CN111649831B - 热敏mems阵列器件热学参数测试方法及测试电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法和测试电路，包括：在真空环境中，以逐行或逐列方式给所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加瞬态脉冲恒定自热功率，测试并存储各像素的瞬态响应信号电压ΔV1，根据器件热容参数、施加的恒定自热功率值、施加自热功率时长和响应信号电压ΔV1的函数关系计算各像素的热容参数C；以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列像素同时施加不同频率的瞬态脉冲恒定自热功率，周期性重复至各像素达到热平衡稳态，测试并存储各像素的稳态响应信号电压ΔV2。根据器件的频率响应关系计算各像素的热时间常数τ；根据器件热学参数关系计算各像素热导参数G。该方法具有时效性高、简单易行的特点。
Description
技术领域
本发明涉及热敏型MEMS器件的测试领域，特别提出一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法和测试电路。
背景技术
从早在霍尼韦尔(Honeywell)和德州仪器(Texas Instruments)公司首次公布两款热敏型MEMS阵列器件开始，热敏型MEMS阵列器件就开始引起全世界的广泛关注。后续随着制造工艺的发展和封装技术的提高，热敏MEMS阵列器件的性能、阵列规模和成本得到很大的提升。由于热敏MEMS阵列器件具备低成本、小尺寸、轻巧便携以及高稳定性的优势，被广泛应用于商业热成像应用领域，工业控制领域，自动驾驶领域，消防领域，搜救营救领域等等。
热敏MEMS阵列器件均是由悬空的热敏器件及悬臂梁结构构成，可将温度信息转化为电信号，通过与热敏器件连接的读出电路进行放大读出。热敏器件的热隔离与器件敏感区等结构和工艺参数直接影响器件的热学性能，而表征热敏器件结构热学性能的参数为热时间常数τ、热容C和热导G，因此对于热敏MEMS阵列器件热学参数测试具备迫切性和必要性。
目前，针对热敏型MEMS传感器热时间常数的测试是依据国标GBT13584-2011中6.6.2节中的频率响应法，但所用的脉冲激光设备昂贵，测试系统复杂，测试成本高。专利2018103248878中的基于器件自热效应的热学参数稳态测试方法用于阵列级热学参数测试时存在测试时间长，测试效率低，测试时序和测试电路与热敏型MEMS阵列器件红外探测工作时序和读出电路不兼容的问题，需要额外增加功耗和面积，因此研究一种时效性高、简单易行、能够与热敏MEMS阵列器件红外探测工作时序和读出电路兼容的阵列级热学参数测试方法及测试电路意义重大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法及测试电路，具有时效性高、简单易行的特点。本发明采用的技术方案是：
本发明实施例提出的一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，包括以下步骤：
步骤S1，将阵列规模为M×N的热敏MEMS阵列器件置于真空环境中；
步骤S2，以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列器件所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加脉冲时长为t的瞬态脉冲恒定自热功率P0，依次测试并存储M×N个像素的瞬态响应电压ΔV1；
步骤S3，以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列器件所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加脉冲时长为t的频率为f的瞬态脉冲恒定自热功率P0，周期性重复至热敏MEMS阵列器件各像素达到热平衡稳态，测试并存储M×N个像素的稳态响应电压ΔV2；
步骤S4，改变施加的瞬态脉冲恒定自热功率P0的频率f，重复步骤S3；
步骤S5，根据测试所得M×N个像素的瞬态响应电压ΔV1，建立热敏MEMS阵列器件的热容-响应关系模型，计算各像素的热容参数C；
步骤S6，根据测试所得M×N个像素的稳态响应电压ΔV2，建立热敏MEMS阵列器件的频率响应关系模型，计算各像素的热时间常数τ；
步骤S7，根据热敏MEMS阵列器件的热学参数关系，计算各像素的热导参数G。
