CN104132744A - 一种双环形集成热电堆传感器 - Google Patents

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Abstract

一种双环形集成热电堆传感器，涉及温度测量领域。包括呈同心环状分布的内环与外环，内环与外环分别由多个热电偶组成，热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，热电偶之间通过冷端相连接，各个热电偶的工作端相较于其冷端靠近内环圆心，外环热电偶的工作端靠近与其最接近的内环热电偶的冷端。本发明能够克服单环形热电堆误差大的缺点，大大提高测量精度与灵敏度，适用于进行非接触温度测量。

Description

一种双环形集成热电堆传感器
技术领域
本发明涉及非接触式温度测量领域，具体的说是涉及一种双环形集成热电堆传感器。
背景技术
塞贝克效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。热电偶是基于塞贝克效应研制的。热电偶中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端)；冷端作为电动势引出端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。由于其耐用、价格低廉、操作简便以及测温范围大，热电偶被广泛用作温度传感器，然而，灵敏度和精确度较低却极大地制约了其使用范围。将多个热电偶串联形成的热电堆可以提高灵敏度及测量精度，但目前的热电偶构成的单环形热电堆误差较大，无法满足实际操作中高灵敏度及高测量精度的测量要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高测量精度的双环形集成热电堆传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双环形集成热电堆传感器，包括呈同心环状分布的内环与外环，内环与外环分别由多个热电偶组成，所述热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，热电偶之间通过冷端相连接，各个热电偶的工作端相较于其冷端靠近内环圆心，外环热电偶的工作端靠近与其最接近的内环热电偶的冷端。
具体的，内环中的热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。
具体的，外环中的热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。
进一步的，内环热电偶的工作端分布在以环形圆心为圆心，半径为外环半径六分之一的圆形区域内。
作为上述技术方案的优选方案，第一热电极和第二热电极为不同成分材质的半导体材料或者导体材料。
优选的，每个热电偶的第一热电极和第二热电极分别采用P型材料和N型材料。
本发明的有益效果是：采用双环设计，通过计算内环热电偶的工作端与外环热电偶的冷端之间的温度差，实现温度测量的目的，比单环形热电堆测量温度的相对误差小，大大提高了测量精度与灵敏度，集成度高，实用性强。本发明适用于进行非接触温度测量。
附图说明
图1是本发明中V型热电偶的结构示意图；
图2是本发明中U型热电偶的结构示意图；
图3是本发明本发明实施例1的结构示意图；
图4是本发明本发明实施例2的结构示意图；
图5是本发明本发明实施例3的结构示意图；
图6是本发明本发明实施例4的结构示意图；
其中，1为第一热电极，2为第二热电极，a为冷端一，b为冷端二，c为工作端，e为衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明的一种双环形集成热电堆传感器，包括呈同心环状分布的内环与外环，内环与外环分别由多个热电偶组成，所述热电偶包括第一热电极1和第二热电极2，第一热电极1的一端与第二热电极2的一端相连接形成工作端c，第一热电极1的另一端为冷端一a，第二热电极2的另一端为冷端二b，冷端一a与冷端二b相分离，第一热电极1与第二热电极2在同一衬底e上呈V型或U型连接，热电偶之间通过冷端相连接，各个热电偶的工作端c相较于其冷端靠近内环圆心，外环热电偶的工作端c能够准确获取与其最接近的内环热电偶冷端的温度。
第一热电极1与第二热电极2在同一衬底上呈V型即组成V型热电偶，其结构如图1所示。第一热电极1的一端与第二热电极2的一端相连接形成工作端c(即热点)，工作端c接收来自检测对象的红外信号，第一热电极1的另一端为冷端一a(即冷点)，第二热电极2的另一端为冷端二b，冷端作为温度参考点一般接一个恒温元件。第一热点极1和第二热电极2为不同的材料，一般是半导体材料和导体材料。基于成本和实现效果考虑，第一热点极1和第二热电极2可采用P型材料和N型材料。
同理，第一热电极1与第二热电极2在同一衬底上呈U型即组成U型热电偶，其结构如图2所示，第一热电极1的一端与第二热电极2的一端相连接形成工作端c，工作端c接收来自检测对象的红外信号，第一热电极1的另一端为冷端一a，第二热电极2的另一端为冷端二b，冷端作为温度参考点一般接一个恒温元件。第一热点极1和第二热电极2为不同的材料，一般是半导体材料和导体材料。基于成本和实现效果考虑，第一热点极1和第二热电极2可采用P型材料和N型材料。
内环与外环的热电偶的数目可以相同，也可以不同。内环热电偶的工作端分布在距离内环圆心很小的一部分区域内，接受来自检测对象的红外感应信号；内环热电偶的冷端距离外环热电偶的工作端很近，使得二者间距相对于整个热电堆传感器来说可以忽略不计，以便外环热电偶的工作端能够准确获取与其最接近的内环热电偶冷端的温度。而后分别通过内环的电动势引出端及外环的电动势引出端引出热电动势，并在次级测量结构中再次运算才能得到整个热电堆产生的热电势。
设单环热电偶的温度测量绝对误差为ΔE，那么对于双环形集成热电堆传感器来说，设内环的温度测量绝对误差为ΔE1，外环的温度测量绝对误差为ΔE2，则二者串接时，单个热电堆像素点的绝对误差为若ΔE＝ΔE1＝ΔE2，那么单个像素点相对误差为是原来相对误差的倍，可知测温精度显著提高了。
本发明的热电堆以呈V型或U型连接的热电偶为基础单元，采用同心双环形结构，串联集成了多个热电偶，大大提高了灵敏度，可以用在红外感应的可集成的非接触式温度传感器中。
实施例1
如图3所示，为V型热电偶串联形成的双环形集成热电堆传感器。衬底e上分布着分别由多个热电偶串联而成的内环和外环，所有内环热电偶的高温端分布在以环形圆心为中心的很小的一部分区域内，该区域称为温度传感区，用于接收来自检测对象的红外信号，其大小与热电堆传感器的外环大小有关。以热电堆直径200μm为例，内环热电偶的高温端分布在以内环圆心为圆心，直径30μm左右的区域中。内环热电偶的冷端一和冷端二靠近外环热电偶的高温端。内环热电偶群中相邻热电偶的第一热电极和第二个热电偶的第二热电极串联，以此种方式，内环热电偶串联起来，两个没有串接的热电极引出电极g、k外接次级测量结构。外环中的热电偶也依照上述方式连接，两个没有连接的热电极引出电极f、h外接次级测量结构，电极f、h和电极g、k上的热动势在次级测量结构中再次运算才能得到整个热电堆产生的热电势。
实施例2
如图4所示，为V型热电偶分组串联形成的双环形集成热电堆传感器。本例与实施例1的区别在于热电偶的连接方式。以内环为例，其中的热电偶分成两组，第一组热电偶和第二组热电偶交叉分布在内环上，同组中相邻热电偶的第一个热电偶的第一热电极与第二个热电偶的第二热电极串联起来，以此种方式，将同组中热电偶串联起来，再通过第一组热电偶中的第一热电极(或第二热电极)与第二组热电偶中的第二热电极(或第一热电极)串联起来，最后将两组中未进行连接的两个热电极作为引出电极f、h，使其与次级测量结构相连接。外环中热电偶的连接方式与内环中热电偶的分组串联的连接方式相类似，外接次级测量结构的引出电极为g、k。
实施例3
如图5所示，是U型热电偶串联形成的双环形集成热电堆传感器。其连接方式类似于实施例1，但采用的是U型热电偶，其构成的双环形集成热电堆传感器比实施例1中V型热电偶构成的双环形集成热电堆传感器更加紧凑。本例中的内环引出电极f、h和外环引出电极g、k分别与次级测量结构相连接，电极f、h和电极g、k上的热动势在次级测量结构中再次运算才能得到整个热电堆产生的热电势。
实施例4
如图6所示，是U型热电偶分组串联形成的双环形集成热电堆传感器。本例中热电偶的连接方式类似于实施例2中的，但采用的是U型热电偶，其构成的双环形集成热电堆传感器比实施例1中V型热电偶构成的双环形集成热电堆传感器更加紧凑。集成度高，能够有效提高温度测量的精确度。

