CN110346052B - Mems非制冷红外探测器热学参数测试电路及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及红外探测器的热学参数的电学自测试领域，具体涉及一种MEMS非制冷红外探测器的热学参数测试电路及测试方法。所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路包括：MEMS非制冷红外探测器阵列，包括多行多列的红外敏感单元；阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS非制冷红外探测器阵列中的敏感单元，并输出所选中的敏感单元产生的电学信号给放大运算电路；放大运算电路，对电学信号的变化进行放大运算，并将放大运算结果输出给数据处理模块；电源模块，用于给阵列选通开关所选中的红外敏感单元供电；所述数据处理模块，根据所述放大运算电路的实际测试数据计算得到器件热容C、热响应时间τ、热导G、黑体响应率RIR和红外吸收效率η。
Description
技术领域
本发明涉及微纳器件的热学参数的电学自测试领域，具体涉及一种基于自热效应的MEMS非制冷红外探测器热学参数的测试电路与方法。
背景技术
微机电***(MEMS)也叫做微电子机械***或微机械等***，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的。常见的产品包括加速度计、麦克风、陀螺仪、湿度传感器、气体传感器、红外探测器等。目前基于热特性原理的热MEMS传感器，广泛应用于国防、医疗、安全、航天、环境监测、汽车电子等多个领域，具备微型化、智能化、多功能、高集成度和大量生产的特点。
红外辐射是一种自然界普遍存在的电磁波能量，探测并采集物体的红外辐射，可以重构物体特征，在军事、工业、医疗、安防等领域有着广泛应用需求。非制冷红外探测器是利用红外辐射的热效应，通过光-热-电转换来实现红外探测，具有质量轻、体积小、功耗小、成本低等优点，现已成为民用及中、低端军用的首选。
非制冷红外探测器包括红外探测器阵列和读出电路两部分，而红外探测器阵列是整个***的核心部分。根据阵列的敏感单元种类，非制冷红外探测器可以分为二极管型、电阻型、热电堆型、热释电型、或场效应管型。红外探测器阵列的热学参数取决于器件的材料和结构的信息，决定了探测器的整体性能。其热学参数主要包括热容、热导、热响应时间黑体响应率和红外吸收率，因此准确测量这些热学参数对器件热学性能评估和结构设计优化具有重要意义。
目前，针对热学参数设计的结构和工艺尺寸确定主要依靠仿真、估算等粗略设计方法，误差较大，且设计周期较长。而国内针对热学参数的测试，均需借助稀缺、昂贵的外界测试设备，测试***复杂，操作不便，测试效率低，尤其是对于阵列型器件，测试的时间成本高。因此研究MEMS非制冷红外探测器热学参数的自测试电路具有迫切性和必要性。
发明内容
本发明的目的是在于克服、补充现有技术中存在的不足，提供一种MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路及测试方法，所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路及测试方法具有电路简单、操作简便、测量速度快、精度高的特点。
作为本发明的第一方面，提供一种MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路，所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路包括：黑体辐射源、斩波器、电源模块、MEMS非制冷红外焦平面阵列、阵列选通开关、放大运算电路和数据处理模块；
所述MEMS非制冷红外焦平面阵列，包括多行多列的红外敏感单元；每个敏感单元通电后或者在吸收红外辐射后能够发热，能产生与其温度相对应的电学信号；
所述阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS非制冷红外探测器中的敏感单元，并输出所选中的敏感单元产生的电学信号给放大运算电路；
所述放大运算电路，用于采集所述电学信号的变化，并对电学信号的变化进行放大运算转换成数字信号输出给数据处理模块；
所述电源模块，用于给阵列选通开关所选择的敏感单元供电；
所述数据处理模块，根据所述放大运算电路输出的实际测试数据计算得到MEMS非制冷红外探测器的敏感单元的热学参数。
所述数据处理模块，根据所述放大运算电路的实际测试数据计算得到器件热容C、热响应时间τ、热导G、黑体响应率RIR和红外吸收效率η。
