CN107389206A - 一种热电堆传感器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种热电堆传感器及其控制方法，该热电堆传感器包括加热器、温度传感器、热电堆传感器芯片；其中，热结区设置于热电堆传感器芯片的顶面，冷结区设置于热电堆传感器芯片顶面的外周或者热电堆传感器芯片的侧面；温度传感器和热电堆传感器芯片均设置于加热器的顶面；温度传感器用于获取冷结区的温度，加热器用于对热电堆传感器芯片加热并保持冷结区恒温在工作温度。本发明通过将温度传感器、加热器和热电堆传感器单片集成，利用加热器对冷结区加热，通过温度传感器对加热器的加热量进行反馈控制。当外界有热冲击造成冷结区温度波动时，通过调节加热器的加热量将外界热冲击影响消除，实现冷结区热平衡控制，进而有效提高测温精度。

Description

一种热电堆传感器及其控制方法

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，特别是涉及一种热电堆传感器及其控制方法。

背景技术

热电堆传感器是一种温度测量元件，由多个热电偶串接构成，通过叠加各个热电偶上的温差电动势，并根据温差电动势与温度的对应关系，得到待测温度差或者待测温度。

如图1所示，为目前通常使用的一种热电堆传感器的结构示意图。该热电堆传感器包括硅衬底01，所述硅衬底01上设置有凹槽011；在所述硅衬底01的表面、横跨所述凹槽01设置有热电偶02，热电偶02位于硅衬底上的一端设置为冷结区03；热电偶02悬浮于所述凹槽011上的一端上还设置有感应吸收环境热量的薄膜材料，该薄膜材料的对应区域设置为热结区04。在上述热电堆传感器的使用过程中，热结04区吸收待测环境的温度，从而使得热结区04与冷结区03之间存在温度差，该温度差进一步导致热电偶两端产生温差电动势，通过温差电动势与温度差的对应关系，就能够计算得到对应的待测环境温度与冷结区的温度差，进一步在确定冷结区温度的情况下，就能够根据对应的温度差计算得到待测环境温度。

然而，发明人通过研究发现，上述热电堆传感器的冷结区03很容易受到外界环境的干扰，尤其在受到热冲击时，周围环境热冲击作用到热电堆传感器上，会使得冷结区温度激变，近而引起测量误差。

因此，如何克服环境温度的影响提高热电堆传感器的测量精度，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种热电堆传感器及其控制方法，用于解决现有技术中热电堆传感器精度差的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，根据本发明的第一方面，本发明实施例提供一种热电堆传感器，包括加热器、温度传感器、热电堆传感器芯片，其中：

所述热电堆传感器芯片的热结区设置于所述热电堆传感器芯片的顶面，所述热电堆传感器芯片的冷结区设置于所述热电堆传感器芯片顶面的外周或者所述热电堆传感器芯片的侧面上；

所述温度传感器和所述热电堆传感器芯片均设置于所述加热器的顶面，且相互间隔；所述温度传感器用于获取所述冷结区的温度，所述加热器用于对所述热电堆传感器芯片加热并保持所述冷结区恒温在工作温度。

可选地，所述工作温度大于所述热电堆传感器所在环境的温度。

可选地，所述温度传感器靠近所述热电堆传感器芯片的冷结区。

可选地，所述热结区远离所述加热器。

可选地，所述热电堆传感器还包括封装管帽和封装管座，其中：

所述封装管帽的顶部设置有开口，所述开口与所述热结区相对应；所述开口上密封设置有红外滤光片，以对环境中光线进行过滤使红外线照射在所述热结区；

所述封装管座设置在所述封装管帽的底部，所述封装管帽的内壁与所述封装管座的顶壁形成中空的密闭空间；

所述加热器、温度传感器以及热电堆传感器芯片均位于所述密闭空间内，且所述加热器设置在所述封装管座的顶壁上。

可选地，所述加热器包括加热材料层和衬底，所述加热材料层均匀排布在所述衬底上；所述衬底包括硅和陶瓷衬底；所述加热材料层包括铝、铜和金材料层中的一种或多种的组合；所述加热器的厚度小于600μm。

