CN105571727A - 石墨烯热电堆器件的信号读出方法和读出系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯热电堆器件的信号读出方法和读出系统，方法包括对第一、第二调制电极分别施加互为反相的第一、第二控制信号，其中，第一、第二控制信号组合用于调制石墨烯层的Seebeck系数以消除1/f噪声；通过获取第一电压引出端的第一电压值和获取第二电压引出端的第二电压值得到热源的温度信息。本发明具有如下优点：用相互反相的控制信号直接调制石墨烯层的Seebeck系数，使石墨烯热电堆的输出由传统的直流或低频信号改为高频交流信号，从而取消了传统热电堆放大器电路前端的斩波部分，不仅简化了信号处理电路，还消除了斩波开关引入的1/f噪声，极大地降低了石墨烯热电堆传感器系统的噪声。
Description
技术领域
本发明涉及温度测量领域，具体涉及一种石墨烯热电堆器件的信号读出方法和读出系统。
背景技术
热电堆工作时，本身不需要电流偏置，属于无源器件。当后端连接高输入阻抗的放大器时，热电堆器件上的电流基本为零，基本上可以完全抑制热电堆器件上的1/f噪声。因此，热电堆的主要噪声只有热噪声。但是，后续放大电路中的有源器件仍然会对整个传感器系统引入1/f噪声。传统的热电堆都采用高输入阻抗的斩波稳零运算放大器，但这种高输入阻抗的斩波稳零运算放大器仍然会留有部分低频1/f噪声。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种石墨烯热电堆器件的信号读出方法。
本发明的第二个目的在于提出一种石墨烯热电堆器件的信号读出系统。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种石墨烯热电堆器件的信号读出方法，所述石墨烯热电堆器件设置有热源、第一调制电极和第二调制电极，所述石墨烯热电堆器件还设置有第一电压引出端和第二电压引出端，所述第一调制电极、所述第二调制电极、所述第一电压引出端和所述第二电压引出端均与石墨烯层相连；所述方法包括以下步骤：对所述第一调制电极和所述第二调制电极分别施加互为反相的第一控制信号和第二控制信号，其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号组合用于调制所述石墨烯层的Seebeck系数以消除1/f噪声；通过获取所述第一电压引出端的第一电压值和获取所述第二电压引出端的第二电压值得到所述热源的温度信息。
根据本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出方法，用相互反相的控制信号直接调制石墨烯层的Seebeck系数，使石墨烯热电堆的输出由传统的直流或低频信号改为高频交流信号，从而取消了传统热电堆放大器电路前端的斩波部分，不仅简化了信号处理电路，还消除了斩波开关引入的1/f噪声，极大地降低了石墨烯热电堆传感器系统的噪声。
另外，根据本发明上述实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为周期性的矩形脉冲控制信号，且在每个周期内所述第一控制信号与所述第二控制信号时刻保持反相。
进一步地，所述第一控制信号或所述第二控制信号在一个周期内包括正控制信号和负控制信号。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种石墨烯热电堆器件的信号读出系统，所述石墨烯热电堆器件设置有热源、第一调制电极和第二调制电极，所述石墨烯热电堆器件还设置有第一电压引出端和第二电压引出端，所述第一调制电极、所述第二调制电极、所述第一电压引出端和所述第二电压引出端均与石墨烯层相连；所述系统包括：第一控制信号输出装置，与所述第一调制电极相连，用于对所述第一电极施加第一控制信号；第二控制信号输出装置，与所述第二调制电极相连，用于对所述第二电极施加第二控制信号；第一电压信号读取装置，与所述第一电压引出端相连，用于读取所述第一电压引出端的第一电压信号，并根据所述第一电压信号得到相应的第一电压值；第二电压信号读取装置，与所述第二电压引出端相连，用于读取所述第二电压引出端的第二电压信号，并根据所述第二电压信号得到相应的第二电压值；以及温度计算装置，与所述第一电压信号读取装置和第二电压信号读取装置相连，用于通过所述第一电压值和所述第二电压值得到所述热源的温度信息；其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号互为反相，所述第一控制信号和所述第二控制信号组合用于调制所述石墨烯层的Seebeck系数以消除1/f噪声。
根据本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出系统，用相互反相的控制信号直接调制石墨烯层的Seebeck系数，使石墨烯热电堆的输出由传统的直流或低频信号改为高频交流信号，从而取消了传统热电堆放大器电路前端的斩波部分，不仅简化了信号处理电路，还消除了斩波开关引入的1/f噪声，极大地降低了石墨烯热电堆传感器系统的噪声。
另外，根据本发明上述实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出系统，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为周期性的矩形脉冲控制信号，且在每个周期内所述第一控制信号与所述第二控制信号时刻保持反相。
进一步地，所述第一控制信号或所述第二控制信号在一个周期内包括正控制信号和负控制信号。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出方法的流程图；
图2是本发明一个实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出系统的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述根据本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出方法。
图2是本发明一个实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出系统的结构示意图。请参考图2，首先介绍本实施例的石墨烯热电堆器件，包括基底101、位于基底101上的第一介质层102、位于第一介质层102上的地电极层103、位于地电极层103上的第二介质层104、位于第二介质层104上的第三介质层105、位于第三介质层105上的石墨烯层107、位于石墨烯层107上的金属层106，金属层106分别引出第一调制电极108和第二调制电极109、第一输出电压引出端110、第二输出电压引出端111、钝化层112和红外线吸收层113。
红外线吸收层113用于接收红外线产生热量，红外线吸收层113吸收的热量会导致靠近红外线吸收层113下部的石墨烯107与第一调制电极108和第二调制电极109的石墨烯温度不同，存在温差，热端载流子向冷端移动，即红外线吸收层113下的石墨烯层107上的载流子向第一调制电极108和第二调制电极109方向移动。通过对第一调制电极108和第二调制电极109施加不同的电压，进而导致第一电压引出端110和第二电压引出端111的seebeck系数不同。通过测量第一调制电极108和第二调制电极109之间的压差，再根据不同的seebeck系数可以得到红外线吸收层113的温度信息。
以下介绍本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出方法。
请参考图1，本发明的石墨烯热电堆器件的信号读出方法包括以下步骤：
S1：对第一调制电极108和第二调制电极109分别施加互为反相的第一控制信号和第二控制信号。其中，第一控制信号和第二控制信号组合用于调制石墨烯层107的Seebeck系数以消除1/f噪声。
具体地，Seebeck效应，将半导体加热，热端载流子向冷端扩散。红外线吸收层113吸收热量会导致靠近红外线吸收层113的石墨烯层107中的载流子向远离红外线吸收层113方向移动，即向第一调制电极108和第二调制电极109方向移动。对于p型半导体，空穴扩散，seebeck系数大于0；对于n型半导体，电子扩散，seebeck系数小于0。将石墨烯偏置在负偏压，可以表现出p型半导体特性，seebeck系数大于0；偏置在正电压，可以表现出n型半导体特性，seebeck系数小于0。故在两端加上正负相反并且周期交替的电压可使测试端产生正负交替的压差(即为高频信号，可消除1/f噪声)。
S2：通过获取第一电压引出端110的第一电压值和获取第二电压引出端111的第二电压值得到热源的温度信息。
具体地，通过第一电压值和第二电压值通过计算可以得到红外线吸收层113的温度信息。
在本发明的一个实施例中，第一控制信号和第二控制信号均为周期性的脉冲控制信号，且在每个周期内第一控制信号与第二控制信号时刻保持反相。通过不同强度的第一控制信号和第二控制信号组合判断红外线吸收层113的温度更加准确。
在本发明的一个实施例中，第一控制信号或第二控制信号在一个周期内包括正相控制信号和负相控制信号。通过不同相位方向的第一控制信号和第二控制信号组合判断红外线吸收层113的温度更加准确。
以下介绍本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出系统。
请再次参考图2，本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出系统包括第一控制信号输出装置201、第二控制信号输出装置202、第一电压信号读取装置、第二电压信号读取装置和温度计算装置203。
具体地，第一控制信号输出装置201用于输出第一控制信号，第二控制信号输出装置用于输出第二控制信号，同一时刻的第一控制信号和第二控制信号的相位相反。通过第一控制信号和第二控制信号调制石墨烯层107的Seebeck系数以消除1/f噪声。将第一电压信号读取装置读取的第一电压信号，以及第二电压信号读取装置读取的第二电压信号传递给温度计算装置203，由温度计算装置203根据第一电压信号和第二电压信号计算红外线吸收层113的温度信息。
在本发明的一个实施例中，第一控制信号和第二控制信号均为周期性的脉冲控制信号，且在每个周期内第一控制信号与第二控制信号时刻保持反相。通过不同强度的第一控制信号和第二控制信号组合判断红外线吸收层113的温度更加准确。
在本发明的一个实施例中，第一控制信号或第二控制信号在一个周期内包括正相控制信号和负相控制信号。通过不同相位方向的第一控制信号和第二控制信号组合判断红外线吸收层113的温度更加准确。
另外，本发明实施例的石墨烯热电堆器件的信号读出方法和读出系统的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (6)
1.一种石墨烯热电堆器件的信号读出方法，其特征在于，所述石墨烯热电堆器件设置有热源、第一调制电极和第二调制电极，所述石墨烯热电堆器件还设置有第一电压引出端和第二电压引出端，所述第一调制电极、所述第二调制电极、所述第一电压引出端和所述第二电压引出端均与石墨烯层相连；所述方法包括以下步骤：
对所述第一调制电极和所述第二调制电极分别施加互为反相的第一控制信号和第二控制信号，其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号组合用于调制所述石墨烯层的Seebeck系数以消除1/f噪声；
通过获取所述第一电压引出端的第一电压值和获取所述第二电压引出端的第二电压值得到所述热源的温度信息。
2.根据权利要求1所述的石墨烯热电堆器件的信号读出方法，其特征在于，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为周期性的矩形脉冲控制信号，且在每个周期内所述第一控制信号与所述第二控制信号时刻保持反相。
3.根据权利要求2所述的石墨烯热电堆器件的信号读出方法，其特征在于，所述第一控制信号或所述第二控制信号在一个周期内包括正控制信号和负控制信号。
4.一种石墨烯热电堆器件的信号读出系统，其特征在于，所述石墨烯热电堆器件设置有热源、第一调制电极和第二调制电极，所述石墨烯热电堆器件还设置有第一电压引出端和第二电压引出端，所述第一调制电极、所述第二调制电极、所述第一电压引出端和所述第二电压引出端均与石墨烯层相连；所述系统包括：
第一控制信号输出装置，与所述第一调制电极相连，用于对所述第一电极施加第一控制信号；
第二控制信号输出装置，与所述第二调制电极相连，用于对所述第二电极施加第二控制信号；
第一电压信号读取装置，与所述第一电压引出端相连，用于读取所述第一电压引出端的第一电压信号，并根据所述第一电压信号得到相应的第一电压值；
第二电压信号读取装置，与所述第二电压引出端相连，用于读取所述第二电压引出端的第二电压信号，并根据所述第二电压信号得到相应的第二电压值；以及
温度计算装置，与所述第一电压信号读取装置和第二电压信号读取装置相连，用于通过所述第一电压值和所述第二电压值得到所述热源的温度信息；
其中，所述第一控制信号和所述第二控制信号互为反相，所述第一控制信号和所述第二控制信号组合用于调制所述石墨烯层的Seebeck系数以消除1/f噪声。
5.根据权利要求4所述的石墨烯热电堆器件的信号读出系统，其特征在于，所述第一控制信号和所述第二控制信号均为周期性的矩形脉冲控制信号，且在每个周期内所述第一控制信号与所述第二控制信号时刻保持反相。
6.根据权利要求5所述的石墨烯热电堆器件的信号读出系统，其特征在于，所述第一控制信号或所述第二控制信号在一个周期内包括正控制信号和负控制信号。
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