进一步地，所述电源模块包括电压源和多个脉冲恒流单元，MEMS非制冷红外探测器的每列敏感单元对应一个所述脉冲恒流单元；所述脉冲恒流单元用于给每列敏感单元提供恒流脉冲信号。
每个所述脉冲恒流单元均包括一组恒流源和一个由移位寄存器控制的恒流源选通开关；
进一步地，所述恒流源选通开关为单刀双掷开关，每组所述恒流源均分别包括两个并列的第一恒流源和第二恒流源，所述两个并列的恒流源的正端分别连接所述单刀双掷开关的两个支路，述脉冲恒流单元的负极接地。
进一步地，所述第一恒流源为大电流恒流源，第二恒流源为小电流恒流源，且第二恒流源的电流值范围为0.1μA～10mA，第一恒流源的电流值范围为1μA～100mA。
进一步地，
所述阵列选通开关包括：
多个行选通开关，每行所述敏感单元对应一个行选通开关；所有行选通开关的第一端均连接所述电压源的输出端，每行对应的行选通开关的第二端与该行所有的敏感单元第一端连接；
多个列选通开关，每列所述敏感单元对应一个列选通开关，即为单刀双掷的恒流源选通开关，所述脉冲恒流单元的负极接地。
进一步地，所述模数转换电路ADC与列选通开关对应的运算放大器，所述运算放大器的反相输入端连接对应列选通开关的第二端，运算放大器的正相输入端连接参考电压VREF；
所述运算放大器的输出端分别连接模数转换电路ADC的输入端，所述模数转换电路ADC的输出端连接数据处理模块。
进一步地，在所述运算放大器的反相输入端和列选通开关的第二端之间连接有电阻R1；且所述运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间连接有电阻R2。
作为本发明的第二方面，提供一种MEMS非制冷红外探测器热学参数测试方法，所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试方法：
步骤1，将MEMS非制冷红外探测器热学参数置于工作环境中；
步骤2，先将电源模块接入测试电路中，调节电压源使得脉冲恒流单元两端的电压在运算放大器的输入范围之内；
步骤3，配置参考电压VREF使选择放大运算电路中的运算放大器正常工作；
步骤4，由移位寄存器控制阵列选通开关，从而控制脉冲恒流单元产生一个脉冲方波电流，分别采集第一恒流源正端电压和第二恒流源正端电压，并将采集的正端电压作为运算放大器的反相输入，并由所述运算放大器放大后，由模数转换电路ADC转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热容、热导和热响应时间；
步骤5，由移位寄存器控制阵列选通开关，选择第二恒流源给敏感单元供电，再将黑体辐射源辐射出的红外光经过斩波器调制后入射到MEMS非制冷红外探测器表面，分别采集有红外辐射和无红外辐射下脉冲恒流单元正端电压，经运算放大器放大后再由模数转换电路ADC转换为数字信号，最后通过数据处理模块处理得到黑体响应率和红外吸收效率；
步骤6，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS非制冷红外焦平面阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤5，得出器件其他单元的热学参数；
步骤7，测试完成，关闭各个装置。
从以上所述可以看出，本发明提供的基于MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路及测试方法，与现有技术相比具备以下优点：
(1)本发明的放大运算电路利用读出电路自身的恒流源，脉冲方波电流的控制时序要求简单；
(2)由于红外探测器的常见读出电路为CTIA型的放大运算电路，故本测试方法完全利用器件自身读出电路来进行热学参数测试，对自身读出电路变动极小；
(3)本发明的测试方法利用器件自身的自热效应来完成热学参数的测试，仅需少量激励设备和测试设备；
(4)本发明的测试原理是基于热平衡建立初始的非平衡阶段来完成测量，相比传统的热稳定测试方法，本发明的测试方法速度更快，效率更高；
(5)本发明的测试电路可以实现芯片级集成，整个电路***通过提供特定的时序控制来完成相应的功能。
附图说明
图1为本发明实施例的结构框图。
图2为本发明实施例的电路图。
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。
作为本发明的第一方面，提供一种基于自热效应的MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路，如图1和图2所示，为一款非制冷红外探测器阵列的热学参数测试电路。
所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路包括：黑体辐射源，斩波器，电源模块、MEMS非制冷红外焦平面阵列、阵列选通开关，放大运算电路和数据处理模块；
