[发明专利]热电偶驱动的具有热晶体管的热成像传感器

说明书

提出了一种热电偶驱动的具有热晶体管的热成像传感器。热成像传感器包括一个或多个热电偶，每个热电偶用于根据热电偶的热接头的温度和冷接头的温度之间的差提供感测电压；热成像传感器还包括一个或多个感测晶体管，每个感测晶体管根据一个或多个相应的热电偶的感测电压驱动，用于根据其温度和相应的感测电压提供感测电信号。还提出了一种包括热成像传感器和相应的信号处理电路的热成像设备，以及包括一个或多个热成像设备的系统。

技术领域

本公开涉及热成像领域。更具体地，本公开涉及热成像传感器。

背景技术

下文通过讨论与其上下文相关的技术来介绍本公开的背景。然而，即使当该讨论涉及文档、动作、人工制品等时，它也不暗示或表示所讨论的技术是现有技术的一部分或是与本公开相关的领域中的公共常识。

热成像传感器通常用于检测其视场(每个视场包括一个或多个物质对象)的热特性。热成像传感器能够感测温度在绝对零度以上的每一个(材料)物体发出的热辐射(即，由其粒子的热运动产生的电磁辐射)；由于物体基本上表现为黑体(即，发射的热辐射仅依赖于相应的温度)，所以被感测到的热辐射代表它们的温度。例如，热成像传感器被用来测量整个视场中物体的温度(例如在热扫描仪中)。可选地，热成像传感器用于获取热图图像(或热图)，每个热图图像表示视场的温度分布(由从其不同位置发射的热辐射定义)；热图图像用于热成像(或热像)应用中，以独立于其照明来表示任何视场(根据其热特性)，即，即使在人眼不可见时也是如此。

有几种类型的热成像传感器可用。例如，非制冷型热成像传感器(也称为热传感器)根据与被吸收的热辐射量相关的温度变化来感测电参数的变化；这些热成像传感器可以在室温下工作，不需要任何复杂和昂贵的冷却设备。

典型的(非制冷)热成像传感器是基于热绝缘MOS(TMOS)晶体管，其电特性强烈依赖于温度。在这种情况下，提供了两个TMOS晶体管阵列：一个阵列暴露于热辐射，另一个阵列保持盲(例如，通过用金属层屏蔽它)。每个TMOS晶体管提供取决于其温度的信号(例如，当其工作点由偏置电压设置时的电流)。然后可以通过减去暴露阵列和盲阵列中的每对TMOS晶体管的信号来产生指示每对TMOS晶体管之间的温度梯度的差分信号，从该差分信号可以计算温度梯度(在需要非常精确的测量的情况下，例如对于人体的温度，也可以例如通过基于热敏电阻的单独温度传感器来测量盲阵列中的TMOS晶体管处的实际温度)。

一种完全不同的热成像传感器是基于热堆(TP)的。热堆由多个热电偶组成，这些热电偶通常串联地相互连接。根据塞贝克(Seebeck)效应，每个热电偶将热结和冷结之间的温度梯度(由热辐射产生)转换为电能(测量其振幅)。例如，热电偶包括两个不同材料(具有不同塞贝克系数)的(电)导体。导体接合在一个温度必须测量的点(热结或热接头)，而它们的自由端保持在一个参考温度(冷结或冷接头)。当温度梯度存在于热接头和冷接头之间时，在冷接头处产生相应的电压，从该电压可以计算温度梯度(如上所述，在需要非常精确的测量的情况下，也可以例如通过基于热敏电阻的单独温度传感器来测量冷接头处的实际温度)。测量电压非常小(μV量级)；在一个热堆中的多个热电偶串联连接，然后产生更高的(总)测量电压，提供更好的分辨率。

有几个因素影响热成像传感器性能。例如，希望具有高灵敏度、低响应时间和感测元件之间的有限热串扰。然而，现有的热成像传感器(基于TMOS晶体管或热电偶)的性能并不完全令人满意；这不利地影响了相应的热成像传感器的性能(例如，用噪声等效热差或NETD表示，该NETD由匹配内部噪声以使信噪比等于1所需的热辐射量给出)。这阻碍了热成像传感器在特定领域(例如，在消费者应用中，特别是移动类型)的使用。

发明内容

为了提供对本发明的基本理解，本文给出了本发明的简化概要；然而，本概要的唯一目的是以简化的形式引入本公开的一些概念，作为其以下更详细描述的前奏，并且不应将其解释为对其关键要素的识别或对其范围的界定。

一般而言，本公开基于将热晶体管与热电偶相结合的思想。