CN103109167B - 具有经改善的热稳定性的引脚兼容性红外光检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种红外光检测器，其包含至少一个传感器芯片(3、4)，所述传感器芯片(3、4)具有由热电敏感材料产生的层元件(5、8)且进一步具有基区电极(6、9)和头部电极(7、10)，所述层元件(5、8)连接到所述电极以用于分接在所述层元件(5、8)中通过用光(2)照射所述至少一个传感器芯片产生的电信号，且所述红外光检测器进一步包含跨阻抗放大器(11、12)以用于借助运算放大器(19、25)放大所述信号，所述运算放大器(19、25)由具有正供应电压的供应电压源(13)不对称地操作且所述基区电极(6、9)连接到所述运算放大器(19、25)的反相输入(21、27)。在所述电压供应源(13)处，连接到接地(14)的分压器(15)具备部分节点(18)，小于所述供应电压的部分电压被施加到所述部分节点(18)且所述部分节点(18)电耦合到非反相输入(20、26)和所述头部电极(7、10)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有经改善的热稳定性的引脚兼容性红外光检测器，且明确地说，涉及一种引脚兼容的具有信号放大器的红外光检测器。
背景技术
举例来说，用于检测热辐射的红外光检测器具有带有两个电极层以及布置在所述电极层之间的热电层的薄膜热电传感器芯片，所述热电层由热电敏感材料制成。这种材料为铁电锆钛酸铅(PZT)。包括信号放大器电路以用于读取、放大、处理和/或中继由传感器芯片由于热辐射而产生的电信号。所述电信号由于经由热电层从一个电极层到另一电极层的电荷转移而产生，使得可在所述电极层处分接差分电压和/或电荷。
热电红外传感器在常规上借助于“源跟随”电路来读取，其中在两个电极之间诱发的电压借助于高阻抗电阻器(例如10到100千兆欧姆)和结栅场效应晶体管来放大。此电路中的高阻抗电阻器结合热电红外传感器的相对较高容量导致非常大的电气时间常数(τe1＝R*C像素)。许多基于非色散红外吸收分析器(NDIR)的气体检测装置使用热电红外传感器以用于测量气体浓度。然而，这些气体检测装置当处于“源跟随”模式时具有不足之处，即在以急剧时间梯度进行加热和/或振动(例如不当的热冲击和/或不当的振荡)时，其具有高电时间常数。“源跟随”模式中的此高电时间常数导致若干秒的长“停工时间”，在这段时间期间气体测量装置以不当的方式不能够实行测量。气体检测装置对这些不当影响(例如归因于不当的热冲击和/或不当的振荡)不灵敏称为热稳定性。
传感器芯片归因于其热电层而具有高电容；已知使用跨阻抗放大器来放大电极层上所存在的电荷。跨阻抗放大器在常规上是基于运算放大器来构造的。运算放大器具有反相输入和非反相输入，其中运算放大器的输出经由电阻器来负反馈耦合在反相输入处。传感器芯片借助于其电极层中的一者连接到反相输入，且经由其另一电极层连接到接地。非反相输入同样地接地。
跨阻抗放大器的输出信号在常规上通常不与下游读出装置兼容，所述下游读出装置是与“源跟随”电路组合使用的。此原因在于跨阻抗放大器提供电流作为输出信号，而相反，“源跟随”电路提供电压作为输出信号。因而，基于“源跟随”读出装置的红外传感器无法容易地与基于跨阻抗转换器电路的红外传感器交换。交换红外传感器将需要修改下游读出装置，所述修改将涉及对整个电路板的高成本修改。引脚兼容且基于跨阻抗放大器的红外光检测器将为合乎需要的，其中在使用基于“源跟随”电路的红外传感器时将不需要修改读出装置。
发明内容
本发明所解决的问题是创建具有跨阻抗放大器的红外光检测器，所述检测器与基于“源跟随”电路的红外传感器引脚兼容，使得没有必要修改在基于“源跟随”电路的红外传感器下游的读出装置，且红外传感器拥有高热稳定性。