所述黑体辐射的光线通过斩波器照射在MEMS非制冷红外焦平面阵列上，所述斩波器用于控制黑体辐射的光线到达所述MEMS非制冷红外焦平面阵列。
所述MEMS非制冷红外探测器，包括多行多列的红外敏感单元，每个敏感单元通电后或者在吸收红外辐射后能够发热，能产生与其温度相对应的电学信号；
所述阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS红外探测器中的敏感单元，并输出所选中的敏感单元产生的电学信号给放大运算电路；
所述放大运算电路，用于采集所述电学信号的变化，并对电学信号的变化进行放大运算转换成数字信号输出给数据处理模块；
所述电源模块，用于给阵列选通开关所选择的敏感单元供电；
所述数据处理模块，根据所述放大运算电路输出的实际测试数据计算得到MEMS红外探测器的敏感单元的热学参数。
所述数据处理模块，根据所述放大运算电路的实际测试数据计算得到器件热容C、热响应时间τ、热导G、黑体响应率RIR和红外吸收效率η；
可以理解的是，本发明基于传感器的自热作用并结合外界黑体辐射，利用读出电路实现器件热学参数的自测试，测试的读出电路与正常工作的读出电路完全相同、操作简便、测量速度快、精度高的特点。并且阵列选通开关控制MEMS非制冷红外探测器中的敏感单元轮流选通，即能实现MEMS非制冷红外探测器的敏感单元热学参数的阵列级测试。
具体地，所述电源模块包括电压源和多个脉冲恒流单元，MEMS非制冷红外探测器的每列敏感单元对应一个所述脉冲恒流单元；所述脉冲恒流单元用于给每列敏感单元提供恒流脉冲信号。
每个所述脉冲恒流单元均包括一组恒流源和一个由移位寄存器控制的恒流源选通开关；
进一步地，所述恒流源选通开关为单刀双掷开关，每组所述恒流源均分别包括两个并列的第一恒流源和第二恒流源，所述两个并列的恒流源的正端分别连接所述单刀双掷开关的两个支路，所述脉冲恒流单元的负极接地。
需要解释的是，第一恒流源与第二恒流源提供的恒定电流相差很大，通过单刀双掷开关在两个恒流源之间切换，产生一个“一小一大”的脉冲电流，从而使得探测器产生一个“一小一大”的自热功率。
所述阵列选通开关包括：
多个行选通开关，每行所述敏感单元对应一个行选通开关；所有行选通开关的第一端均连接所述电压源的输出端，每行对应的行选通开关的第二端与该行所有的敏感单元第一端连接；
多个列选通开关，每列所述敏感单元对应一个列选通开关，即为单刀双掷的恒流源选通开关。
进一步地，所述放大运算电路包括模数转换电路ADC与列选通开关对应的运算放大器，所述运算放大器的反相输入端连接对应列选通开关的第二端，运算放大器的正相输入端连接参考电压VREF；
所述运算放大器的输出端分别连接模数转换电路ADC的输入端，所述模数转换电路ADC的输出端连接数据处理模块。
进一步地，在所述运算放大器的反相输入端和列选通开关的第二端之间连接有电阻R1；且所述运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间连接有电阻R2。
可以理解的是，通过控制行选通开关的导通和列选通开关的导通，来控制对应的敏感单元选通。其中，所述行选通开关为行位移寄存器控制，所述列选通开关为列位移寄存器控制。
需要解释的是，当MEMS非制冷红外传感器阵列中的某个敏感单元被选通时，则与此敏感单元对应连接的行选通开关和列选通开关均导通，即MEMS非制冷红外探测器阵列中的某个敏感单元被选通时电压源、该敏感单元与脉冲恒流单元依次串联连接形成回路。
所述选通电路采集所述敏感单元输出端的电压信号。计算所述电压信号的变化量ΔV。所述数据处理模块是一种将在所述恒流脉冲信号作用下热平衡方程的理论推导结果用FPGA、单片机或者DSP等实现的硬件模块。
1.热容、热导和热响应时间的理论分析：
所述热平衡方程的理论推导结果如下：
在所述恒流脉冲信号的最大值期间，则敏感单元电压变化量ΔV随时间t的理论推导式为：
其中C是器件的热容，G是器件的热导，ΔV为器件敏感单元与环境的温度差，Psh为器件在脉冲大电流下的自热功率，Ps为脉冲小电流下的自热功率，α为探测器敏感单元的电压温度系数。
由于脉冲持续时间t<<τ时，则敏感单元电压变化量的一阶泰勒级数展开式为：
可以看出当脉冲时间很短时，敏感单元电压变化量随时间的关系为一次函数关系，设由实际测试数据拟合出的一次函数解析式为：y＝kt+b；则器件的热容和热导可以表示为：
根据实际测试得到的热容和热导，并结合公式τ＝C/G，得出器件的热响应时间τ。
2.黑体响应率和红外吸收率的理论分析：
设黑体辐射源入射到红外探测器表面的红外辐射功率为PIR，被敏感单元吸收掉并引起敏感单元温度升高的功率为PA，则红外吸收率η可以表示为：
当红外探测器接收到功率为PIR的红外辐射之后，敏感单元的电压变化量为ΔVIR，则红外探测器的黑体响应率为：
