CN107966211B - 用于测量环境空气温度的红外传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于测量环境空气温度的红外传感器。描述了用于测量电子设备的环境(51)的环境温度(T_空气)的电子设备(1)。电子设备(1)包括至少一个集成红外传感器(2)和盲窗口(20)，该盲窗口(20)阻止红外辐射直接地照射在集成红外传感器上，并且与环境以及与设备的外壳(50)热接触，从而导致盲窗口(20)处于表面温度(T_表面)。至少一个集成红外传感器适用于感测盲窗口的温度(T_表面)。设备还包括：用于测量至少一个红外传感器的温度(T_传感器)本身的至少一个绝对温度传感器，以及用于确定感测的表面温度(T_表面)与红外传感器的温度(T_传感器)之间的温度差(ΔT)并且用于基于此计算环境温度(T_空气)的处理装置。

Description

用于测量环境空气温度的红外传感器

技术领域

本发明涉及用于测量环境空气温度的红外传感器。更具体地，本发明涉及包括集成式红外传感器的电子设备和用于使用这种设备来测量环境空气温度的方法。

背景技术

例如移动电话的便携电子设备可包括温度传感器。用户可访问该温度传感器的数据，但是后者将仅指示便携电子设备本身的温度，而用户通常对环境空气温度或室温更感兴趣。移动电话通常具有一些内部加热，所述内部加热取决于移动电话的使用而会变化很多。因此，使用该温度传感器，基于移动电话的温度来估计移动电话的环境温度是困难的。

现有技术解决方案(像例如US 2014/0355649)通过以下方式来预测环境空气温度：如果该部分被握在手中或该部分被置于口袋中，则记录电子设备的温度的历史并且记住过去如何使用了电子设备(例如，使用了设备多长时间、功耗、电池充电等)。然而，这些解决方案产生预测的环境空气温度，并且不是准确的。

因此，需要用于测量便携电子设备的环境空气温度的新颖的方法和设备。

发明内容

本发明的实施例的目的在于提供用于测量电子设备的环境温度的新颖的方法和设备。

本发明的实施例的目的在于提供用于使用红外传感器来测量电子设备的环境温度的新颖的方法和设备。

该方法的优点在于进行对环境空气温度的直接的、瞬时的测量。传感器的盲窗口表面对于环境温度的变化将在数秒内调节。这避免当整合长时间的测量时测量误差的累积的负面影响。通过使用本发明的实施例，例如手机的设备的过去历史不起作用。

另一优点在于，所有传感器可以保持在移动电话的内部，并且不需要使热探头粘在移动电话外部以得到对空气温度的测量。

以上目的通过根据本发明的方法和设备来实现。

本发明涉及用于测量电子设备的环境的环境温度(T_空气)的电子设备，该电子设备包括：

-至少一个集成红外传感器，

电子设备包括阻止来自设备的环境的红外辐射直接地照射在至少一个集成红外传感器上的盲窗口，盲窗口与电子设备的环境以及与电子设备的外壳热接触，从而导致盲窗口处于表面温度(T_表面)，至少一个集成红外传感器适用于感测盲窗口的温度(T_表面)，

-用于测量至少一个红外传感器的温度(T_传感器)本身的至少一个绝对温度传感器，以及

-处理装置，用于确定盲窗口的感测的表面温度(T_表面)与红外传感器的温度(T_传感器)本身之间的温度差(ΔT)，并且用于基于此计算环境温度(T_空气)。盲窗口可以是至少一个集成红外传感器的一部分或者可以与其分开，例如集成在外壳中。

本发明的实施例的优点在于，可以计算电子设备的环境空气温度。在实施例中，通过使用盲窗口表面与空气接触的盲红外传感器来计算包围电子设备(例如便携电子设备，如移动电话)的空气的温度。

本发明的实施例的优点在于，在例如移动电话的电子设备的外壳中提供红外传感器或温度计以确定空气或环境温度。在实施例中，红外传感器通常将不直接地测量空气温度。在实施例中，盲红外传感器用于计算或确定独立于电子设备(例如移动电话)温度的空气温度。虽然移动电话被指示为电子设备的示例，但实施例不限于此，并且例如加热器、中央加热、温度控制设备等也被构想为电子设备。