可选地，所述加热器的加热区域与所述冷结区在所述加热器上的投影相重合。

根据本发明的第二方面，本发明实施例提供一种热电堆传感器的控制方法，包括以下步骤：

获取温度传感器采集得到的冷结区的第一温度；

如果所述第一温度大于或等于工作温度，减少加热器的加热功率；或者，

如果所述第一温度小于工作温度，增加加热器的加热功率。

可选地，获取温度传感器采集得到的冷结区的温度之前，该方法还包括：

获取温度传感器采集得到热电堆传感器所在环境的第二温度；

从预设的参考温度集中，选择大于所述第二温度、且靠近所述第二温度的参考温度作为工作温度。

可选地，该方法还包括：

计算第一温度与工作温度的温度差；

如果所述温度差大于或等于温度阈值，选择第一功率调整值；或者，

如果所述温度差小于温度阈值，选择第二功率调整值；其中，所述第二功率调整值小于所述第一功率调整值；

所述减少加热器的加热功率，包括根据所述第一功率值或所述第二功率值，减少加热器的加热功率；

所述增加加热器的加热功率，包括根据所述第一功率值或所述第二功率值，增加加热器的加热功率。

如上所述，本发明的热电堆传感器及其控制方法，具有以下有益效果：所述热电堆传感器包括加热器、温度传感器、热电堆传感器芯片；其中，所述热电堆传感器芯片的热结区设置于所述热电堆传感器芯片的顶面，所述热电堆传感器芯片的冷结区设置于所述热电堆传感器芯片顶面的外周或者所述热电堆传感器芯片的侧面上；所述温度传感器和所述热电堆传感器芯片均设置于所述加热器的顶面，且相互间隔；所述温度传感器用于获取所述冷结区的温度，所述加热器用于对所述热电堆传感器芯片加热并保持所述冷结区恒温在工作温度。本发明通过将温度传感器、加热器和热电堆传感器单片集成，利用加热器对冷结区加热，通过温度传感器对加热器的加热量进行反馈控制。当外界有热冲击造成冷结区温度波动时，通过调节加热器的加热量将外界热冲击影响消除，实现冷结区热平衡控制，进而有效提高测温精度及测量稳定性。而且，片上集成加热器和温度传感器、微型热电堆传感器，能够有效减小传感器的尺寸，降低热电堆传感器热平衡控制所需的功耗，减小热平衡控制时间，实现了传感器对外界热冲击的快速平衡控制。

附图说明

图1显示为本发明实施例提供的一种目前热电堆传感器的结构示意图。

图2显示为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的俯视结构示意图。

图3显示为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的侧视结构示意图。

图4显示为本发明实施例提供的一种封装后热电堆传感器的结构示意图。

图5显示为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的控制方法的流程示意图。

图6显示为本发明实施例提供的另一种热电堆传感器控制方法的流程示意图。

图7显示为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的控制方法的流程示意图。

元件标号说明

1 加热器

2 温度传感器

3 热电堆传感器芯片

31 热结区

32 冷结区

4 封装管帽

41 开口

5 封装管底

6 红外滤光片

71 第一引脚

72 第二引脚

73 第三引脚

74 第四引脚

75 第五引脚

S101～S103 步骤

S201～S202 步骤

S301～S303 步骤

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图2至图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

参见图2，为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的俯视结构示意图，如图2所示，该热电堆传感器包括加热器1、温度传感器2以及热电堆传感器芯片3。

