CN110132428A - Mems传感器热学参数测试电路及测试方法 - Google Patents

Mems传感器热学参数测试电路及测试方法 Download PDF

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Abstract

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MEMS传感器热学参数测试电路及测试方法。所述MEMS传感器热学参数测试电路包括：MEMS传感器阵列，包括多行多列的敏感单元，每个敏感单元通电后会自热并产生与其温度相对应的电学信号；阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS传感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运算电路；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单元；电源模块，用于给阵列选通开关所选择的敏感单元供电；所述数据处理单元，根据所述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和热导G。具有电路简单、操作简便、测量速度快、精度高的特点。

Description

MEMS传感器热学参数测试电路及测试方法
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，具体涉及一种基于运算电路的MEMS传感器热学参数测试电路。
背景技术
微机电系统(MEMS)也叫做微电子机械系统或微机械等系统，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、红外传感器等。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。
热MEMS传感器均包括敏感单元和读出电路两部分，而敏感单元是整个系统的核心部分。根据敏感单元种类，热传感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。热MEMS传感器的性能参数取决于传感器材料和结构的热学参数，决定了器件的整体性能。其热学参数主要包括热容、热导和热响应时间，因此准确测量热容、热导和热响应时间三种热学参数对器件热学性能评估和结构设计具有重要意义。
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、估算等方法，与器件的实际加工存在误差，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，测试系统复杂，操作不便。因此研究热MEMS传感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传感器热学参数测试电路及测试方法，所述MEMS传感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传感器热学参数测试电路，所述MEMS传感器热学参数测试电路包括：电源模块、MEMS传感器阵列、阵列选通开关和运算电路；
所述MEMS传感器阵列，包括多行多列的敏感单元，每个敏感单元通电后会自热并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传感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运算电路；
所述运算电路，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单元；
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；
所述数据处理单元，根据所述运算电路的实际测试数据计算得到MEMS传感器阵列的敏感单元的热学参数。
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传感器阵列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。
进一步地，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分别连接所述单刀双掷开关的两个支路。
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；每列对应的列选通开关的第一端与该列所有的敏感单元第二端连接，每个列选通开关的第二端分别连接一脉冲恒流单元的正极，所述脉冲恒流单元的负极接地。
进一步地，所述运算电路有多个，每个所述运算电路的输入端对应连接每个列选通开关对应的第二端，每个运算电路的输出端分别连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接数据处理模块。
进一步地，每个所述运算电路包括D运算放大器OPA4，所述D运算放大器OPA4的反相输入端连接对应列选通开关的第二端，D运算放大器OPA4的正相输入端连接参考电压VREF；
所述D运算放大器OPA4的输出端分别连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接数据处理模块。
进一步地，在所述D运算放大器OPA4的反相输入端和列选通开关的第二端之间连接有第六电阻R6；且所述D运算放大器OPA4的反相输入端和D运算放大器OPA4的输出端之间连接有第二电容C2。
进一步地，所述D运算放大器OPA4的反相输入端和D运算放大器OPA4的输出端之间还第七电阻R7。
进一步地，每个所述运算电路包括依次相连的前级运算放大电路、微分运算放大电路和后级运算放大电路；