进一步地，所述真空环境为真空度压强不大于10Pa的情况。
进一步地，所施加的频率为f的瞬态脉冲恒定自热功率P0的脉冲时长t应小于热时间常数τ的1/20。
进一步地，步骤S4中，改变施加的瞬态脉冲恒定自热功率P0的频率f范围是1Hz-500Hz。
进一步地，步骤S5中，器件的热容-响应关系模型，为：C＝H(P0,t,ΔV1)。
进一步地，步骤S6中，频率响应关系模型ΔV2＝F(f)。热时间常数τ，为：
进一步地，步骤7中，器件的热学参数关系，为G＝C/τ。
本发明实施例提出的一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试电路，包括：选通开关单元阵列、信号放大单元阵列、采样保持单元阵列、数据处理单元、电源单元阵列；
选通开关单元阵列包括列选通开关单元阵列和行选通开关单元阵列；
信号放大单元阵列包括跨导电路单元阵列和放大电路单元阵列；
电源单元阵列包括电压源单元阵列和恒流源单元阵列；
所述列选通开关单元阵列中的各列选通开关一端分别接电压源单元阵列中各电压源，各列选通开关另一端分别接热敏MEMS阵列器件中各像素的列端；
热敏MEMS阵列器件中各像素的行端分别接恒流源单元阵列中的各恒流源，以及跨导电路单元阵列中的各跨导电路单元，跨导电路单元阵列中的各跨导电路单元分别与放大电路单元阵列中各放大电路单元连接；
放大电路单元阵列中各放大电路单元的输出分别连接采样保持单元阵列中各采样保持单元；采样保持单元阵列中各采样保持单元的输出分别接行选通开关单元阵列中各行选通开关一端，行选通开关单元阵列中各行选通开关另一端相接，并连接数据处理单元。
进一步地，通过控制列选通开关单元阵列中各列选通开关的选通频率，实现对热敏MEMS阵列器件中各像素的瞬态脉冲供电的频率控制；通过控制行选通开关单元阵列中各行选通开关依次输出采样保持单元输出的电信号；
在瞬态脉冲供电的频率控制下，通过电压源与恒流源供电，使热敏MEMS阵列器件中各像素获得相应频率的自热功率；
所述跨导电路单元阵列用于将热敏MEMS阵列器件中各像素输出的微弱电压信号转换为电流信号；
所述放大电路单元阵列用于放大热敏MEMS阵列器件中各像素产生的与自身自热功率对应的电信号；
所述采样保持单元阵列用于将放大电路单元阵列放大后的各电信号进行采样、输出；
所述数据处理单元用于将通过各行选通开关依次输出的电信号进行计算处理，得到热敏MEMS阵列器件中各像素的热容C、热导G和热时间常数τ，并保存数据。
相比于现有的热敏MEMS传感器的热学参数测试方法，本发明提出的测试方法及测试电路具备如下优势：
(1)本发明的测试方法对于热敏MEMS阵列器件的测试方式是逐行或逐列施加瞬态脉冲自热功率测试，与器件红外探测时的工作方式一致，便于与阵列器件的读出电路时序兼容；
(2)本发明的测试电路与器件红外探测工作电路结构框架相近，减少了热敏MEMS阵列器件热学参数测试电路的额外设计面积及功耗；
(3)本发明的测试方法和测试电路便于与阵列器件红外探测工作时的读出电路融合，更重要的是本发明的测试方法具备高时效性、高精度、测试设备简单、易操作的优势。
附图说明
图1为本发明实施例的测试方法流程图。
图2为本发明实施例的像素输出波形图。
图3为本发明实施例的测试电路图。
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。
本发明实施例提出一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤S1，将阵列规模为M×N的热敏MEMS阵列器件置于真空环境中；
此步骤中的真空环境，优选为真空度压强不大于10Pa的情况；
热敏MEMS阵列器件的阵列规模M×N，通常大于1×1；
步骤S2，以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列器件所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加脉冲时长为t的瞬态脉冲恒定自热功率P0，依次测试并存储M×N个像素的瞬态响应电压ΔV1；
所施加的频率为f的瞬态脉冲恒定自热功率P0的脉冲时长t应小于热时间常数τ的1/20；
本实施例中脉冲时长是脉冲高电平的时长，是一个很短的瞬间时长；
