一种红外传感阵列的感算一体芯片及其感算控制方法

本发明涉及半导体芯片及人工智能，特别是一种基于mems热电堆红外传感阵列的感算一体芯片及其感算控制方法。

背景技术：

1、随着mems技术的不断发展，mems红外传感器逐渐成为红外探测技术的重要组成部分。mems热电堆红外传感器是利用mems技术将热电堆传感器集成在硅片上制作而成的红外传感器，具有体积小、响应速度快、抗干扰能力强等优点。同时，通过集成若干个mems热电堆红外传感像素形成阵列，可以实现面阵温度测量和红外图像处理等功能，进一步拓展了红外传感技术的应用范围。

2、感算一体芯片是一种集成了感知和计算功能的新型芯片。在传统的计算机系统中，感知和计算是分离的，通过感知获取数据，将获取的数据传输到存储器，再经由存储器传输到处理器进行计算。而感算一体芯片将感知单元与计算单元集成在同一片芯片上，这样可以在芯片级别直接进行数据的感知和计算，大大提高了数据处理的效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种红外传感阵列的感算一体芯片及其感算控制方法，采用mems热电堆红外传感阵列与电压产生模块、压控电阻阵列和运算采集模块组成的感算一体芯片，利用mems热电堆红外传感阵列来感应红外热辐射信号，通过电压控制压控电阻加载算法权重，运算采集模块采集mems热电堆红外传感阵列输出经过权重算法后的输出结果，从而完成红外热辐射信号的采集与计算，实现感算一体，降低了计算复杂度、减少硬件资源和功耗。本发明可广泛应用于集成电路设计技术领域中，并可同时实现红外热辐射的感应及算法运算，规避数据搬运问题，大幅节省数据传输带宽，提高红外面阵感算的效能比，进一步降低系统的尺寸和重量，具有高集成度和小型轻量化的特点，易用于各种边缘计算设备实现实时人工智能应用。

2、实现本发明目的的具体技术方案是：一种红外传感阵列的感算一体芯片，其特点是该感算一体芯片包括：mems热电堆红外传感阵列、电压产生模块、压控电阻阵列和运算采集模块，所述mems热电堆红外传感阵列，含有若干个mems热电堆红外传感像素，每一个所述mems热电堆红外传感像素可以等效为一个电源和一个电阻的组合；所述mems热电堆红外传感像素的第一端连接至地电极，第二端连接至压控电阻输入端；所述mems热电堆红外传感阵列探测红外热辐射信号，将红外热辐射信号转化为电压信号；所述mems热电堆红外传感像素主要包括红外光电元件热电堆等部分。

3、所述mems热电堆红外传感阵列的工作原理是基于塞贝克效应，任何温度在绝对零度(-273.15℃)以上的物体都会源源不断的向外产生红外辐射，辐射能力的大小与物体表面的温度和材料的特性有关，温度越高，辐射的能量越大。在mems热电堆红外阵列中，通过测量热电偶产生的电压差来推算出红外辐射的强度和分布。热电偶由两种不同材质导体组成闭合回路，当热电偶两端存在温度梯度时，回路中有电流流过，此时两端存在热电动势，继而计算出被测物体温度。通过将若干个mems热电堆红外传感像素组成阵列，可以实现多点温度测量和红外图像处理等功能，每个像素都可以测量一个特定点上的温度，通过将多个像素的测量结果进行整合，可以得到目标物体的整体温度分布和红外图像等信息。

4、所述电压产生模块用于压控电阻的阻值控制，可以实现算法权重的加载；所述压控电阻按照预设的选通方式选通；所述压控电阻第一端与对应的mems热电堆红外像素的第二端连接，各列压控电阻的第二端通过对应的列输出线与对应的运算采集模块连接，各列压控电阻的控制端与电压产生模块连接；所述运算采集模块用于获取所述热电堆红外传感阵列与加载算法权重的压控电阻阵列的耦合输出，并将获得的电流信号转换为电压信号，得到所述运算结果；所述运算采集模块包括电阻跨导放大器和模数转换器；所述电阻跨导放大器的输入端与对应的列输出线连接，电阻跨导放大器的输出端与所述模数转换器的输入端连接。

5、一种红外传感阵列的感算一体芯片的感算控制方法，其特点是该感算一体芯片的感算控制具体包括以下步骤：

6、a步骤：所述mems热电堆红外传感阵列探测红外热辐射信号，将红外热辐射信号转化为电压信号；

7、b步骤：所述电压产生模块控制所述压控电阻阵列按照预设的选通方式选通；

8、c步骤：所述运算采集模块用于获取所述热电堆红外传感阵列与加载算法权重的压控电阻阵列的耦合输出，并将获得的电流信号转换为电压信号，再经过模数转换器得到运算结果。