处理装置可适用于将环境温度(T_空气)计算为红外传感器本身的温度(T_传感器)与温度差(ΔT)的成比例部分的组合。

处理装置可适用于将环境温度(T_空气)计算为红外传感器本身的温度(T_传感器)与温度差(ΔT)的和。

用于测量红外传感器的温度(T_传感器)本身的绝对温度传感器可以是与绝对温度成比例(PTAT)温度传感器、分立的负温度系数(NTC)传感器或温度敏感热敏电阻。

盲窗口可以是金属化的光学窗口或是金属片或塑料片。

电子设备可进一步包括补偿器，其中补偿器适于减小电子设备的温度传感器输出与环境温度之间的差。

电子设备可以是从包括移动电话、手持式计算机、电子阅读器、台式计算机、游戏控制器、定点设备、照相机或摄像机、数字音乐播放器、腕表、头戴式耳机、图片框和计算机外围设备的组中选择的便携电子设备。

本发明还涉及用于测量如前述实施例中的任一项所述的电子设备的环境的环境温度(T_空气)的方法，该方法包括：

-感测盲窗口的温度(T_表面)，

-测量至少一个红外传感器的温度(T_传感器)本身，以及

-确定盲窗口的感测的表面温度(T_表面)与红外传感器的温度(T_传感器)本身之间的温度差(ΔT)，并且基于此计算环境温度(T_空气)。

计算环境温度(T_空气)可包括：将环境温度(T_空气)计算为红外传感器本身的温度(T_传感器)与温度差(ΔT)的成比例部分的组合。

计算环境温度(T_空气)可包括：将环境温度(T_空气)计算为红外传感器本身的温度(T_传感器)与温度差(ΔT)的和。

本发明还涉及用于制造用于测量电子设备的环境的环境温度(T_空气)的电子设备(1)的方法，该方法包括：

-在电子设备中提供至少一个集成红外传感器，并且在电子设备中提供阻止来自设备的环境的红外辐射直接地照射在至少一个集成红外传感器上的盲窗口，盲窗口与电子设备的环境以及与电子设备的外壳热接触，从而导致盲窗口处于表面温度(T_表面)，至少一个集成红外传感器适用于感测盲窗口的温度(T_表面)，

-提供用于测量至少一个红外传感器的温度(T_传感器)本身的至少一个绝对温度传感器，以及

-提供用于确定盲窗口的感测的表面温度(T_表面)与红外传感器的温度(T_传感器)本身之间的温度差(ΔT)并且用于基于此计算环境温度(T_空气)的处理装置。

本发明还涉及对如上所述的电子设备用于发热温度测量的用途。

本发明还涉及对如上所述的电子设备用于控制房间加热器或中央加热的用途。

本发明还涉及对如上所述的电子设备用于控制汽车进气的用途。

本发明的实施例通过使用其盲窗口表面与空气接触的盲红外传感器来实现计算包围电子设备(例如移动电话)的空气的环境温度。

本发明的特别和优选方面在所附独立和从属权利要求中阐述。从属权利要求中的技术特征可以与独立权利要求的技术特征以及其他从属权利要求的技术特征适当地结合，而不仅仅是其在权利要求中明确阐明的那样。

本发明的这些以及其他方面从下文所描述的(诸)实施例中将变得显而易见并且将参考这些实施例来进行阐明。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的实施例的设备的截面图。

图2示出根据本发明的实施例的用于测量环境空气温度的方法的流程图。

这些附图只是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将一些要素的尺寸放大且未按比例绘制。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指相同或相似的要素。

具体实施方式

将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而仅由权利要求书来限定。所描述的附图只是示意性的且是非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将一些要素的尺寸放大且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于本发明实践的实际缩减。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述序列。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他序列来操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶、下方等等用于描述性的目的，并且不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明的之外的其他取向来操作。

要注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解读为限定于其后列出的装置/手段；它并不排除其他要素或步骤。由此其解读为指定所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件，或其群组的存在或添加。由此，表达“包括装置A和B的设备”的范围不应被限定于仅由组件A和B构成的设备。其意味着，相对于本发明，设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书提及“一个实施例”或“一实施例”意指结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。由此，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部引述同一实施例，而使可以引述同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如本领域普通技术人员会从本公开中显而易见的，特定特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当理解的是，在本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以用于将本公开内容连成整体并帮助理解各个发明方面中的一个或多个方面的目的。然而，这种公开方法不应被解读为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求所反映，各发明性方面存在于比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。由此，详细描述之后所附的权利要求由此被明确纳入该详细描述中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些而不是其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使用。