Claims (6)

1.一种双环形集成热电堆传感器，其特征在于，包括呈同心环状分布的内环与外环，内环与外环分别由多个热电偶组成，所述热电偶包括第一热电极和第二热电极，第一热电极的一端与第二热电极的一端相连接形成工作端，第一热电极的另一端为冷端一，第二热电极的另一端为冷端二，冷端一与冷端二相分离，第一热电极与第二热电极在同一衬底上呈V型或U型连接，热电偶之间通过冷端相连接，各个热电偶的工作端相较于其冷端靠近内环圆心，外环热电偶的工作端靠近与其最接近的内环热电偶的冷端。
2.如权利要求1所述的一种双环形集成热电堆传感器，其特征在于，内环中的热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。
3.如权利要求1或2所述的一种双环形集成热电堆传感器，其特征在于，外环中的热电偶通过冷端以串联或分组串联方式相连接。
4.如权利要求3所述的一种双环形集成热电堆传感器，其特征在于，内环热电偶的工作端分布在以环形圆心为圆心，半径为外环半径六分之一的圆形区域内。
5.如权利要求1所述的一种双环形集成热电堆传感器，其特征在于，第一热电极和第二热电极为不同成分材质的半导体材料或者导体材料。
6.如权利要求1所述的一种双环形集成热电堆传感器，其特征在于，每个热电偶的第一热电极和第二热电极分别采用P型材料和N型材料。
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