所述前级运算放大电路包括A运算放大器OPA1，所述A运算放大器OPA1的反相输入端连接第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端为所述运算电路的输入端，所述A运算放大器OPA1的反相输入端与其正相输入端之间连接第二电阻R2；
所述微分运算放大电路包括B运算放大器OPA2，所述B运算放大器OPA2的反相输入端连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接所述A运算放大器OPA1的输出端，所述B运算放大器OPA2的反相输入端与其正相输入端之间连接第三电阻R3；
所述后级运算放大电路包括C运算放大器OPA3，所述C运算放大器OPA3的反相输入端连接第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端连接所述B运算放大器OPA2的输出端，所述C运算放大器OPA3的反相输入端与其正相输入端之间连接第五电阻R5，C运算放大器OPA3的输出端为所述运算电路的输出端；
所述A运算放大器OPA1的正相输入端、B运算放大器OPA2的正相输入端和C运算放大器OPA3的正相输入端均连接参考电压VREF。
作为本发明的第二方面，提供一种MEMS传感器热学参数测试方法，所述MEMS传感器热学参数测试方法：
步骤1，将MEMS热传感器置于工作环境中；
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选通阵列中的一个单元，并控制脉冲恒流单元产生一个脉冲方波电流，采集脉冲方波电流最大值时脉冲恒流单元正端电压，并作为运算放大器的反相输入，所述运算放大器放大后由模数转换电路转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热学参数；
步骤5，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS传感器阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤4，得出器件其他单元的热学参数；
步骤6，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传感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)由于传感器的常见读出电路为CTIA型的运算电路，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，不需要外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，整个电路系统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为本发明第一方面第一种实施例的结构框图。
图2为本发明第一方面第一种实施例的电路图。
图3为本发明第一方面第二种实施例的电路图。
图4为本发明第一方面第三种实施例的电路图。
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。
作为本发明第一方面的第一种实施例，提供一种基于积分运算的MEMS传感器热学参数测试电路，如图1和图2所示，以一款二极管型红外焦平面阵列传感器的热学参数测试电路为例。
所述基于积分运算的MEMS传感器热学参数测试电路，包括：电源模块、MEMS传感器阵列100、阵列选通开关、运算电路300和数据处理单元400；
所述MEMS传感器阵列100，包括多行多列的敏感单元，每个敏感单元通电后会自热并产生与其温度相对应的电学信号，本实施例中的电学信号为电压信号；
所述阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS传感器阵列100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运算电路300；
所述运算电路300，用于采集所述电学信号的变化，并对电学信号的变化进行积分运算，并将积分运算结果输出给数据处理单元400；
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；
所述数据处理单元400，根据所述运算电路300的实际测试数据计算得到敏感单元的热学参数，所述的热学参数包括热容C、热响应时间τ和热导G。
可以理解的是，本发明基于传感器的自热效应，利用运算电路300实现器件热学参数的自测试，测试的运算电路300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传感器阵列100中的敏感单元轮流选通，即能实现MEMS传感器阵列100中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510和多个脉冲恒流单元520，MEMS传感器阵列100的每列敏感单元对应一个所述脉冲恒流单元520；所述脉冲恒流单元520用于给每列敏感单元提供恒流脉冲信号。
所述阵列选通开关包括：
多个行选通开关210，每行所述敏感单元对应一个行选通开关210；所有行选通开关210的第一端均连接所述电压源510的输出端，每行对应的行选通开关210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220，每列所述敏感单元对应一个列选通开关220；每列对应的列选通开关220的第一端与该列所有的敏感单元第二端连接，每个列选通开关220的第二端分别连接一个脉冲恒流单元520的正极，所述脉冲恒流单元520的负极接地。
可以理解的是，通过控制行选通开关210的导通和列选通开关220的导通，来控制对应的敏感单元选通。优选地，所述行选通开关210为行位移寄存器，所述列选通开关220为列位移寄存器。