在本文所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出以免混淆对本描述的理解。

在本发明的各实施例中提及“环境温度”之处，涉及的是设备的周围环境的温度。在实施例中，电子设备的环境温度是指包围电子设备的空气的温度，并且不是电子设备本身的温度。

在本发明的各实施例中提及“感测元件”之处，涉及的是接收信号、处理该信号并且提供可测量的输出的元件。在特定实施例中，信号是指红外区域中的电磁辐射，并且传感器可包括集成电路、MEMS、热电偶或类似的测量系统，其能够将所接收的信号转换成例如电压的电信号，该电信号随后可传递至可读输出(例如，显示器)。

在本发明的各实施例中提及“盖”之处，涉及的是保护感测元件的外壳。本发明的一些实施例包括半导体盖，例如硅或锗——本发明不限于此。在本发明的实施例中，盖可包括隔离感测元件的空腔，该空腔可帮助改善信噪比。在本发明的优选实施例中，可以根据严格的组成和几何条件来调整空腔以及盖，使得只有在特定条件下的辐射可以被传感器检测。其余的入射辐射遭受光学中公知的内部全反射(TIR)，因此不进入感测元件并且因此有效地减少视场(FOV)并且防护传感器免于噪声的影响。

在本发明的各实施例中提及“红外辐射”之处，涉及的是在从1000nm到25000nm的波长范围中的辐射，有利地是在从5000nm到20000nm的波长范围中的辐射。

在本发明的各实施例中提及“盲红外传感器”之处，涉及的是可被屏蔽或以其他方式不被允许(或是“盲的”)观察红外辐射的感测元件。在实施例中，在传感器的盖中提供的或作为与传感器一起使用的分开的防护壳而提供的光学窗口被阻挡，并且阻止来自环境的红外辐射直接地照射在感测元件上，从而产生盲窗口。在其他实施例中，盖可包括不能使得光学窗口用于感测红外辐射从而也产生盲窗口的材料。

在第一方面，本发明提供如图1所示的设备。设备1是电子设备。在一些实施例中，设备可以是便携电子设备，例如移动电话。然而，还构想了其他电子设备，其他电子设备的一些示例是温度控制器、房间加热器、空调设备等。设备包括壳体50，由此壳体可包括前侧，该前侧具有例如屏幕和例如按钮的元件以使用户与设备交互(未示出)。壳体还用作电子设备的外壳，并且可进一步包括其中提供传感器的开口。

在本发明的实施例中，提供盲红外传感器2，并且该盲红外传感器2集成在外壳50中。本发明的实施例中使用的盲红外传感器2可包括盖42。在实施例中，外壳50和盲红外传感器2是两个分开的元件，由此盲红外传感器2集成在外壳50中，如图1所示。在替代实施例中，盲红外传感器2的盖42是外壳50的一部分，例如，其中盲红外传感器2和外壳50提供为单个元件(未示出)。在该特定实施例中，优选地使外壳50局部地薄或具有低的热质量，使得外壳50对外部温度变化快速地反应。

在实施例中，可以将附加的图案化、反射元件、涂层和/或吸收元件或涂层、或其组合添加到盖的光学窗口(不形成与空腔44的接口)，具体在盖的光学窗口的上外部表面。包括这种经图案化、吸收和/或反射特征的表面的区域可以是暴露于源辐射并且与环境51热接触的盖表面的限定的区域。例如，可以在盖的上外部表面对盖中提供的光学窗口进行金属化，从而产生包括盲窗口20的盲红外传感器2。

在替代实施例中，盲红外传感器通过以下方式实现：将盖42中的光学窗口替换为金属片或塑料片或薄膜30，从而产生盲窗口20。使用的材料的示例是阳极化的铝或聚碳酸酯塑料。在进一步的实施例中，替代材料可用于盖的上表面，该上表面阻止或阻挡直接地照射在红外传感器2上的红外辐射。因此可以在盖中、在外壳中、在作为外壳的一部分的盖中、或甚至在另一位置提供盲防护壳。

