柔性热释电红外探测器读出电路研究

发布时间：2020-08-28 21:13

　　柔性热释电红外探测器具有非制冷、探测波长范围广、制作成本低和柔性可穿戴等特点,成为红外探测领域的研究热点。柔性红外探测器读出电路作为探测器的重要组成部分,对热释电信号的提取与转换起决定作用。因此设计高信噪比、高电压响应率的热释电探测器读出电路是一件有意义的工作。本论文基于实验室自主研发的PVDF柔性敏感元,设计了基于电压型和电流型复合读出电路。为了筛选出实验制备过程中高热释电系数的PVDF薄膜和量化读出电路的探测能量指标,设计了基于三角波与正弦波调制温度的热释电系数测试系统,本论文具体研究内容为:一、分析了基于PVDF柔性敏感元的热释电红外探测器的探测原理。结合PVDF等效电路模型,分析比较电压型、电流型与电荷型三种读出电路的结构与特点。探索了柔性红外探测器读出电路的噪声来源。二、设计了基于电压型与电流型的读出电路。电压型读出电路为JFET差分放大结构,差分放大的电压增益为60dB。电流型读出电路采用跨阻式结构,其反馈大电阻是基于T型电阻网络,阻值动态可调范围为500MΩ到100GΩ。电流型前置运放的偏置电压依据读出信号的大小来自动反馈调节,调节范围为0~0.67V_(cc)。最终系统实现了读出电路的能量测量范围为0.1μJ~1mJ,电压响应率≥700V/W。三、基于BP神经网络PID算法实现了频率10mHz~1Hz,幅度值0.5~2℃的三角波或正弦波温度控制技术。系统温度控制误小于在0.15℃。基于第三章设计的高信噪比、高电压响应率的读出电路,STM32F407为核心的数据采集模块,TEC功率驱动模块,PT100温度采集模块,Matlab与STM32F407串口通信模块,实现了PVDF薄膜样品的热释电系数测试。最终实现三角波调制控温下PVDF样品所测的热释电系数为10.7μC/K·m~2,正弦波调制控温下所测的热释电系数为23.89μC/K·m~2。通过分析比较,本系统正弦波调制控温下所测的热释电系数测试误差在10%内。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN215
【部分图文】：

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感器在可穿戴市场的优势。因而它的应用前景更为广阔。释电红外探测器读出电路的发展现状释电红外探测器读出电路是柔性热释电红外探测器不可分噪比，高电压响应率和宽带宽的读出电路是提高探测器探。读出电路是将柔性红外探测器的微弱电信号进行放大，效信息的电压信号，并且这种电压信号的幅度值能被示波直观测量。路的研究发展与红外敏感元材料是分不开的。读出电路是计。性能优异的敏感元的读出电路设计往往相对容易，探没那么高，而一些有缺陷敏感元往往需要采用高性能的读能。国内外对柔性热释电读出电路的研究都是基于其特定ller等人于1999年基于PVDF薄膜材料设计了低噪声的电如下 1-1 所示[9]。

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图 1-2 亚力山大大学红外探测器读出电路原理图与实物图. Ebrahima 等人设计的红外探测器读出电路包含三级结构：第一级为 L噪声的前置转换级，其作用为将热释电电流信号转换为电压信号； LM324 组成的二级放大，将前置运放 LM351 输出的 1mV 左右的电 2500 倍，输出 2.5V 左右的电压信号；第三级为滤波输出级。基于的探测器电压响应率 Rv为 157 V/W，最小可探测比 D*为 1.82×1，而 NEP 的最小值约为 2.67×10-7W/Hz1/2。该电路的增益有限，采用易带来级间耦合噪声，而且直插式分立元器件会增大系统的噪声，信噪比。验室的师兄在毕业论文中提出一种高动态范围的读出电路[11]，实现1μJ 到 1mJ 能量的探测，电压响应率大于 1000V/W，其电路实物图如

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1-2 亚力山大大学红外探测器读出电路原理图与实物人设计的红外探测器读出电路包含三级结构：转换级，其作用为将热释电电流信号转换为成的二级放大，将前置运放 LM351 输出的 1m输出 2.5V 左右的电压信号；第三级为滤波输响应率 Rv为 157 V/W，最小可探测比 D最小值约为 2.67×10-7W/Hz1/2。该电路的增益耦合噪声，而且直插式分立元器件会增大系在毕业论文中提出一种高动态范围的读出电量的探测，电压响应率大于 1000V/W，其电

【参考文献】