需要解释的是，当MEMS传感器阵列100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210和列选通开关220均导通，即MEMS传感器阵列100中的某个敏感单元被选通时电压源510、该敏感单元与脉冲恒流单元依次串联连接形成回路，所述运算电路300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。所述数据处理单元400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。
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，则敏感单元输出端电压信号的变化量ΔV随时间t的理论推导式为：
其中所述G是器件的热导，τ为器件的响应时间，Psh为器件在脉冲最大值的自热功率，α为器件的电压温度系数。
所述敏感单元输出端电压信号的变化量ΔV在经过所述运算电路300积分后的输出电压的三阶泰勒级数展开式为：
其中G是器件的热导，τ为器件的响应时间，Psh为器件在脉冲最大值的自热功率。
所述数据处理单元400，根据所述运算电路300的实际测试数据拟合得出三次函数解析式为y＝A1t2+A2t3,其中所述A1和A2分别为常数， 因此所述器件热容热响应时间热导G＝C/τ。
具体地，每个所述脉冲恒流单元520均包括一个恒流源和一个由移位寄存器控制的恒流源选通开关。其中恒流源的电流值范围为1μA～10mA，持续时间应小于器件的热响应时间的三十分之一，持续时间应小于器件的热响应时间的三十分之一，恒流源电流值和脉冲宽度选择，以让敏感单元的温度高于环境温度5～30℃为目标。所述选通开关断开后电流值为0μA，持续时间大于器件热响应时间的五倍以上，使敏感单元温度回到环境温度。所述选通开关通过移位寄存器产生的数字时序控制，从而获得脉冲方波电流。
具体地，所述运算电路300包括多个分别与列选通开关220对应的D运算放大器OPA4，每个所述D运算放大器OPA4的反相输入端连接对应列选通开关220的第二端，用于采集对应列选通开关220第二端的电学信号并将所采集到的电学信号做放大运算；所述D运算放大器OPA4的正相输入端连接参考电压VREF，所述D运算放大器OPA4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单元400。在所述D运算放大器OPA4的反相输入端和列选通开关220的第二端之间连接有第六电阻R6；且所述D运算放大器OPA4的反相输入端和D运算放大器OPA4的输出端之间连接有第二电容C2。
作为本发明的第二方面的第一种实施例，所述本发明的第二方面的第一种实施例与本发明的第一方面的第一种实施例相对应，提供一种基于积分运算的MEMS传感器热学参数测试方法，所述基于积分运算的MEMS传感器热学参数测试方法具体包括以下步骤：
步骤1，将MEMS热传感器置于工作环境中；
步骤2，先将恒流源接入测试电路中，调节电压源使得恒流源模块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选通阵列中的一个单元，并控制脉冲恒流单元产生一个脉冲方波电流，采集脉冲方波电流最大值时恒流源正端电压，并作为运算放大器的反相输入，积分运算后的输出由ADC模块转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热学参数。
步骤5，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS传感器阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤4，得出器件其他单元的热学参数。
步骤6，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，恒流源模块正端与运算电路的输入相连，运算电路的输出与数据处理模块相连。恒流源模块产生一个脉冲方波电流，在脉冲方波电流期间，采集恒流源模块的电压变化作为运算电路的输入信号，被运算电路积分，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种热学参数值。
作为本发明第一方面的第二种实施例，提供一种基于放大运算的MEMS传感器热学参数测试电路，如图1和图3所示，以一款二极管型红外焦平面阵列传感器的热学参数测试电路为例。
所述基于选择运算的MEMS传感器热学参数测试电路，包括：电源模块、MEMS传感器阵列100、阵列选通开关、运算电路300和数据处理单元400；
所述MEMS传感器阵列100，包括多行多列的敏感单元，每个敏感单元通电后会自热并产生与其温度相对应的电学信号，本实施例中的电学信号为电压信号；
所述阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS传感器阵列100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运算电路300；
所述运算电路300，用于采集所述电学信号的变化，并对所述电学信号的变化进行放大并转换成数字信号输出给数据处理单元400；
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；
所述数据处理单元400，根据所述运算电路300的实际测试数据计算得到敏感单元的热学参数，所述的热学参数包括热容C、热响应时间τ和热导G。
可以理解的是，本发明基于传感器的自热作用，利用运算电路300实现器件热学参数的自测试，测试的运算电路300与正常工作的运算电路300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传感器阵列100中的敏感单元轮流选通，即能实现MEMS传感器阵列100中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510和多个脉冲恒流单元520，MEMS传感器阵列100的每列敏感单元对应一个所述脉冲恒流单元520；所述脉冲恒流单元520用于给每列敏感单元提供恒流脉冲信号。
所述阵列选通开关包括：