步骤S3，以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列器件所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加脉冲时长为t的频率为f的瞬态脉冲恒定自热功率P0，周期性重复至热敏MEMS阵列器件各像素达到热平衡稳态，测试并存储M×N个像素的稳态响应电压ΔV2；
此步骤中的频率f是图2中的周期T的倒数；
热平衡稳态参考图2，每个像素在一个周期中，施加P0期间的响应幅值变化(即响应电压增加值)与撤去P0后由于器件散热导致幅值变化(即响应电压减小值)相同时则达到热平衡稳态；
步骤S4，改变施加的瞬态脉冲恒定自热功率P0的频率f，重复步骤S3；
此步骤改变施加的瞬态脉冲恒定自热功率P0的频率f范围是1Hz-500Hz；
步骤S5，根据测试所得M×N个像素的瞬态响应电压ΔV1，建立热敏MEMS阵列器件的热容-响应关系模型，计算各像素的热容参数C；
器件的热容-响应关系模型，为：C＝H(P0,t,ΔV1)；
步骤S6，根据测试所得M×N个像素的稳态响应电压ΔV2，建立热敏MEMS阵列器件的频率响应关系模型，计算各像素的热时间常数τ；
频率响应关系模型ΔV2＝F(f)；
热时间常数τ，为：
步骤S7，根据热敏MEMS阵列器件的热学参数关系，计算各像素的热导参数G；
器件的热学参数关系，为G＝C/τ。
本发明实施例提出的一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试电路，如图3所示，该测试电路能够以逐列方式对热敏MEMS阵列器件中各列热敏MEMS像素实现周期性瞬态脉冲供电；包括：
选通开关单元阵列、信号放大单元阵列、采样保持单元阵列、数据处理单元、电源单元阵列；
选通开关单元阵列包括列选通开关单元阵列和行选通开关单元阵列；
信号放大单元阵列包括跨导电路单元阵列和放大电路单元阵列；
电源单元阵列包括电压源单元阵列和恒流源单元阵列；
所述列选通开关单元阵列中的各列选通开关一端分别接电压源单元阵列中各电压源，各列选通开关另一端分别接热敏MEMS阵列器件中各像素的列端；
热敏MEMS阵列器件中各像素的行端分别接恒流源单元阵列中的各恒流源，以及跨导电路单元阵列中的各跨导电路单元，跨导电路单元阵列中的各跨导电路单元分别与放大电路单元阵列中各放大电路单元连接；
放大电路单元阵列中各放大电路单元的输出分别连接采样保持单元阵列中各采样保持单元；采样保持单元阵列中各采样保持单元的输出分别接行选通开关单元阵列中各行选通开关一端，行选通开关单元阵列中各行选通开关另一端相接，并连接数据处理单元；
通过控制列选通开关单元阵列中各列选通开关的选通频率，实现对热敏MEMS阵列器件中各像素的瞬态脉冲供电的频率控制；通过控制行选通开关单元阵列中各行选通开关依次输出采样保持单元输出的电信号；
在瞬态脉冲供电的频率控制下，通过电压源与恒流源供电，使热敏MEMS阵列器件中各像素获得相应频率的自热功率；
所述跨导电路单元阵列用于将热敏MEMS阵列器件中各像素输出的微弱电压信号转换为电流信号，同时隔离后续放大电路单元阵列对各像素的影响；
所述放大电路单元阵列采用CTIA放大电路阵列，用于放大热敏MEMS阵列器件中各像素产生的与自身自热功率对应的电信号；
所述采样保持单元阵列用于将放大电路单元阵列放大后的各电信号进行采样、输出；
所述数据处理单元用于将通过各行选通开关依次输出的电信号进行计算处理，得到热敏MEMS阵列器件中各像素的热容C、热导G和热时间常数τ，并保存数据。
需要说明的是，当阵列器件及列引线端旋转为行引线，行引线端则旋转为列引线时，旋转后的电路即实现以逐行方式对热敏MEMS阵列器件中各列热敏MEMS像素实现周期性瞬态脉冲供电，即将图3中的整个阵列器件与电路阵列同时旋转。
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 (8)
1.一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，将阵列规模为M×N的热敏MEMS阵列器件置于真空环境中；
步骤S2，以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列器件所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加脉冲时长为t的瞬态脉冲恒定自热功率P0，依次测试并存储M×N个像素的瞬态响应电压ΔV1；
步骤S3，以逐行或逐列方式给热敏MEMS阵列器件所选通的整行或者整列热敏MEMS像素同时施加脉冲时长为t的频率为f的瞬态脉冲恒定自热功率P0，周期性重复至热敏MEMS阵列器件各像素达到热平衡稳态，测试并存储M×N个像素的稳态响应电压ΔV2；
