說采用輸入阻抗較大的運(yùn)算放大器。一般地，當(dāng)運(yùn)算放大器滿足上述條件時，可正確地使用在輸入級使用FET的運(yùn)算放大器。
下面參照如圖16所示的本發(fā)明的熱電紅外線傳感器，電阻Ri連接在運(yùn)算放大器32的輸出端和運(yùn)算放大器2的倒相輸入端之間，反饋電容器C1接在運(yùn)算放大器32上，第二熱電元件1’的固定反饋電容Cf加在運(yùn)算放大器2上，另一個電阻R1與具有參考電壓Vr的電源相連，于是形成了DC反饋電路。第一熱電元件1與倒相輸入端連接，這方面的電路裝置與前面的電路相同。另外，運(yùn)算放大器2的輸出端與運(yùn)算放大器32的非倒相輸入端直接連接，并且參考電壓Vr加到運(yùn)算放大器2的非倒相輸入端。
另外，在該電路中，電路是這樣布置的，在兩個運(yùn)算放大器2和32都提供有參考電壓Vr，甚至當(dāng)運(yùn)算放大器均為單向電源驅(qū)動系統(tǒng)，通過把工作點提高到Vr的水平，根據(jù)正極或負(fù)極的輸入信號，可得到輸出信號。這時，參考電壓Vr設(shè)在0＜Vr＜VDD之間的范圍(其中VDD為運(yùn)算放大器的驅(qū)動源電壓)，通過把參考電壓設(shè)成Vr＝VDD/2，根據(jù)正或負(fù)的輸入信號就可能得到相對于輸入信號具有最大的工作范圍。該DC反饋電路起到帶通濾波器的作用，此時的阻抗Z(S)可由下面的公式5來表示
公式5Z(S)=-Rds·1CfRiSS2+1CfRiS+1C1R1CfRi]]>這里當(dāng)?shù)诙V波器的標(biāo)準(zhǔn)型由下面的公式6來表示時，從兩個公式5和6可得到下面的另一個公式7公式6T(S)=(ω0Q)SS2+(ω0Q)S+ω02]]>公式7ω0=1C1R1CfRiQ-CfRiC1R1(=f0B)]]>也就是說，可以看到在這個起到帶通濾波器作用的電路中的轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性。這里ω10是中心頻率，以及Q一般作為選擇度。
此時，在熱電紅外線傳感器的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路中，由于電阻Ri產(chǎn)生的熱噪聲作為一個噪聲成分帶來了問題。為了抑制這個噪聲，該Ri值必須設(shè)置超過大約1T(垓，＝1012)Ω的高電阻值，但是這么高的電阻在溫度特性方面是明顯較高的，于是由于溫度的變化，Ri值將會產(chǎn)生顯著的波動。當(dāng)阻值變大，在轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性中會產(chǎn)生峰值，電路變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)。
這里，所采取措施是，當(dāng)溫度發(fā)生變化時，使在電流—電壓轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性的任何峰值不會發(fā)生。也就是說使電路具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性以抵御溫度的變化。
最終在該DC反饋電路中形成帶通濾波器的電阻器R1和Ri的選擇必須具有相同的溫度特性，于是當(dāng)由于溫度變化，Ri值會顯著變化，R1值也將同樣地變化以達(dá)到溫度補(bǔ)償，選擇度Q最終不會發(fā)生變化。換句話說，在轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性中沒有峰值發(fā)生，獲得了高穩(wěn)定性。
在圖17中，示出了在上述電流—電壓轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性的模擬結(jié)果。電路常數(shù)是這樣設(shè)置的，熱電元件A的分電容Ci＝12pF，另一個熱電元件B的分電容Ci＝Cf＝12pF，作為反饋電容Cf使用，Ri＝1TΩ，R1＝2.4GΩ以及C1＝10nF。在圖中，模擬結(jié)果通過當(dāng)電阻器Ri和R1值相同、相差5倍及相差10倍時的曲線(A)、曲線(B)及曲線(C)而示出。
圖18示出了阻抗的頻率特性，此時沒有提供電阻器Ri和R1的溫度特性。當(dāng)電路常數(shù)與圖17的情況相同時，示出了電阻器Ri僅在曲線(A)、曲線(B)及曲線(C)中的1倍、5倍及10倍的變化的特性。
從這些結(jié)果可清楚地看到，當(dāng)阻值逐漸變大時，轉(zhuǎn)換阻抗的頻率特性有一個較尖的峰，而在圖17中沒有尖峰，從特性曲線看出消除了波動。根據(jù)這種電流一電壓轉(zhuǎn)換電路，當(dāng)由于溫度變化而在電路中的高電阻元件的阻值產(chǎn)生顯著變化時，電路的選擇度Q沒有變化，于是在周圍的溫度變化時電路的穩(wěn)定性得到提高。特別是作為察覺人體的1Hz左右的頻率存在于很低的斜線處，而不是在具有平峰值處，由此可知就察覺人體的頻率特性而論，該電路是非常穩(wěn)定的。
圖19是示出了圖16中電路的具體工作結(jié)構(gòu)的電路圖，其中反饋電容Cf帶有一個比圖16的主要裝置多加的快速啟動電路4。該快速啟動電路4連接有與反饋電容Cf并聯(lián)的兩個開關(guān)元件TA和TB，并使由串聯(lián)的電阻R和電容C組成的延遲電路41與開關(guān)元件TA和TB的柵極連接，并給該延遲電路41提供一個直流電源電壓Vcc。兩個開關(guān)元件TA和TB最好由pMOSFET組成，但是并不局限于此。