多个行选通开关210，每行所述敏感单元对应一个行选通开关210；所有行选通开关210的第一端均连接所述电压源510的输出端，每行对应的行选通开关210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220，每列所述敏感单元对应一个列选通开关220；每列对应的列选通开关220的第一端与该列所有的敏感单元第二端连接，每个列选通开关220的第二端分别对应连接一个脉冲恒流单元520的正极，所述脉冲恒流单元520的负极接地。
可以理解的是，通过控制行选通开关210的导通和列选通开关220的导通，来控制对应的敏感单元选通。优选地，所述行选通开关210为行位移寄存器，所述列选通开关220为列位移寄存器。
需要解释的是，当MEMS传感器阵列100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210和列选通开关220均导通，即MEMS传感器阵列100中的某个敏感单元被选通时电压源510、该敏感单元与脉冲恒流单元520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。
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，则敏感单元输出端电压信号的变化量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，Psh为器件在脉冲最大值的自热功率，Ps为脉冲最小值的自热功率，α为器件的电压温度系数。
根据实际测试数据得出器件两端电压变化随时间的一次函数解析式，设由实际测试数据得到的一次函数为：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。
具体地，每个所述脉冲恒流单元520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，所述运算电路300包括多个分别与列选通开关220对应的D运算放大器OPA4，每个所述D运算放大器OPA4的反相输入端连接对应列选通开关220的第二端，用于采集对应列选通开关220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D运算放大器OPA4的正相输入端连接参考电压VREF，所述D运算放大器OPA4的输出端分别连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接数据处理模块。在所述D运算放大器OPA4的反相输入端和列选通开关220的第二端之间连接有第六电阻R6；且所述D运算放大器OPA4的反相输入端和D运算放大器OPA4的输出端之间连接有第二电容C2和第七电阻R7。
作为本发明第二方面的第二种实施例，提供一种基于选择运算的MEMS传感器热学参数测试方法，所述基于选择运算的MEMS传感器热学参数测试方法具体包括以下步骤：
步骤1，将MEMS热传感器置于工作环境中；
步骤2，先将恒流源接入测试电路中，调节电压源使得恒流源模块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，由移位寄存器控制选通开关，从而控制恒流源模块产生一个脉冲方波电流，采集脉冲方波电流最大值时恒流源正端电压，并作为运算放大器的反相输入，所述放大器放大后由ADC模块转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热学参数。
步骤5，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS传感器阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤4，得出器件其他单元的热学参数。
步骤6，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，恒流源模块正端与运算电路的输入相连，运算电路的输出与数据处理模块相连。恒流源模块产生一个脉冲方波电流，在脉冲方波电流的最大值期间，采集恒流源模块的电压变化作为运算电路的输入信号，被运算电路放大，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种热学参数值。
作为本发明第一方面的第三种实施例，提供一种基于微分运算的MEMS传感器热学参数测试电路，如图1和图4所示，以一款二极管型红外焦平面阵列传感器的热学参数测试电路为例。
所述基于微分运算的MEMS传感器热学参数测试电路，包括：电源模块、MEMS传感器阵列100、阵列选通开关、运算电路300和数据处理单元400；
所述MEMS传感器阵列100，包括多行多列的敏感单元，每个敏感单元通电后会自热并产生与其温度相对应的电学信号，本实施例中的电学信号为电压信号；
所述阵列选通开关，用于依次轮流选通MEMS传感器阵列100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运算电路300；
所述运算电路300，用于采集所述电学信号的变化，并对电学信号的变化进行积分运算，并将积分运算结果输出给数据处理单元400；
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；
所述数据处理单元400，根据所述运算电路300的实际测试数据计算得到敏感单元的热学参数，所述的热学参数包括热容C、热响应时间τ和热导G。
可以理解的是，本发明基于传感器的自热作用，利用运算电路300实现器件热学参数的自测试，测试的运算电路300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传感器阵列100中的敏感单元轮流选通，即能实现MEMS传感器阵列100中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510和多个脉冲恒流单元520，MEMS传感器阵列100的每列敏感单元对应一个所述脉冲恒流单元520；所述脉冲恒流单元520用于给每列敏感单元提供恒流脉冲信号。