其中，所述热电堆传感器芯片3可以基于硅衬底制备而成，在所述硅衬底上形成多个相互串联的热电偶；所述热电堆传感器芯片3的热结区31设置于所述热电堆传感器芯片3的顶面，所述热结区31可以通过薄膜材料制备而成，用于吸收外界环境的红外线从而感知外界温度；所述热电堆传感器芯片3的冷结区32设置于所述热电堆传感器芯片3顶面的外周，或者所述冷结区32也可以设置于所述热电堆传感器芯片3的侧面上。当然，需要说明的是，在本发明实施例中，上述热电堆传感器芯片3可以使用其他任意材料的衬底，而且本发明对热结区31、冷结区32以及热电偶的材料和结构形状均不作限定，另外所述热电堆传感器芯片3还可以使用带有虚浮结构的热结区31，在此不再赘述。

参见图3，为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的侧视结构示意图，如图3所示，所述温度传感器2和所述热电堆传感器芯片3均设置于所述加热器1的顶面上，所述温度传感器2与所述热电堆传感器芯片3相互间隔。其中，所述温度传感器2可以使用热敏电阻温度传感器或者热电偶传感器等，用于获取热电堆传感器芯片3的冷结区31的温度。在一示例性实施例中，所述温度传感器2可以靠近所述冷结区31设置，从而能够更加准确地测量冷结区31的温度。

所述加热器1可以为电阻式加热器，通过控制加热器1两端所施加的电流、电压控制加热功率，所述加热器1用于对所述热电堆传感器芯片3进行加热，进而使所述冷结区31保持恒温在工作温度。在一优选实施例中，所述工作温度大于所述热电堆传感器当前使用环境的温度，例如如果所述热电堆传感器所在的环境温度为25℃，所述工作温度可以被配置为28℃等。

为了保证加热器加热时表面温度的均匀性，在本发明实施例中，所述加热器1可以包括加热材料层和衬底，所述加热材料层均匀排布在所述衬底上。其中，所述衬底可以选用高导热材料，例如硅、陶瓷等，所述加热材料层可以选用半导体工艺中常用的金属材料，例如铝、铜和金中的一种或多种的组合。而且，为了实现快速加热控温，本发明实施例中的加热器1的厚度小于600μm。当然，需要说明的是，在具体实施时，本领域技术人员可以根据实际的加热需要，选用其他任意材料作为衬底或加热材料层，在本发明实施例中不做限定。

同时，在本发明实施例中，由于加热器1需要对冷结区31进行加热，为了防止加热器1对热结区32的干扰，在一优选实施例中，所述热电堆传感器芯片3的热结区32远离所述加热器1；在具体实施时，可以通过增加热电堆传感器芯片3的厚度的方式实现，或者，通过设置绝热薄膜等方式实现冷结区31与加热器1以及冷结区32等的热绝缘，在本发明实施例中不做赘述。

而且，由于加热器1仅需控制冷结区31恒温，为了提高热效率，在发明的一示例性实施例中，上述加热器1的加热区域可以被配置为与所述冷结区31在所述加热器1上的投影相重合；在具体实施时，可以沿冷结区31的投影区域设置相应的加热电阻等实现，在此不再赘述。

为了防止环境的热冲击对热电堆传感器芯片3的影响，在本发明的一种实施情况下，可以将上述实施例的加热器1、温度传感器2以及热电堆传感器芯片3进行封装。

参见图4，为本发明实施例提供的一种封装后热电堆传感器的结构示意图，如图4所示，所述热电堆传感器包括加热器1、传感器2、热电堆传感器芯片3，以及封装管帽4、封装管底5、红外滤光片6以及引脚。

其中，所述封装管帽4的顶部设置有开口41，所述开口41对应于热电堆传感器芯片3的热结区31设置，以使外界红外辐射能够通过所述开口41作用在热结区31；在一示例性实施例中，所述开口41上还可以密封设置有红外滤光片6，所述红外滤光片6能够对外界环境中的光线进行过滤从而使红外线辐照在所述热结区31。