圖20A到20B示出了把該工作結(jié)構(gòu)的電路連接到電源上的模擬結(jié)果。該電路常數(shù)與圖17中模擬的電路常數(shù)相同。在圖20C中，Vr表示的是參考電壓，Vcc表示的是直流電源電壓，及Vg表示的是開關(guān)元件TA和TB的柵極電壓。圖20B示出了提高開關(guān)元件TA和TB的電流，在圖20A中，Vout是在輸出點的電壓，Vin是在輸入點的電壓。
在圖19的工作結(jié)構(gòu)的電路中，在接上電源后，在該延遲電路41中的電容器C的輸出端的電壓迅速升到延遲狀態(tài)，電容器維持導(dǎo)通狀態(tài)直到形成開關(guān)元件的PMOS晶體管的柵極電壓Vg達(dá)到截止電平，從而輸入等效電容迅速充電和放電。所以，從圖20A中可以知道當(dāng)電源電壓完全升高的同時，在輸出點的電壓Vout已經(jīng)很穩(wěn)定了。
已經(jīng)描述過的本發(fā)明可應(yīng)用到所有把熱電元件的輸出電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓的電路中，該電路可使用配有反饋電容的運(yùn)算放大器。在本發(fā)明中使用作為反饋電容的熱電元件是最佳的，包括可得到正確反饋電容的普通電容器的反饋電路的任何其它裝置甚至可以使用作為本發(fā)明的另外的工作結(jié)構(gòu)。另外，在前面公開的不同工作結(jié)構(gòu)中，其中熱電元件有不同的連接方式，甚至可有效使用其中至少一個熱電元件僅連接到反饋電路上的裝置。另外，接到電源上的運(yùn)算放大器輸入級的等效電容也不局限于那種和使用高電阻一起進(jìn)行充電和放電的工作方式。
權(quán)利要求
1.一種熱電紅外線傳感器，由第一熱電元件、電流-電壓轉(zhuǎn)換電路和放大電路組成，該電流—電壓轉(zhuǎn)換電路把從熱電元件傳來的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號；該放大電路把從電流—電壓轉(zhuǎn)換電路提供的輸出放大，其特征在于該電流—電壓轉(zhuǎn)換電路由運(yùn)算放大器、DC反饋電路和AC反饋電路組成，該DC反饋電路的DC成分反饋到運(yùn)算放大器；該AC電路把AC成分反饋到運(yùn)算放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該AC反饋電路包括電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該AC反饋電路包括第二熱電元件的電容器元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該AC反饋電路包括第二熱電元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于第一和第二熱電元件分別包括形成在同一熱電元件基片上的紅外線接收區(qū)的多個可選擇部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其特征在于第一和第二熱電元件分別包括形成在兩個熱電元件基片上的紅外線接收區(qū)的可選擇部分，以使該元件成為雙型的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該運(yùn)算放大器具有足夠大的輸入阻抗，該阻抗使放大器的電流噪聲成分由于熱電元件的介電損耗而比發(fā)生的噪聲成分小。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該DC反饋電路包括集成電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于分壓電路與該集成電路的輸入端連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的傳感器，其特征在于該分壓電路由T—型連接的電阻器電路組成。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感器，其特征在于該集成電路由具有高電阻的第一電阻器和第二電阻器組成，該第一和第二電阻器具有基本上相同的溫度特性。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于該運(yùn)算放大器具有與第一熱電元件的等效電容相匹配的輸入等效電容。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的傳感器，其特征在于該運(yùn)算放大器包括輸入晶體管，該運(yùn)算放大器的輸入等效電容由該輸入晶體管的柵極的尺寸確定。
全文摘要
一種熱電紅外線傳感器,由利用反饋電容的阻抗的電流—電壓轉(zhuǎn)換電路組成,并通過接收來自熱電元件的元件電流作為輸入把反電容電至運(yùn)算放大器而得到,于是該電流—電壓轉(zhuǎn)換電路可在沒有改變該熱電元件的特性時提高S/N比。
文檔編號G01J5/10GK1194371SQ97126420
公開日1998年9月30日 申請日期1997年11月19日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月26日
發(fā)明者高田裕司, 畑谷光輝, 藤村俊夫, 坂本慎司 申請人:松下電工株式會社