所述阵列选通开关包括：
多个行选通开关210，每行所述敏感单元对应一个行选通开关210；所有行选通开关210的第一端均连接所述电压源510的输出端，每行对应的行选通开关210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220，每列所述敏感单元对应一个列选通开关220；每列对应的列选通开关220的第一端与该列所有的敏感单元第二端连接，每个列选通开关220的第二端分别连接一个脉冲恒流单元520的正极，所述脉冲恒流单元520的负极接地。
可以理解的是，通过控制行选通开关210的导通和列选通开关220的导通，来控制对应的敏感单元选通。优选地，所述行选通开关210为行位移寄存器，所述列选通开关220为列位移寄存器。
需要解释的是，当MEMS传感器阵列100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210和列选通开关220均导通，即MEMS传感器阵列100中的某个敏感单元被选通时电压源510、该敏感单元与脉冲恒流单元依次串联连接形成回路，所述运算电路300采集所述敏感单元输出端的电压信号。
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，则敏感单元输出端电压信号的变化量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，Psh为器件在脉冲期间的自热功率，α为器件的电压温度系数。
器件正向压降变化△V被微分电路模块微分后的结果为：
考虑到脉冲方波电流最大值的持续时间t<<τ，则将方程(2)一阶泰勒级数展开得：
由公式(3)可以看出器件的正向压降变化的微分结果与时间t为一次函数关系，假设实际测试数据得出的一次函数解析式为y＝kt+b，则根据斜率可以求出器件热容：
结合一次函数的截距和公式4的结果，可以得出器件的热时间常数：
根据实际测试得到的热容和热响应时间，并结合公式G＝C/τ，得出器件的热导G。
具体地，每个所述脉冲恒流单元520均包括一个恒流源和一个由移位寄存器控制的恒流源选通开关。其中恒流源的电流值范围为1μA～10mA，持续时间应小于器件的热响应时间的三十分之一，持续时间应小于器件的热响应时间的三十分之一，恒流源电流值和脉冲宽度选择，以让敏感单元的温度高于环境温度5～30℃为目标。所述选通开关断开后电流值为0μA，持续时间大于器件热响应时间的五倍以上，使导通的敏感单元在小电流的持续时间内达到热稳定。所述选通开关通过移位寄存器产生的数字时序控制，从而获得脉冲方波电流。
具体地，所述运算电路300有多个，每个所述运算电路300包括依次相连的前级运算放大电路310、微分运算放大电路320和后级运算放大电路330；
所述前级运算放大电路310包括A运算放大器OPA1，所述A运算放大器OPA1的反相输入端连接第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端为所述运算电路的输入端，所述A运算放大器OPA1的反相输入端与其正相输入端之间连接第二电阻R2；
所述微分运算放大电路320包括B运算放大器OPA2，所述B运算放大器OPA2的反相输入端连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接所述A运算放大器OPA1的输出端，所述B运算放大器OPA2的反相输入端与其正相输入端之间连接第三电阻R3；
所述后级运算放大电路330包括C运算放大器OPA3，所述C运算放大器OPA3的反相输入端连接第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端连接所述B运算放大器OPA2的输出端，所述C运算放大器OPA3的反相输入端与其正相输入端之间连接第五电阻R5，C运算放大器OPA3的输出端为所述运算电路的输出端；
所述A运算放大器OPA1的正相输入端、B运算放大器OPA2的正相输入端和C运算放大器OPA3的正相输入端均连接参考电压VREF。
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 (10)

1.一种MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，所述MEMS传感器热学参数测试电路包括：电源模块、MEMS传感器阵列、阵列选通开关和运算电路；
所述MEMS传感器阵列，包括多行多列的敏感单元，每个敏感单元通电后会自热并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传感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运算电路；
所述运算电路，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单元；
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；
所述数据处理单元，根据所述运算电路的实际测试数据计算得到MEMS传感器阵列的敏感单元的热学参数。
2.如权利要求1所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，所述电源模块包括电压源和多个脉冲恒流单元，MEMS传感器阵列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。
3.如权利要求2所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，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分别连接所述单刀双掷开关的两个支路。