所述封装管座5设置在所述封装管帽4的底部，这样，所述封装管帽4的内壁与所述封装管座5的顶壁能够形成中空的密闭空间。

所述加热器1、温度传感器2以及热电堆传感器芯片3均设置于所述密闭空间内，且所述加热器设置在所述封装管座5的顶壁上。

所述引脚用于使热电堆传感器与控制芯片、主板等结构进行电连接，从而接受外界控制芯片的控制，或者向外界的其他器件结构发出测试信息等。在本发明实施例中，所述引脚可以包括第一引脚71、第二引脚72、第三引脚73、第四引脚74以及第五引脚75；所述第一引脚71与所述温度传感器2电连接，可以将温度传感器2采集得到的温度数据发送到控制芯片；所述第二引脚72和所述第三引脚73与所述加热器1均电连接，且所述第二引脚72和所述第三引脚73对称分布于所述加热器1的两侧；所述第四引脚74和所述第五引脚75均与热电堆传感器芯片3电连接，且所述第四引脚74和所述第五引脚75对称分布于所述热电堆传感器芯片3的两侧。当然，需要说明的是，根据实际热电堆传感器的封装需要，所述引脚可以包括任意多个引脚，而且所述引脚的分布方式可以为单列分布、双列分布以及圆周分布的任意一种，在本发明实施例中不做限定。

在热电堆传感器的使用过程中，温度传感器2实时测量热电堆传感器芯片3的冷结区31的温度，当测试得到的温度低于工作温度时，则增加加热器1的加热功率；当测试得到的温度高于工作温度时，则减少加热器1的加热功率，通过对加热器1的控制，使得所述冷结区31保持恒温在工作温度，而且所述工作温度大于热电堆传感器的使用环境的温度。这样，外界环境的热冲击作用到热电堆传感器时，加热器1能够快速响应进行热平衡，以抵消外界热冲击的影响，防止外界环境对温度测试的影响，提高测温精度。

由上述实施例的描述可见，本发明实施例提供的一种热电堆传感器，包括加热器、温度传感器、热电堆传感器芯片；其中，所述热电堆传感器芯片的热结区设置于所述热电堆传感器芯片的顶面，所述热电堆传感器芯片的冷结区设置于所述热电堆传感器芯片顶面的外周或者所述热电堆传感器芯片的侧面上；所述温度传感器和所述热电堆传感器芯片均设置于所述加热器的顶面，且相互间隔；所述温度传感器用于获取所述冷结区的温度，所述加热器用于对所述热电堆传感器芯片加热并保持所述冷结区恒温在工作温度。本发明通过将温度传感器、加热器和热电堆传感器单片集成，利用加热器对冷结区加热，通过温度传感器对加热器的加热量进行反馈控制。当外界有热冲击造成冷结区温度波动时，通过调节加热器的加热量将外界热冲击影响消除，实现冷结区热平衡控制，进而有效提高测温精度。

与上述热电堆传感器的装置实施例相对应，本发明实施例还提供一种热电堆传感器的控制方法。

参见图5，为本发明实施例提供的一种热电堆传感器的控制方法的流程示意图，如图5所示，本发明实施例示出了控制芯片对热电堆传感器进行控制的过程：

步骤S101：获取温度传感器采集得到的冷结区的第一温度。

温度传感器2将采集到的冷结区32的第一温度发送到控制芯片，从而使控制芯片能够实时获取冷结区32的温度值。

步骤S102：如果所述第一温度大于或等于工作温度，减少加热器的加热功率。

如果所述第一温度大于或等于工作温度，表示加热器1对热电堆传感器芯片3提供了较多的热量，再继续以当前加热功率加热，会使得冷结区32的温度进一步升高并远离工作温度，因此此时控制芯片可以通过控制减少施加到加热器1上的电压或电流，从而减少加热器1的加热功率，以使冷结区32恒温在工作温度。