在没有外界红外辐射时，在小电流下，自热功率为Ps，器件由于自热效应而引起敏感单元的电压变化量为ΔV，当ΔV＝ΔVIR时，此时的自热功率Ps与被敏感单元吸收的红外辐射功率PA相等，则此时红外探测器的红外吸收率η可转化为：
其中自热功率Ps＝VI，V为敏感单元的正向电压，I为流过敏感单元的电流；探测器的入射红外辐射功率PIR的计算公式为：
其中A为红外吸收面积，τF为探测器镜头的红外透过率，M为黑体辐照度，d为黑体辐射源的孔径，D为红外探测器与黑体辐射源之间的间距。
具体地，每个所述脉冲恒流单元均包括一组恒流源和一个由移位寄存器发出的脉冲控制的恒流源选通开关；所述恒流源选通开关为单刀双掷开关，每组所述恒流源均分别包括两个并列的恒流源，分别为第一恒流源和第二恒流源，所述第一恒流源为大电流恒流源，第二恒流源为小电流恒流源，且第二恒流源的电流值范围为0.1μA～10mA，第一恒流源的电流值范围为1μA～100mA；所述两个并列的恒流源的正极分别连接所述单刀双掷开关的两个支路，所述移位寄存器用于控制所述单刀双掷开关的选通，从而控制所述单刀双掷开关在两个恒流源之间进行切换，以获得脉冲方波电流，并控制小电流持续时间大于热传感器单元热响应时间的五倍，大电流持续时间小于热传感器单元热响应时间的三十分之一，以让敏感单元的温度高于环境温度2～10℃为目标。
具体地，所述放大运算电路为与列选通开关对应的运算放大器，每个所述运算放大器的反相输入端连接对应列选通开关的第二端，用于采集对应列选通开关第二端的电学信号并将所采集到的电学信号放大运算；所述运算放大器的正相输入端连接参考电压VREF，所述运算放大器的输出端分别连接模数转换电路ADC的输入端，所述模数转换电路ADC的输出端连接数据处理模块。在所述运算放大器的反相输入端和列选通开关的第二端之间连接有电阻R1；且所述运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间连接有第二电阻R2。
作为本发明的第二方面，提供一种MEMS非制冷红外探测器热学参数测试方法，
所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试方法包括：
步骤1，将MEMS非制冷红外探测器热学参数置于工作环境中；
步骤2，先将电源模块接入测试电路中，调节电压源使得脉冲恒流单元两端的电压在运算放大器的输入范围之内；
步骤3，配置参考电压VREF使选择放大运算电路中的运算放大器正常工作；
步骤4，由移位寄存器控制阵列选通开关，从而控制脉冲恒流单元产生一个脉冲方波电流，分别采集第一恒流源正端电压和第二恒流源正端电压，并将采集的正端电压作为运算放大器的反相输入，并由所述运算放大器放大后，由模数转换电路ADC转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热容、热导和热响应时间；
步骤5，由移位寄存器控制阵列选通开关，选择第二恒流源给敏感单元供电，再将黑体辐射源辐射出的红外光经过斩波器调制后入射到MEMS非制冷红外探测器表面，分别采集有红外辐射和无红外辐射下脉冲恒流单元正端电压，经运算放大器放大后再由模数转换电路ADC转换为数字信号，最后通过数据处理模块处理得到黑体响应率和红外吸收效率；
步骤6，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS非制冷红外焦平面阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤5，得出器件其他单元的热学参数；
步骤7，测试完成，关闭各个装置。
本发明的原理为：通过行选和列选开关选通红外焦平面阵列中的一个像元，该像元与恒流源模块串联后与电压源Vdd连接形成回路，恒流源模块正端与放大运算电路的输入相连，放大运算电路的输出与数据处理模块相连。首先通过单刀双掷开关在两个恒流源之间切换，产生一个“一小一大”的脉冲电流，从而使得探测器产生一个“一小一大”的自热功率。在脉冲电流的期间，采集恒流源模块的电压变化作为放大运算电路的输入信号，被放大运算电路放大，并进行模数转换，输出的数字信号被数据处理模块接收并处理，从而得到器件的热容、热导和热响应时间三个热学参数。然后将单刀双掷开关固定选择小恒流源，再将黑体辐射源辐射出的红外光经过斩波器调制后入射到MEMS非制冷红外探测器表面，分别采集有红外辐射和无红外辐射下恒流源正端电压，经运算放大器放大后再由ADC模块转换为数字信号，最后通过数据处理模块处理得到黑体响应率和红外吸收效率两种热学参数。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路，其特征在于，所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路包括：黑体辐射源、斩波器、电源模块、MEMS非制冷红外焦平面阵列、阵列选通开关，放大运算电路和数据处理模块；