根据本发明的红外光检测器具有至少一个传感器芯片，其具有由热电敏感材料产生的层元件，以及基区电极和头部电极，其中所述层元件连接到基区电极和头部电极以用于分接在层元件中由于所述电极接收光辐射而产生的电信号，且所述红外光检测器具有跨阻抗放大器以用于借助运算放大器放大所述信号，所述运算放大器用具有正供应电压的供应电压源不对称地操作，其中所述基区电极连接到运算放大器的反相输入，其中在供应电压源上包括具有部分节点的分压器，所述分压器被接地，其中在所述部分节点处存在低于供应电压的部分电压，且所述部分节点电耦合到非反相输入和头部电极两者。由于所述配置包括分压器且部分节点耦合到头部电极和非反相输入的缘故，在头部电极和非反相输入处存在部分电压。因而，由部分电压形成的参考电压在红外光检测器中由部分节点提供，且施加到跨阻抗放大器的输出信号。进而，有可能将跨阻抗放大器的输出信号直接施加到用于处理所述信号的常规电路，所述电路在电压模式下进行操作，而不需要使所述电路适应红外光检测器。因而，红外光检测器以及连接到所述红外光检测器的额外常规信号处理电路一起以引脚兼容性方式来工作。因而，红外光检测器以及其跨阻抗放大器和其热电传感器芯片可连同常规的信号处理电路在电压模式下进行操作。另外，根据本发明的红外光检测器出人意料地具有高热稳定性。
优选的是，分压器具有串联连接并接地的多个部分电阻器。分压器优选地具有两个所述部分电阻器，其中部分节点位于所述两个部分电阻器之间。以此方式，根据供应电压且根据部分电阻器的电阻值的关系来界定部分电压的值。所述部分电阻器中的每一者优选地具有相同的电阻值，所以部分电压的值为高达供应电压的值的一半。
另外，优选的是，跨阻抗放大器具有配置在运算放大器的反相输入与输出之间的负反馈电阻器，其中负反馈电阻器具有介于100MΩ与100GΩ之间的值。跨阻抗放大器的输出信号存在于运算放大器的输出处，且在反相输入处作为相对于部分节点放大的信号而存在。由于传感器芯片和非反相输入连接到部分节点的缘故，在运算放大器的输出处放大信号使得其适合于由常规的信号处理电路进一步处理。
另外，优选的是，跨阻抗放大器具有在运算放大器的反相输入与输出之间的并联连接到负反馈电阻器的负反馈电容器，其中所述负反馈电容器具有介于0.01pF与10pF之间且尤其优选地介于0.1pF与1pF之间的电容。红外光检测器优选地包含至少两个所述传感器芯片，其中所述跨阻抗放大器中的一者连接到所述传感器芯片中的每一者，其中跨阻抗放大器并联地连接到供应电压源和部分节点。
附图说明
无
具体实施方式
下文参看示意性附图来解释红外光检测器的优选实施例。所述图式展示红外光检测器的示意性电路图。
如图中可见，红外光检测器1具有第一传感器芯片3和第二传感器芯片4，其中传感器芯片3、4各自具有一个热电层元件5、8。到达红外光检测器1的光2击中传感器芯片3、4，且电荷接着转移到热电层元件5、8。
传感器芯片3、4各自具有基区电极6、9和头部电极7、10，其中热电层元件5、8在每一情况下布置并分接于基区电极6、9与头部电极7、10之间。由于到达光2引起的转移到传感器芯片3、4的电荷产生必须放大的信号。信号的放大在第一传感器芯片3中借助于第一跨阻抗放大器11以及在第二传感器芯片4中借助于第二跨阻抗放大器12来实现。
包括供应电压源13以用于对红外光检测器1进行供应，且相对于接地14提供正供应电压。由第一部分电阻器16和第二部分电阻器17形成的分压器15连接到供应源13，其中部分电阻器16、17串联连接并接地到所述接地14。部分节点18在第一部分电阻器16与第二部分电阻器17之间由此配置产生，其中相对于接地14具有部分电压。第一部分电阻器16和第二部分电阻器17各自具有相同的电阻值，使得部分电压为高达供应电压的一半。
跨阻抗放大器11、12各自具有运算放大器19、25，所述运算放大器19、25具有非反相输入20、26和反相输入21、27以及输出22、28。在反相输入21、27与输出22、28之间并联包括负反馈电阻器23、29和负反馈电容器24、30，其中跨阻抗放大器11、12由负反馈电阻器23、29、负反馈电容器24、30和运算放大器19、24形成。
每一传感器芯片3、4的基区电极6、9连接到相应反相输入21、27，而头部电极7、10连接到部分节点18连同非反相输入20、26。运算放大器19、25由供应电压源13不对称地操作，其中运算放大器19、25的供应连接中的一者连接到供应电压源13，且运算放大器19、25的供应连接中的另一者连接到接地14。
负反馈电容器24、30优选地具有介于0.01pF与10pF之间(优选地，介于0.1pF与1pF之间)的电容。电气时间常数经定义为τe1＝R负反馈电阻器*C负反馈电 容器。与常规的“源跟随”电路相比，在具有相同的电阻值以及比率C像素比C负 反馈电容器的情况下，时间常数得以减小。