步骤S103：如果所述第一温度小于工作温度，增加加热器的加热功率。

如果所述第一温度小于工作温度，表示加热器1对热电堆传感器芯片3提供了热量不足，再继续以当前加热功率加热，由于热交换的能量损失，会使得冷结区32的温度进一步降低并远离工作温度，因此此时控制芯片可以通过控制增加施加到加热器1上的电压或电流，从而增加加热器1的加热功率，以使冷结区32恒温在工作温度。

由于热电堆传感器的工作环境多变，有时热电堆传感器可能需要工作在较高的温度，有时热电堆传感器也可能需要工作在较低的温度，为了提供热电堆传感器的灵活性和实用性，参见图6，为本发明实施例提供的另一种热电堆传感器控制方法的流程示意图，如图6所示，在图5所示的控制方法的基础上，本发明实施例中，在执行上述步骤S101之前，还可以包括以下步骤：

步骤S201：获取温度传感器采集得到的热电堆传感器所在环境的第二温度。

当热电堆传感器第一次设置在工作环境，或者工作环境的温度多变时，控制芯片首先获取温度传感器2采集得到热电堆传感器所在环境的第二温度。

步骤S202：从预设的参考温度集中，选择大于所述第二温度、且靠近所述第二温度的参考温度作为工作温度。

在具体实施时，可以预设一参考温度集，所述参考温度集可以包括多个参考温度。例如一个参考温度集的示例性实施例可以为10℃、15℃、28℃、42℃以及57℃的集合。根据步骤S201得到的第二温度，从参考温度集中选择大于大于第二温度、且最靠近所述第二温度的参考温度；在一个示例性实施例中，如果所述第二温度为35℃，则可以从上述参考温度集中选择出42℃，并将选择出的参考温度作为工作温度。

为了提高冷结区的热平衡效率，参见图7，为本发明实施例提供的又一种热电堆传感器的控制方法的流程示意图，如图7所示，在图5所示的控制方法的基础上，本发明实施例示出了通过优化控制加热器实现冷结区热平衡的过程：

步骤S301：计算第一温度与工作温度的温度差。

控制芯片计算第一温度与工作温度的温度差，所述温度差可以为第一温度与工作温度差的绝对值。

步骤S302：所述温度差大于或等于温度阈值，选择第一功率调整值。

所述温度阈值可以为预先设置的温度阈值，例如所述温度阈值可以为10或15等，在本发明实施例中，对所述温度阈值的具体数值不做限定。如果温度差大于或等于所述温度阈值，则表示冷结区32的第一温度已经与工作温度有较大的差异，则选择较大的数值的第一功率调整值。具体地，当第一温度小于工作温度时，根据所述第一功率调整值增加加热器1的加热功率；或者，当第一温度大于工作温度时，根据所述第一功率调整值减少加热器1的加热功率，从而使得冷结区以较快的速度恢复到工作温度。

步骤S303：如果所述温度差小于温度阈值，选择第二功率调整值；其中，所述第二功率调整值小于所述第一功率调整值。

如果温度差小于所述温度阈值，则表示冷结区32的第一温度与工作温度有较小的差异，则选择较小的数值的第二功率调整值。具体地，当第一温度小于工作温度时，根据所述第二功率调整值增加加热器1的加热功率；或者，当第一温度大于工作温度时，根据所述第二功率调整值减少加热器1的加热功率，从而实现冷结区32的恒温控制。

当然，需要说明的是，在具体实施时，可以设置任意多个温度阈值，以及与不同温度阈值区间相对应的功率调整值，从而实现加热器1阶梯状的动态调整，进而提高加热器恒温控制效率。