所述MEMS非制冷红外焦平面阵列包括多行多列的敏感单元；每个所述敏感单元通电后或者在吸收红外辐射后能够发热，并且能产生与敏感单元温度相对应的电学信号；
所述阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS非制冷红外探测器中的敏感单元，并输出所选中的敏感单元产生的电学信号给放大运算电路；
所述放大运算电路，用于采集所述电学信号的变化，并对电学信号的变化进行放大运算转换成数字信号输出给数据处理模块；
所述电源模块，用于给阵列选通开关所选择的敏感单元供电；
所述数据处理模块，根据所述放大运算电路输出的实际测试数据计算得到MEMS非制冷红外焦平面的敏感单元的热学参数；
所述电源模块包括电压源和多个脉冲恒流单元，MEMS非制冷红外探测器的每列敏感单元对应一个所述脉冲恒流单元；所述脉冲恒流单元用于给每列敏感单元提供恒流脉冲信号；
每个所述脉冲恒流单元均包括一组恒流源和一个由移位寄存器控制的恒流源选通开关；
所述恒流源选通开关为单刀双掷开关，每组所述恒流源均分别包括两个并列的第一恒流源和第二恒流源，所述两个并列的恒流源的正极分别连接所述单刀双掷开关的两个支路，脉冲恒流单元的负极接地；所述第一恒流源为大电流恒流源，第二恒流源为小电流恒流源，且第二恒流源的电流值范围为0.1μA～10mA，第一恒流源的电流值范围为1μA～100mA。
2.如权利要求1所述的MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路，其特征在于，
所述阵列选通开关包括：
多个行选通开关，每行所述敏感单元对应一个行选通开关；所有行选通开关的第一端均连接所述电压源的输出端，每行所对应的行选通开关的第二端与该行所有的敏感单元第一端连接；
多个列选通开关，每列所述敏感单元对应一个列选通开关，即为单刀双掷的恒流源选通开关。
3.如权利要求1所述的MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路，其特征在于，所述放大运算电路包括：模数转换电路ADC与列选通开关对应的运算放大器，所述运算放大器的反相输入端连接对应列选通开关的第二端，运算放大器的正相输入端连接参考电压VREF；
所述运算放大器的输出端分别连接模数转换电路ADC的输入端，所述模数转换电路ADC的输出端连接数据处理模块。
4.如权利要求3所述的MEMS非制冷红外探测器热学参数测试电路，其特征在于，在所述运算放大器的反相输入端和列选通开关的第二端之间连接有电阻R1；且所述运算放大器的反相输入端和运算放大器的输出端之间连接有电阻R2。
5.一种MEMS非制冷红外探测器热学参数测试方法，其特征在于，所述MEMS非制冷红外探测器热学参数测试方法：
步骤1，将MEMS非制冷红外探测器热学参数置于工作环境中；
步骤2，先将电源模块接入测试电路中，调节电压源使得脉冲恒流单元两端的电压在运算放大器的输入范围之内；
步骤3，配置参考电压VREF使选择放大运算电路中的运算放大器正常工作；
步骤4，由移位寄存器控制阵列选通开关，从而控制脉冲恒流单元产生一个脉冲方波电流，分别采集第一恒流源正端电压和第二恒流源正端电压，并将采集的正端电压作为运算放大器的反相输入，并由所述运算放大器放大后，由模数转换电路ADC转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热容、热导和热响应时间；所述第一恒流源为大电流恒流源，第二恒流源为小电流恒流源，且第二恒流源的电流值范围为0.1μA～10mA，第一恒流源的电流值范围为1μA～100mA；
步骤5，由移位寄存器控制阵列选通开关，选择第二恒流源给敏感单元供电，再将黑体辐射源辐射出的红外光经过斩波器调制后入射到MEMS非制冷红外探测器表面，分别采集有红外辐射和无红外辐射下脉冲恒流单元正端电压，经运算放大器放大后再由模数转换电路ADC转换为数字信号，最后通过数据处理模块处理得到黑体响应率和红外吸收效率；
步骤6，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS非制冷红外焦平面阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤5，得出器件其他单元的热学参数；
步骤7，测试完成，关闭各个装置。
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