[發(fā)明專利]熱電堆陣列及其信號(hào)讀出電路

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011000325.1
• 申請(qǐng)日: 2020-09-22
• 公開（公告）號(hào): CN114257242A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李琛;王浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 無錫華潤上華科技有限公司
• 主分類號(hào): H03M1/10
• 分類號(hào): H03M1/10;H03M3/00
• 代理公司: 華進(jìn)聯(lián)合專利商標(biāo)代理有限公司 44224
• 代理人: 虞凌霄

本發(fā)明涉及一種熱電堆陣列及其信號(hào)讀出電路，所述熱電堆陣列包括：多個(gè)傳感器像素元；及讀出電路，包括多路信號(hào)處理通道，每路信號(hào)處理通道包括：前置放大器，用于將傳感器信號(hào)放大，前置放大器為單級(jí)放大器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入端與所述前置放大器的輸出端連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器為delta?sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其中，每路信號(hào)處理通道用于對(duì)i個(gè)傳感器像素元輸出的傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，大規(guī)模陣列中i為正整數(shù)且不大于所述熱電堆陣列的傳感器像素元數(shù)量開方后除以4。本發(fā)明有效降低了信號(hào)通道的噪聲帶寬，從而有效提升了信號(hào)處理通道的信噪比，有效提升了系統(tǒng)性能，熱溫度分辨率得以顯著提升；同時(shí)因?yàn)轭l率降低，前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的面積和功耗均可以顯著降低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及紅外傳感，特別是涉及一種熱電堆陣列，還涉及一種熱電堆陣列的信號(hào)讀出電路。

背景技術(shù)

遠(yuǎn)紅外熱傳感器應(yīng)用領(lǐng)域越來越多，從工業(yè)控制到消費(fèi)電子，再到智能建筑和物聯(lián)網(wǎng)等等。隨著消費(fèi)類市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，對(duì)遠(yuǎn)紅外熱傳感器的數(shù)量和集成度有了更高要求，需要進(jìn)一步改善傳感器的尺寸和成本。熱電堆傳感器由通常串聯(lián)(或偶爾并聯(lián))的大量熱電偶組成。串聯(lián)熱電偶的輸出電壓取決于熱電偶結(jié)與基準(zhǔn)結(jié)之間的溫度差。該原理稱為塞貝克效應(yīng)，隨著技術(shù)和市場(chǎng)升級(jí)，熱電堆紅外傳感器也逐漸由早期的單像素點(diǎn)結(jié)構(gòu)向陣列式傳感器發(fā)展。在熱電堆紅外傳感器陣列不斷發(fā)展的過程中，熱電堆傳感器的信號(hào)處理不可避免會(huì)遇到以下問題：

主流的熱電堆陣列的信號(hào)讀出電路信號(hào)處理采用前置放大器(pre-amplifer)加高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)處理，前置放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器都要需要較大的面積和功耗來保證性能。對(duì)于小規(guī)模陣列(比如2*2或4*4)，傳感器的像素元較大，信號(hào)較強(qiáng)，信號(hào)處理芯片有足夠的空間來擺放高性能的前置放大器及模數(shù)轉(zhuǎn)換器；但隨陣列規(guī)模增加(16*16)，像素元尺寸顯著降低，信號(hào)處理芯片的空間不足以放置較多的信號(hào)處理通道。并且較多的信號(hào)處理通道會(huì)帶來較大的功耗，除了本身的電流損耗之外，更重要的是大電流會(huì)帶來芯片的自發(fā)熱(self-heating)，自發(fā)熱會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的校準(zhǔn)，從而顯著降低熱電堆傳感器的溫度分辨率和可靠性。熱電堆陣列的信號(hào)讀出電路中的通常選用具有非常高的增益的前置放大器，例如大于10000倍，在前置放大器后方通常還需要低通濾波器消除高頻噪聲，其后采用高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器將放大后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出，為保證性能，需要較大的面積和功耗來實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

基于此，有必要提供一種適用于傳感器像素元較多的陣列，能夠兼顧功耗、面積及性能的熱電堆陣列及其信號(hào)讀出電路。

一種熱電堆陣列，包括：多個(gè)傳感器像素元；及讀出電路，包括多路信號(hào)處理通道，每路信號(hào)處理通道包括：前置放大器，用于將傳感器信號(hào)放大，所述前置放大器為單級(jí)放大器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入端與所述前置放大器的輸出端連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器為delta-sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其中，每路所述信號(hào)處理通道用于對(duì)i個(gè)所述傳感器像素元輸出的所述傳感器信號(hào)進(jìn)行處理，i為正整數(shù)且當(dāng)所述多個(gè)傳感器像素元的數(shù)量不小于256時(shí)，i不大于所述熱電堆陣列的傳感器像素元數(shù)量開方后除以4。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述多路信號(hào)處理通道與所述多個(gè)傳感器像素元的數(shù)量相等且信號(hào)處理通道與傳感器像素元一一對(duì)應(yīng)；或所述熱電堆陣列還包括至少一個(gè)多路復(fù)用器，每個(gè)多路復(fù)用器的輸入端連接一個(gè)以上所述傳感器像素元、輸出端連接一路所述信號(hào)處理通道，不同的多路復(fù)用器連接不同的信號(hào)處理通道；對(duì)于單個(gè)多路復(fù)用器，其連接的傳感器像素元同時(shí)選通同時(shí)關(guān)斷，以將選通的傳感器像素元的傳感器信號(hào)合并在一起送到連接的信號(hào)處理通道。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，最多8個(gè)傳感器像素元通過一多路復(fù)用器連接到一路信號(hào)處理通道。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，各所述傳感器像素元排列形成陣列，信號(hào)處理通道數(shù)量至少等于所述陣列的行數(shù)的4倍。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，每路所述信號(hào)處理通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和前置放大器之間不設(shè)置低通濾波器。

在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述前置放大器為套筒式或折疊共源共柵結(jié)構(gòu)。