4.如权利要求2所述的MEMS传感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；每列对应的列选通开关的第一端与该列所有的敏感单元第二端连接，每个列选通开关的第二端分别连接一脉冲恒流单元的正极，所述脉冲恒流单元的负极接地。
5.如权利要求4所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，所述运算电路有多个，每个所述运算电路的输入端对应连接每个列选通开关对应的第二端，每个运算电路的输出端分别连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接数据处理模块。
6.如权利要求5所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，每个所述运算电路包括D运算放大器OPA4，所述D运算放大器OPA4的反相输入端连接对应列选通开关的第二端，D运算放大器OPA4的正相输入端连接参考电压VREF；
所述D运算放大器OPA4的输出端分别连接模数转换电路的输入端，所述模数转换电路的输出端连接数据处理模块。
7.如权利要求6所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，在所述D运算放大器OPA4的反相输入端和列选通开关的第二端之间连接有第六电阻R6；且所述D运算放大器OPA4的反相输入端和D运算放大器OPA4的输出端之间连接有第二电容C2。
8.如权利要求7所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，所述D运算放大器OPA4的反相输入端和D运算放大器OPA4的输出端之间还第七电阻R7。
9.如权利要求5所述的MEMS传感器热学参数测试电路，其特征在于，每个所述运算电路包括依次相连的前级运算放大电路、微分运算放大电路和后级运算放大电路；
所述前级运算放大电路包括A运算放大器OPA1，所述A运算放大器OPA1的反相输入端连接第一电阻R1的一端，所述第一电阻R1的另一端为所述运算电路的输入端，所述A运算放大器OPA1的反相输入端与其正相输入端之间连接第二电阻R2；
所述微分运算放大电路包括B运算放大器OPA2，所述B运算放大器OPA2的反相输入端连接第一电容C1的一端，所述第一电容C1的另一端连接所述A运算放大器OPA1的输出端，所述B运算放大器OPA2的反相输入端与其正相输入端之间连接第三电阻R3；
所述后级运算放大电路包括C运算放大器OPA3，所述C运算放大器OPA3的反相输入端连接第四电阻R4的一端，所述第四电阻R4的另一端连接所述B运算放大器OPA2的输出端，所述C运算放大器OPA3的反相输入端与其正相输入端之间连接第五电阻R5，C运算放大器OPA3的输出端为所述运算电路的输出端；
所述A运算放大器OPA1的正相输入端、B运算放大器OPA2的正相输入端和C运算放大器OPA3的正相输入端均连接参考电压VREF。
10.一种MEMS传感器热学参数测试方法，其特征在于，所述MEMS传感器热学参数测试方法：
步骤1，将MEMS热传感器置于工作环境中；
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选通阵列中的一个单元，并控制脉冲恒流单元产生一个脉冲方波电流，采集脉冲方波电流最大值时脉冲恒流单元正端电压，并作为运算放大器的反相输入，所述运算放大器放大后由模数转换电路转换为数字信号，再由数据处理模块处理得到热学参数；
步骤5，控制行选通开关和列选通开关，选择MEMS传感器阵列中的下一个敏感单元，然后重复步骤2～步骤4，得出器件其他单元的热学参数；
步骤6，测试完成，关闭各个装置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110849929A (zh) * 2019-11-29 2020-02-28 无锡物联网创新中心有限公司 监测具有悬空结构的传感器释放状态的方法
CN111649831A (zh) * 2020-05-20 2020-09-11 无锡物联网创新中心有限公司 热敏mems阵列器件热学参数测试方法及测试电路
CN116734929A (zh) * 2023-08-16 2023-09-12 中北大学 一种适用于飞行器的分布式多参量测试系统

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1492993A (zh) * 2000-12-26 2004-04-28 ����Τ�����ʹ�˾ 重量轻的红外照相机
US20070170360A1 (en) * 2006-01-26 2007-07-26 Gooch Roland W Systems and methods for bonding
US20070284532A1 (en) * 2006-06-13 2007-12-13 Mitsubishi Electric Corporation Two-wavelength image sensor picking up both visible and infrared images
CN101676697A (zh) * 2008-09-16 2010-03-24 Ulis股份公司 检测红外辐射的器件、系统及读取电阻测辐射热计的方法
US20120228496A1 (en) * 2011-03-11 2012-09-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Uncooled infrared imaging element and manufacturing method thereof
WO2014043508A1 (en) * 2012-09-13 2014-03-20 Nevada Nanotech Systems, Inc. Molecular thermal analysis using micro electro-mechanical sensor devices