9、所述电流信号根据基尔霍夫定律由下述(a)式表示为：

10、

11、其中，gij表示所述mems热电堆红外传感阵列中第i行第j列的热电堆和压控电阻的电导，且根据对应的mems热电堆探测到的红外热辐射信号确定，i＝1,2,…,m表示所述mems热电堆红外传感阵列的行数，j＝1,2,…,n表示所述mems热电堆红外传感阵列的列数，vij表示所述mems热电堆红外传感阵列中第i行和第j列热电堆的两端电压，iij表示所述mems热电堆红外传感阵列中第i行第j列产生的电流。

12、本发明与现有技术相比具有高集成度和小型轻量化的特点，可广泛应用于集成电路设计技术领域，并可同时实现红外热辐射的感应及算法运算，规避数据搬运问题，大幅节省数据传输带宽，提高红外面阵感算的效能比，进一步降低系统的尺寸和重量，易于用于各种边缘侧设备实现实时人工智能应用。

技术特征：

1.一种红外传感阵列的感算一体芯片，其特征在于，该感算一体芯片包括：mems热电堆红外传感阵列、电压产生模块、压控电阻阵列和运算采集模块，所述mems热电堆红外传感阵列为若干个mems热电堆红外传感像素排布成阵列形式，每一个mems热电堆红外传感像素的第一端连接至地电极，第二端连接至压控电阻阵列中对应的压控电阻输入端；所述压控电阻阵列为若干个压控电阻压控电阻排布成阵列形式的多个压控电阻器件，且每个压控电阻分别对应mems热电堆红外传感阵列中的一个mems热电堆像素，即压控电阻阵列中的压控电阻器件与mems热电堆红外传感阵列中的mems热电堆像素一一对应，组成阵列交叉结构，在阵列交叉结构中，每个mems热电堆像素的第一端均接地，每个mems热电堆像素的第二端均与其对应的压控电阻的第一端连接，每个压控电阻的第二端均与其对应的列输出线电连接，每个压控电阻的控制端均与电压产生模块连接；所述电压产生模块用于压控电阻的阻值控制，实现算法权重的加载；所述运算采集模块包括电阻跨导放大器和模数转换器；所述电阻跨导放大器的输入端与对应的列输出线连接，电阻跨导放大器的输出端与模数转换器的输入端连接；所述压控电阻第一端与对应的mems热电堆红外像素的第二端连接，各列压控电阻的第二端通过对应的列输出线与运算采集模块中对应的电阻跨导放大器输入端连接，各列压控电阻的控制端与电压产生模块连接；所述运算采集模块的输入端与压控电阻的输出端连接，获取热电堆红外传感阵列与加载算法权重的压控电阻的耦合输出。

2.根据权利要求1所述红外传感阵列的感算一体芯片，其特征在于，所述mems热电堆红外传感阵列包含多个热电偶，每个热电偶由两种不同材质导体组成闭合回路。

3.根据权利要求1所述红外传感阵列的感算一体芯片，其特征在于，所述mems热电堆红外传感像素包括红外光电元件热电堆，每一个mems热电堆红外传感像素等效为一个电源和一个电阻的组合。

4.根据权利要求1所述红外传感阵列的感算一体芯片，其特征在于，所述压控电阻按预设的方式进行选通。

5.一种权利要求1所述红外传感阵列的感算一体芯片的感算控制方法，其特征在于，该感算一体芯片的感算控制具体包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述红外传感阵列的感算一体芯片的感算控制方法，其特征在于，所述电流信号根据基尔霍夫定律由下述(a)式表示为：

技术总结
本发明公开了一种红外传感阵列的感算一体芯片及其感算控制方法，其特点是该芯片包括：MEMS热电堆红外传感阵列、电压产生模块、压控电阻阵列和运算采集模块；该芯片利用MEMS热电堆红外传感阵列来感应红外热辐射信号，通过电压控制压控电阻加载算法权重，运算采集模块采集MEMS热电堆红外传感阵列输出经过权重算法后的输出结果，从而完成红外热辐射信号的采集与计算，实现感算一体。本发明与现有技术相比具有高集成度和小型轻量化的特点，大幅节省数据传输带宽，提高红外面阵感算的效能比，降低了计算复杂度、减少硬件资源和功耗，较好的解决了规避数据搬运问题，可广泛应用于集成电路的设计，以及各种边缘计算设备实现实时人工智能应用。

技术研发人员：李冬,刘舟锐,费跃,张楠,周晓峰
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/11