步骤S4，改变施加的瞬态脉冲恒定自热功率P0的频率f，重复步骤S3；
步骤S5，根据测试所得M×N个像素的瞬态响应电压ΔV1，建立热敏MEMS阵列器件的热容-响应关系模型，计算各像素的热容参数C；
步骤S6，根据测试所得M×N个像素的稳态响应电压ΔV2，建立热敏MEMS阵列器件的频率响应关系模型，计算各像素的热时间常数τ；
步骤S7，根据热敏MEMS阵列器件的热学参数关系，计算各像素的热导参数G；
其中，所述瞬态脉冲恒定自热功率P0的获得为，在瞬态脉冲供电的频率控制下，通过电压源与恒流源供电，使热敏MEMS阵列器件中各像素获得相应频率的自热功率。
2.如权利要求1所述的热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，
所述真空环境为真空度压强不大于10Pa的情况。
3.如权利要求1所述的热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，
所施加的频率为f的瞬态脉冲恒定自热功率P0的脉冲时长t应小于热时间常数τ的1/20。
4.如权利要求1所述的热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，
步骤S4中，改变施加的瞬态脉冲恒定自热功率P0的频率f范围是1Hz-500Hz。
5.如权利要求1所述的热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，
步骤S5中，器件的热容-响应关系模型，为：C＝H(P0,t,ΔV1)。
6.如权利要求1所述的热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，
步骤S6中，频率响应关系模型ΔV2＝F(f)；热时间常数τ为：
。
7.如权利要求1所述的热敏MEMS阵列器件热学参数测试方法，其特征在于，
步骤7中，器件的热学参数关系，为G＝C/τ。
8.一种热敏MEMS阵列器件热学参数测试电路，其特征在于，包括：选通开关单元阵列、信号放大单元阵列、采样保持单元阵列、数据处理单元、电源单元阵列；
选通开关单元阵列包括列选通开关单元阵列和行选通开关单元阵列；
信号放大单元阵列包括跨导电路单元阵列和放大电路单元阵列；
电源单元阵列包括电压源单元阵列和恒流源单元阵列；
所述列选通开关单元阵列中的各列选通开关一端分别接电压源单元阵列中各电压源，各列选通开关另一端分别接热敏MEMS阵列器件中各像素的列端；
热敏MEMS阵列器件中各像素的行端分别接恒流源单元阵列中的各恒流源，以及跨导电路单元阵列中的各跨导电路单元，跨导电路单元阵列中的各跨导电路单元分别与放大电路单元阵列中各放大电路单元连接；
放大电路单元阵列中各放大电路单元的输出分别连接采样保持单元阵列中各采样保持单元；采样保持单元阵列中各采样保持单元的输出分别接行选通开关单元阵列中各行选通开关一端，行选通开关单元阵列中各行选通开关另一端相接，并连接数据处理单元；
其中，通过控制列选通开关单元阵列中各列选通开关的选通频率，实现对热敏MEMS阵列器件中各像素的瞬态脉冲供电的频率控制；通过控制行选通开关单元阵列中各行选通开关依次输出采样保持单元输出的电信号；
在瞬态脉冲供电的频率控制下，通过电压源与恒流源供电，使热敏MEMS阵列器件中各像素获得相应频率的自热功率；
所述跨导电路单元阵列用于将热敏MEMS阵列器件中各像素输出的微弱电压信号转换为电流信号；
所述放大电路单元阵列用于放大热敏MEMS阵列器件中各像素产生的与自身自热功率对应的电信号；
所述采样保持单元阵列用于将放大电路单元阵列放大后的各电信号进行采样、输出；
所述数据处理单元用于将通过各行选通开关依次输出的电信号进行计算处理，得到热敏MEMS阵列器件中各像素的热容C、热导G和热时间常数τ，并保存数据。
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| 《非制冷红外焦平面阵列器件的热时间常数测试方法》;刘子骥等;《红外与激光工程》;20191008;1-6页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111649831A (zh) | 2020-09-11 |
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