US20140253155A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-11 Advantest Corporation Adaptive thermal control
RU2529761C1 (ru) * 2013-04-22 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора и устройство для его осуществления
CN106093654A (zh) * 2016-07-11 2016-11-09 浙江大学 热电模组热电转换效率的测试装置及其测试方法
CN108061738A (zh) * 2017-12-01 2018-05-22 国家纳米科学中心 一种样品热导率和热电势的测量装置及方法
CN108192802A (zh) * 2018-01-24 2018-06-22 中国科学院半导体研究所 Isfet阵列的放大和读出电路
CN109406569A (zh) * 2018-10-24 2019-03-01 武汉嘉仪通科技有限公司 一种可同时测量热电参数和霍尔系数的测量系统及方法
CN109781776A (zh) * 2018-11-27 2019-05-21 武汉嘉仪通科技有限公司 一种可同时测量材料多个热电参数的装置及方法

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1492993A (zh) * 2000-12-26 2004-04-28 ����Τ�����ʹ�˾ 重量轻的红外照相机
US20070170360A1 (en) * 2006-01-26 2007-07-26 Gooch Roland W Systems and methods for bonding
US20070284532A1 (en) * 2006-06-13 2007-12-13 Mitsubishi Electric Corporation Two-wavelength image sensor picking up both visible and infrared images
CN101676697A (zh) * 2008-09-16 2010-03-24 Ulis股份公司 检测红外辐射的器件、系统及读取电阻测辐射热计的方法
US20120228496A1 (en) * 2011-03-11 2012-09-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Uncooled infrared imaging element and manufacturing method thereof
WO2014043508A1 (en) * 2012-09-13 2014-03-20 Nevada Nanotech Systems, Inc. Molecular thermal analysis using micro electro-mechanical sensor devices
US20140253155A1 (en) * 2013-03-07 2014-09-11 Advantest Corporation Adaptive thermal control
RU2529761C1 (ru) * 2013-04-22 2014-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводникового прибора и устройство для его осуществления
CN106093654A (zh) * 2016-07-11 2016-11-09 浙江大学 热电模组热电转换效率的测试装置及其测试方法
CN108061738A (zh) * 2017-12-01 2018-05-22 国家纳米科学中心 一种样品热导率和热电势的测量装置及方法
CN108192802A (zh) * 2018-01-24 2018-06-22 中国科学院半导体研究所 Isfet阵列的放大和读出电路
CN109406569A (zh) * 2018-10-24 2019-03-01 武汉嘉仪通科技有限公司 一种可同时测量热电参数和霍尔系数的测量系统及方法
CN109781776A (zh) * 2018-11-27 2019-05-21 武汉嘉仪通科技有限公司 一种可同时测量材料多个热电参数的装置及方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
孟如男: "《红外焦平面阵列像元级参数测试方法研究》", 《中国优秀硕士论文全文数据库》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110849929A (zh) * 2019-11-29 2020-02-28 无锡物联网创新中心有限公司 监测具有悬空结构的传感器释放状态的方法
CN110849929B (zh) * 2019-11-29 2020-08-14 无锡物联网创新中心有限公司 监测具有悬空结构的传感器释放状态的方法
CN111649831A (zh) * 2020-05-20 2020-09-11 无锡物联网创新中心有限公司 热敏mems阵列器件热学参数测试方法及测试电路
CN111649831B (zh) * 2020-05-20 2021-08-06 无锡物联网创新中心有限公司 热敏mems阵列器件热学参数测试方法及测试电路
CN116734929A (zh) * 2023-08-16 2023-09-12 中北大学 一种适用于飞行器的分布式多参量测试系统
CN116734929B (zh) * 2023-08-16 2023-11-07 中北大学 一种适用于飞行器的分布式多参量测试系统

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