由上述实施例的描述可见，本发明实施例提供的一种热电堆传感器的控制方法，通过获取温度传感器采集得到的冷结区的第一温度；如果所述第一温度大于或等于工作温度，减少加热器的加热功率；或者，如果所述第一温度小于工作温度，增加加热器的加热功率。本发明使用温度传感器对加热器的加热量进行反馈控制，利用加热器对传感器冷结区加热；当外界有热冲击造成冷结区温度波动时，通过调节加热器的加热量将外界热冲击影响消除，实现冷结区热平衡控制，避免环境温度对测试的影响，提高测温精度。而且，片上集成加热器和温度传感器、微型热电堆传感器，能够有效减小传感器的尺寸，降低热电堆传感器热平衡控制所需的功耗，减小热平衡控制时间，实现了传感器对外界热冲击的快速平衡控制。

综上所述，本发明提供的一种热电堆传感器及其控制方法，通过将温度传感器、加热器和热电堆传感器单片集成，利用加热器对冷结区加热，通过温度传感器对加热器的加热量进行反馈控制，当外界有热冲击造成冷结区温度波动时，通过调节加热器的加热量将外界热冲击影响消除，实现冷结区热平衡控制，避免环境温度对测试的影响，提高了测温精度和稳定性。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种热电堆传感器，其特征在于，包括加热器、温度传感器、热电堆传感器芯片，其中：

所述热电堆传感器芯片的热结区设置于所述热电堆传感器芯片的顶面，所述热电堆传感器芯片的冷结区设置于所述热电堆传感器芯片顶面的外周或者所述热电堆传感器芯片的侧面上；

所述温度传感器和所述热电堆传感器芯片均设置于所述加热器的顶面，且相互间隔；所述温度传感器用于获取所述冷结区的温度，所述加热器用于对所述热电堆传感器芯片加热并保持所述冷结区恒温在工作温度。

2.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述工作温度大于所述热电堆传感器所在环境的温度。

3.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述温度传感器靠近所述热电堆传感器芯片的冷结区。

4.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述热结区远离所述加热器。

5.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，还包括封装管帽和封装管座，其中：

所述封装管帽的顶部设置有开口，所述开口与所述热结区相对应；所述开口上密封设置有红外滤光片，以对环境中光线进行过滤使红外线照射在所述热结区；

所述封装管座设置在所述封装管帽的底部，所述封装管帽的内壁与所述封装管座的顶壁形成中空的密闭空间；

所述加热器、温度传感器以及热电堆传感器芯片均位于所述密闭空间内，且所述加热器设置在所述封装管座的顶壁上。

6.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在在于，所述加热器包括加热材料层和衬底，所述加热材料层均匀排布在所述衬底上；所述衬底包括硅或陶瓷衬底，所述加热材料层包括铝、铜和金材料层中的一种或多种的组合；所述加热器的厚度小于600μm。

7.根据权利要求1所述的热电堆传感器，其特征在于，所述加热器的加热区域与所述冷结区在所述加热器上的投影相重合。

8.一种热电堆传感器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取温度传感器采集得到的冷结区的第一温度；

如果所述第一温度大于或等于工作温度，减少加热器的加热功率；或者，

如果所述第一温度小于工作温度，增加加热器的加热功率。

9.根据权利要求8所述的热电堆传感器的控制方法，其特征在于，获取温度传感器采集得到的冷结区的温度之前，还包括：

获取温度传感器采集得到热电堆传感器所在环境的第二温度；

从预设的参考温度集中，选择大于所述第二温度、且靠近所述第二温度的参考温度作为工作温度。

10.根据权利要求8所述的热电堆传感器的控制方法，其特征在于，还包括：

计算第一温度与工作温度的温度差；

如果所述温度差大于或等于温度阈值，选择第一功率调整值；或者，

如果所述温度差小于温度阈值，选择第二功率调整值；其中，所述第二功率调整值小于所述第一功率调整值；

所述减少加热器的加热功率，包括根据所述第一功率值或所述第二功率值，减少加热器的加热功率；

所述增加加热器的加热功率，包括根据所述第一功率值或所述第二功率值，增加加热器的加热功率。