根据本发明，传感器芯片2、4连接到跨阻抗放大器11、12，使得在常规“源跟随”模式下提供与读出电路的引脚兼容性。另外，红外光检测器1归因于其根据本发明的设计而拥有高热稳定性。
参考元件符号列表
1红外光检测器
2到达光
3第一传感器芯片
4第二传感器芯片
5、8热电层元件
6、9基区电极
7、10头部电极
11第一跨阻抗放大器
12第二跨阻抗放大器
13供应电压源
14接地
15分压器
16第一部分电阻器
17第二部分电阻器
18部分节点
19、25运算放大器
20、26非反相输入
21、27反相输入
22、27输出
23、29负反馈电阻器
24、30负反馈电容器
Claims (6)
1.一种红外光检测器，其具有至少一个传感器芯片(3、4)，所述传感器芯片具有由热电敏感材料制成的层元件(5、8)以及基区电极(6、9)和头部电极(7、10)，其中所述层元件(5、8)连接到所述基区电极(6、9)和所述头部电极(7、10)以分接在所述层元件(5、8)中由于施加到所述基区电极(6、9)和所述头部电极(7、10)的光(2)辐射而产生的电信号，且所述红外光检测器具有跨阻抗放大器(11、12)以用于借助运算放大器(19、25)放大所述电信号，所述运算放大器(19、25)由具有正供应电压的供应电压源(13)不对称地操作，其中所述基区电极(6、9)连接到所述运算放大器(19、25)的反相输入(21、27)，且在所述供应电压源(13)处连接到接地(14)的分压器(15)包括部分节点(18)，在所述部分节点(18)处存在部分电压，且所述部分电压低于所述供应电压，其中所述部分节点(18)电耦合到非反相输入(20、26)以及所述头部电极(7、10)，其中所述分压器具有串联连接且连接到接地(14)的多个部分电阻器(16、17)，其中所述分压器(15)具有两个所述部分电阻器(16、17)，所述部分节点(18)位于所述两个部分电阻器之间。
2.根据权利要求1所述的红外光检测器，其中所述部分电阻器(16、17)中的每一者具有相同的电阻值。
3.根据权利要求1或2所述的红外光检测器，其中所述跨阻抗放大器(11、12)具有连接在所述运算放大器(19、25)的所述反相输入(21、27)与输出(22、28)之间的负反馈电阻器(23、29)，其中所述负反馈电阻器(23、29)具有介于100MΩ与100GΩ之间的值。
4.根据权利要求3所述的红外光检测器，其中所述跨阻抗放大器(11、12)具有在所述运算放大器(19、25)的所述反相输入(21、27)与所述输出(22、28)之间并联连接到所述负反馈电阻器(23、29)的负反馈电容器(24、30)，其中所述负反馈电容器(24、30)具有介于0.01pF与10pF之间的电容。
5.根据权利要求3所述的红外光检测器，其中所述跨阻抗放大器(11、12)具有在所述运算放大器(19、25)的所述反相输入(21、27)与所述输出(22、28)之间并联连接到所述负反馈电阻器(23、29)的负反馈电容器(24、30)，其中所述负反馈电容器(24、30)具有介于0.1pF与1pF之间的电容。
6.根据权利要求1或2所述的红外光检测器，其中所述红外光检测器(1)具有至少两个所述传感器芯片(3、4)，其中所述跨阻抗放大器(11、12)中的一者连接到所述传感器芯片(3、4)中的每一者，其中所述跨阻抗放大器(11、12)并联连接到所述供应电压源(13)和所述部分节点(18)。
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Edinburgh Patentee after: Osprepir Co.,Ltd. Address before: Edinburgh Patentee before: PYREOS Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20220613 Address after: Singapore, Singapore Patentee after: Avago Technologies General IP (Singapore) Pte. Ltd. Address before: Edinburgh Patentee before: Osprepir Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |