CN106289537A - 一种红外热电堆内建自测试电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外热电堆内建自测试电路，包括热电堆、信号采集单元、发热电阻、自测试信号产生电路和测试分析电路，其中：信号采集单元，用于采集并处理热电堆的输出响应电势差值；发热电阻，用于为热电堆提供热辐射源；自测试信号产生电路，用于为发热电阻提供不同的输入激励电压；信号采集单元输出的响应电势差值及发热电阻两端的输入激励电压值分别连接至测试分析电路的输入端，根据输出响应电势差值及输入激励电压值，测试分析电路进行测试分析。该内建自测试电路能够提高测试效率，并有效降低产品的成本，利于产品的商业化。

Description

一种红外热电堆内建自测试电路及方法

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)，尤其涉及一种红外热电堆内建自测试(BIST，Built-In Self Test)电路及方法。

背景技术

MEMS(Micro Electromechanical System，微电子机械系统)是利用半导体技术形成电子机械器件，如各种传感器件。

红外热电堆温度传感器是一类典型的MEMS传感，其基本原理是塞贝克效应，由逸出功不同的两种导电材料所组成的闭合回路，当两接触点处温度不同时，由于温度梯度使得材料内部的载流子向温度低的一端移动，在温度低的一端形成电荷积累，回路中就会产生热电势，这种结构被称为热电偶，一系列热电偶串联组成热电堆，通过测量热电堆两端电压变化即可探测待测物体的温度。由于其非接触式测温的特性，被广泛应用于照明系统、空调系统、供热系统、门禁系统、安防系统、家居智能、环境监测、汽车倒车、预防检测、消防、国防、医疗、制程控制，实现设备的自动测量与控制。

在MEMS器件商业化中，有必要在封装前对早期的产品进行功能测试、可靠性分析及失效分析等工作，以确保产品的质量和性能，然而，由于MEMS除了电激励外，还需测量声、光、振动、流体、压力、温度或化学等激励的输入输出，测试工作相对复杂。

因此，若能对MEMS系统进行可测试性设计，采用电信号为MEMS器件提供测试激励，则可以提高MEMS测试的标准化程度、降低对复杂测试仪器的依赖度，从而有效降低其测试与产品成本。

发明内容

本发明的目的在于至少克服上述现有技术中的缺陷之一，提供一种红外热电堆内建自测试电路及系统，实现在封装前的芯片级系统自测试，从而提高测试效率，并有效降低产品成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种红外热电堆内建自测试电路，包括热电堆、信号采集单元、发热电阻、自测试信号产生电路和测试分析电路，其中：

信号采集单元，用于采集并处理热电堆的输出响应电势差值；

发热电阻，用于为热电堆提供热辐射源；

自测试信号产生电路，用于为发热电阻提供不同的输入激励电压；

信号采集单元输出的响应电势差值及发热电阻两端的输入激励电压值分别连接至测试分析电路的输入端，根据输出响应电势差值及输入激励电压值，测试分析电路进行测试分析。

可选的，自测试信号产生电路包括自测试信号控制单元和数模转换单元，自测试信号控制单元输出不同的数字控制信号至数模转换单元，数模转换单元根据数字控制信号输出不同的激励电压信号至发热电阻。

可选的，还包括：热电堆响应率获取单元，用于根据输出响应电势差值及输入激励电压值，获得热电堆响应率。

可选的，还包括响应误差获取单元，用于获得所述热电堆响应率下的不同输入激励电压下热电堆输出响应误差值，所述热电堆输出响应误差值为不同输入激励电压下热电堆输出响应电势差的计算值与实际值之差。

可选的，还包括判断单元，用于根据输出响应误差值判断热电堆是否工作正常。

此外，本发明还提供了一种红外热电堆内建自测试方法，包括：

提供发热电阻的输入激励电压，发热电阻为热电堆提供热辐射源；

获得热电堆的输出响应电势差值及发热电阻两端的输入激励电压值；

根据输出响应电势差值及输入激励电压，进行测试分析。

可选的，根据输出响应电势差值及输入激励电压值，进行测试分析的步骤包括：

根据输出响应电势差值及输入激励电压值，测试分析电路进行测试分析计算，获得热电堆响应率。

可选的，获得热电堆响应率之后，还包括：

获得所述热电堆响应率下的不同输入激励电压下的热电堆输出响应误差值，所述热电堆输出响应误差值为不同输入激励电压下热电堆输出响应电势差的计算值与实际值之差。

可选的，获得响应误差后，还包括步骤：

根据输出响应误差值，判断热电堆是否工作正常。

本发明实施例提供的红外热电堆内建自测试电路及方法，由发热电阻为热电堆提供热辐射源，通过自测试信号产生电路为发热电阻提供输入激励电压，在给定输入激励电压下，信号采集单元采集并处理热电堆的输出响应电势差值，根据该电势差值及发热电阻的输入激励电压，进行测试分析，这样，可以在电路设计时引入该电路，在封装前芯片级测试中利用电信号实现系统级测试，从而提高测试的效率，有效降低产品的成本，利于产品的商业化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的红外热电堆温度传感器的电路结构示意图；

图2为根据本发明实施例的红外热电堆内建自测试电路的方框结构示意图；

图3为根据本发明实施例的红外热电堆内建自测试电路的电路结构示意图；

图4为根据本发明实施例的红外热电堆内建自测试方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

参考图1所示，为本发明实施例的红外热电堆温度传感器的结构示意图，通常的，红外热电堆传感器中，包括热电堆10、信号采集单元12、本地温度输出单元20和温度计算逻辑电路单元30，其中，信号采集单元12包括信号处理电路102和第一模数转换电路104，本地温度输出单元20包括本地温度测量电路201和第二模数转换电路202，热电堆10由热电偶对串联组成，热电堆10的输出信号依次经过信号处理电路102和第一模数转换电路104后连接至温度计算逻辑电路30的一个输入端，本地温度测量电路201将本地当前温度信号经过第二模数转换电路202后输入至温度计算逻辑电路30的另一个输入端。

对于该红外热电堆温度传感器，其工作原理为：热电堆10在接收到待测物体的红外辐照后，热电堆10的两端输出微弱的初始响应电势差信号，该初始响应电势差信号经过信号处理电路102滤波和放大处理后，获得放大的响应电势差信号，该放大的响应电势差信号经过第一模数转换电路104转化为数字的输出响应电势差值△V，该输出响应电势差值△V输入至温度计算逻辑电路单元30；同时，本地温度测量电路201获得由电压值表示的本地温度信号，该本地温度信号经过第二模数转换电路202后，以数字的本地温度值T₀输入至温度计算逻辑电路单元30，温度计算逻辑电路单元30获得响应电势差值△V和本地温度值T₀后，可以计算获得待测物体的温度，可以通过如下公式(1)来获得待测物体的温度。

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

上述为红外热电堆温度传感器的基本电路和原理，在对红外热电堆温度传感器的测试中，热电堆的性能是否正常是整个传感器性能是否正常的关键。

如图2和图3所示，为本发明实施例提供的红外热电堆内建自测试电路，用于测试热电堆的性能是否正常，该红外热电堆内建自测试电路包括热电堆10、信号采集单元12、发热电阻40、自测试信号产生电路50和测试分析电路60，其中，自测试信号产生电路50，用于为发热电阻提供不同的输入激励电压，发热电阻40在不同的输入激励电压下为热电堆10提供热辐射源，热电堆10两端的输出响应电势差值由热电堆信号单元12接收并输出，输出的输出响应电势差值△V以及发热电阻两端的输入激励电压值V_r分别连接至测试分析电路60的输入端，以供测试分析电路60进行测试分析。

其中，热电堆10由热电偶对串联组成，热电偶对例如为P型多晶硅和金热电偶、Si外延层P型扩散区和铝热电偶、N型多晶硅和P型多晶硅热电偶等，热电堆10的一端靠近发热电阻，在热辐射下热电堆两端的电压发生变化，输出一个初始的响应电势差值，该初始的响应电势差值通常比较微弱，通过信号采集单元12后输出计算分析所需要的响应电势差值，信号采集单元12为该初始的响应电势差值的信号处理及输出单元，对该初始的响应电势差值进一步处理后，输出所需要的输出响应电势差值，在本发明实施例中，热电堆信号单元12包括信号处理电路102和第一模数转换电路104，信号处理电路102可以为滤波和放大电路，初始的响应电势差值经过滤波和放大后，由第一模数转换电路104转化为数字的输出响应电势差值△V。

对于自测信号产生电路50，用于为发热电阻40提供输入激励电压，本实施例中，自测信号产生电路50包括自测试信号控制单元501和第一数模转换单元502，自测试信号控制单元501元输出不同的控制信号至第一数模转换单元502，第一数模转换单元502根据控制信号输出不同的电压激励信号V₊至发热电阻40，在本实施例中，发热电阻40接在自测信号产生电路50的输出电压V₊与地之间，在需要进行热电堆的自测试时，自测试信号控制单元501输出测试控制信号，经并转换为发热电阻的输入激励电压，使其发热为热电堆提供片内热辐照；当不需要自测试时，自测试信号控制单元501输出关断控制信号，经并转换为地电压，以关断发热电阻的供电，实现热电堆正常的温度测量功能。

信号采集单元12输出的输出响应电势差值△V及发热电阻两端的输入激励电压值V_r分别连接至测试分析电路60的输入端，根据输出响应电势差值△V及输入激励电压值V_r，测试分析电路进行测试分析。本实施例中，输入激励电压V_r经过第三模数转换单元80后连接至测试分析电路60的输入端。

至此，为本发明实施例的红外热电堆BIST电路，该BIST电路可以与已有的红外热电堆温度传感器设计在同一个电路中，在完成芯片制造后，在芯片级实现红外热电堆的自测试，此电路中获取的输出响应电势差值△V及输入激励电压值V_r可以应用于所需的测试模块中。可以根据输出响应电势差值△V及输入激励电压V_r，进行测试分析，可以判断热电堆的工作是否正常。

在本发明实施例中，还进一步包括热电堆响应率获取单元和响应误差获取单元。

热电堆响应率，通过输出响应电势差值△V及输入激励电压值V_r计算获得在当前环境温度下的热电堆的响应率R。

具体的，首先，可以通过输入激励电压值V_r获得发热电阻产生的热辐照功率P，可以采用如下公式(2)：

$P=\mathrm{\ϵ}\frac{V_r^2}{r}$ (2)

其中，r为发热电阻阻值，ε为发热电阻的辐射系数。

再结合热电堆接收热辐照后输出响应电势差值ΔV，得到响应率R计算方法如下：

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

在获得当前温度下的热电堆的响应率R后，可以进一步应用于热电堆输出响应的估算中。在本实施例中，还包括响应误差获取单元，在得到热电堆响应率R基础上，在保持环境温度不变的前提下，通过调整发热电阻的输入激励电压，获得不同热辐照功率下热电堆的响应，来判断热电堆是否能够正常工作。

具体的，保证环境温度不变，调整发热电阻的输入激励电压，发热电阻两端的电压为V_r’，则可以通过公式(2)得到发热电阻的热辐照功率P’，根据响应率R不变，可以得到此输入激励电压下的热电堆响应输出电压的计算值：

(4)

而此时热电堆输出实际的响应输出电势差值ΔVa’，，计算计算值与实际值之差，从而获得输出响应误差值δ，此时比较δ与误差阈值δ_T的大小，若δ≤δ_T时，则说明热电堆正常工作，可以认为测试通过；否则说明热电堆工作异常，认为测试不通过。

以上为本发明实施例的红外热电堆BIST电路，此外，，本发明还提供了利用上述BIST电路进行自测的方法。

参考图4所示，该红外热电堆BIST方法，包括：提供发热电阻的输入激励电压，发热电阻为热电堆提供热辐射源；获得热电堆的输出响应电势差值及发热电阻两端的输入激励电压；根据输出响应电势差值及输入激励电压，进行测试分析。

进一步的，根据输出响应电势差值及输入激励电压，，进行测试分析的步骤包括：

根据输出响应电势差值及输入激励电压，测试分析电路进行测试分析，获得热电堆响应率。

进一步的，获得热电堆响应率之后，还包括：

获得所述热电堆响应率下的不同输入激励电压下热电堆输出响应误差值，所述热电堆输出响应误差值为不同输入激励电压下热电堆响应输出电势差的计算值与实际值之差。

进一步的，获得输出响应误差值后，可以根据输出响应误差值判断热电堆是否工作正常。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于结构实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种红外热电堆内建自测试电路，其特征在于，包括热电堆、信号采集单元、发热电阻、自测试信号产生电路和测试分析电路，其中：

信号采集单元，用于采集并处理热电堆的输出响应电势差值；

发热电阻，用于为热电堆提供热辐射源；

自测试信号产生电路，用于为发热电阻提供不同的输入激励电压；

信号采集单元输出的响应电势差值及发热电阻两端的输入激励电压值分别连接至测试分析电路的输入端，根据输出响应电势差值及输入激励电压值，测试分析电路进行测试分析。

2.根据权利要求1所述的红外热电堆内建自测试电路，其特征在于，自测试信号产生电路包括自测试信号控制单元和数模转换单元，自测试信号控制单元输出不同的数字控制信号至数模转换单元，数模转换单元根据数字控制信号输出不同的激励电压信号至发热电阻。

3.根据权利要求1所述的红外热电堆内建自测试电路，其特征在于，还包括：热电堆响应率获取单元，用于根据输出响应电势差值及输入激励电压值，获得热电堆响应率。

4.根据权利要求3所述的红外热电堆内建自测试电路，其特征在于，还包括响应误差获取单元，用于获得所述热电堆响应率下的不同输入激励电压下热电堆输出响应误差值，所述热电堆输出响应误差值为不同输入激励电压下热电堆输出响应电势差的计算值与实际值之差。

5.根据权利要求4所述的红外热电堆内建自测试电路，其特征在于，还包括判断单元，用于根据输出响应误差值判断热电堆是否工作正常。

6.一种红外热电堆内建自测试方法，其特征在于，包括：

提供发热电阻的输入激励电压，发热电阻为热电堆提供热辐射源；

获得热电堆的输出响应电势差值及发热电阻两端的输入激励电压值；

根据输出响应电势差值及输入激励电压，进行测试分析。

7.根据权利要求6所述的红外热电堆内建自测试方法，其特征在于，根据输出响应电势差值及输入激励电压值，进行测试分析的步骤包括：

根据输出响应电势差值及输入激励电压值，测试分析电路进行测试分析计算，获得热电堆响应率。

8.根据权利要求7所述的红外热电堆内建自测试方法，其特征在于，获得热电堆响应率之后，还包括：

获得所述热电堆响应率下的不同输入激励电压下的热电堆输出响应误差值，所述热电堆输出响应误差值为不同输入激励电压下热电堆输出响应电势差的计算值与实际值之差。

9.根据权利要求8所述的红外热电堆内建自测试方法，其特征在于，获得响应误差后，还包括步骤：

根据输出响应误差值，判断热电堆是否工作正常。