[发明专利]热电堆阵列及其信号读出电路

说明书

本发明涉及一种热电堆阵列及其信号读出电路，所述热电堆阵列包括：多个传感器像素元；及读出电路，包括多路信号处理通道，每路信号处理通道包括：前置放大器，用于将传感器信号放大，前置放大器为单级放大器；模数转换器，输入端与所述前置放大器的输出端连接，模数转换器为delta‑sigma模数转换器；其中，每路信号处理通道用于对i个传感器像素元输出的传感器信号进行处理，大规模阵列中i为正整数且不大于所述热电堆阵列的传感器像素元数量开方后除以4。本发明有效降低了信号通道的噪声带宽，从而有效提升了信号处理通道的信噪比，有效提升了系统性能，热温度分辨率得以显著提升；同时因为频率降低，前置放大器和模数转换器的面积和功耗均可以显著降低。

技术领域

本发明涉及红外传感，特别是涉及一种热电堆阵列，还涉及一种热电堆阵列的信号读出电路。

背景技术

远红外热传感器应用领域越来越多，从工业控制到消费电子，再到智能建筑和物联网等等。随着消费类市场的蓬勃发展，对远红外热传感器的数量和集成度有了更高要求，需要进一步改善传感器的尺寸和成本。热电堆传感器由通常串联(或偶尔并联)的大量热电偶组成。串联热电偶的输出电压取决于热电偶结与基准结之间的温度差。该原理称为塞贝克效应，随着技术和市场升级，热电堆红外传感器也逐渐由早期的单像素点结构向阵列式传感器发展。在热电堆红外传感器阵列不断发展的过程中，热电堆传感器的信号处理不可避免会遇到以下问题：

主流的热电堆阵列的信号读出电路信号处理采用前置放大器(pre-amplifer)加高精度模数转换器(ADC)处理，前置放大器和模数转换器都要需要较大的面积和功耗来保证性能。对于小规模阵列(比如2*2或4*4)，传感器的像素元较大，信号较强，信号处理芯片有足够的空间来摆放高性能的前置放大器及模数转换器；但随阵列规模增加(16*16)，像素元尺寸显著降低，信号处理芯片的空间不足以放置较多的信号处理通道。并且较多的信号处理通道会带来较大的功耗，除了本身的电流损耗之外，更重要的是大电流会带来芯片的自发热(self-heating)，自发热会严重影响传感器的校准，从而显著降低热电堆传感器的温度分辨率和可靠性。热电堆阵列的信号读出电路中的通常选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还需要低通滤波器消除高频噪声，其后采用高性能模数转换器将放大后的信号转换为数字信号输出，为保证性能，需要较大的面积和功耗来实现。

发明内容

基于此，有必要提供一种适用于传感器像素元较多的阵列，能够兼顾功耗、面积及性能的热电堆阵列及其信号读出电路。

一种热电堆阵列，包括：多个传感器像素元；及读出电路，包括多路信号处理通道，每路信号处理通道包括：前置放大器，用于将传感器信号放大，所述前置放大器为单级放大器；模数转换器，输入端与所述前置放大器的输出端连接，所述模数转换器为delta-sigma模数转换器；其中，每路所述信号处理通道用于对i个所述传感器像素元输出的所述传感器信号进行处理，i为正整数且当所述多个传感器像素元的数量不小于256时，i不大于所述热电堆阵列的传感器像素元数量开方后除以4。

在其中一个实施例中，所述多路信号处理通道与所述多个传感器像素元的数量相等且信号处理通道与传感器像素元一一对应；或所述热电堆阵列还包括至少一个多路复用器，每个多路复用器的输入端连接一个以上所述传感器像素元、输出端连接一路所述信号处理通道，不同的多路复用器连接不同的信号处理通道；对于单个多路复用器，其连接的传感器像素元同时选通同时关断，以将选通的传感器像素元的传感器信号合并在一起送到连接的信号处理通道。

在其中一个实施例中，最多8个传感器像素元通过一多路复用器连接到一路信号处理通道。

在其中一个实施例中，各所述传感器像素元排列形成阵列，信号处理通道数量至少等于所述阵列的行数的4倍。

在其中一个实施例中，每路所述信号处理通道的模数转换器和前置放大器之间不设置低通滤波器。

在其中一个实施例中，所述前置放大器为套筒式或折叠共源共栅结构。