例如，如图1所示，盲红外传感器2可包括盖42，其中盖42包括产生盲窗口20的红外阻挡材料，其中盲窗口20与外壳50接触，因此盖与外壳50接触。此外，包括盲窗口20的盖42与盲红外传感器2的感测元件40接触。除了检测器芯片之外，盲红外传感器2的感测元件40还可包括经校准的绝对温度传感器(未示出)以测量盲红外传感器本身的温度T_传感器。合适的经校准的绝对温度传感器可以例如是与绝对温度成比例(PTAT)温度传感器。PTAT是一种特定类型的温度传感器，并且它是通常在测量其自身温度的芯片中使用的设计。其他合适的温度传感器可以例如是分立的负温度系数(NTC)传感器或简单的温度敏感热敏电阻。

在图1所示的实施例中，盲红外传感器2可以是包括至少一个壁43的盲红外传感器2，所述至少一个壁43取向为引起内部全反射(TIR)，使得辐射反射离开传感器而不是透射到空腔44中。尽管示出包括至少一个壁43的盲红外传感器，但是至少一个壁43的存在对于实现本发明的实施例不是必须的，并且可以使用本领域已知的其他盲红外传感器。替代的盲红外传感器可以是分立的红外热电偶传感器(未示出)，其中热电偶传感器不是如此盲的，而是观察单独的盲窗口20。

在优选实施例中，盲红外传感器2的盲窗口20的外层或前表面与外部空气热接触，并且不通过自身来生成热量。由于盲窗口20与外壳50和红外传感器2的其余部分接触，因此取决于外壳50与空气之间以及外壳50与盲红外传感器2和电子设备1之间的热阻，盲窗口20的温度(T_表面)将在环境的空气温度(T_空气)与盲红外传感器温度(T_传感器)之间，这由经校准的绝对温度传感器感测。

盲红外传感器将拾取或感测来自盖42的盲窗口20的前表面的红外辐射(T_表面)，并且基于此，可以确定或计算前表面(T_表面)与传感器本身的内部温度(T_传感器)之间的温度差(ΔT)。该温度差(ΔT)将取决于集成的红外传感器(和电子设备)与在传感器的前表面的前面的空气之间的温度差。这可以表达为以下关系式：

(T_空气-T_传感器)＝A x(T_表面-T_传感器)＝A x(ΔT)

其中A假设为常数，虽然A可能取决于气压，但正常的大气压变化可能仅导致可忽略的差异。然后可以将环境温度T_空气计算为红外传感器本身的温度(T_传感器)与温度差(ΔT)的成比例部分的组合，这也在图2的流程图中示出：

T_空气＝A x(T_表面-T_传感器)+T_传感器＝A x(ΔT)+T_传感器

还可以选择使用两个经校准的绝对温度传感器来测量表面温度和传感器温度本身两者并且相互减去。然而，在这种情况下，两个绝对传感器均必须是非常精确的以能够准确地测量表面与内部温度之间的小的温度差。然而，如果使用根据本发明的实施例的盲红外传感器，则被测量的红外信号与差T_表面-T_传感器成正比，并且当T_表面＝T_传感器时，这个差(ΔT)将是零。这对于精度和长期可靠性是重要优势。

在本发明的进一步的实施例中，设备可包括适于基于电子设备的环境的确定的环境温度执行动态补偿的补偿器。补偿器校正直接测量的温度值以补偿在便携设备内部或在其外部的传感器的周围环境的影响。

换言之，一旦已经使用本发明的实施例建立了环境温度，该信息就可用于例如通过应用校准来动态地调节直接测量的温度值，从而补偿在电子设备内部或在电子设备外部的传感器的周围环境的影响。

在实施例中，本发明可用于确定温度变化是否受环境变化或移动设备的搬动的影响。

在实施例中，本发明可用于发热温度测量，其中环境温度是用于计算体温的输入因子。

在设备的进一步的实施例中，可以确定附加的环境参数。根据本发明的实施例的设备可包括若干传感器。这些传感器可以例如是触敏屏、一个或多个话筒、亮度传感器等。此外，当试图解释环境变化时，盲红外传感器本身至少可提供与其他测量一起使用的支持性测量。

虽然参考移动电话描述了本发明的实施例，但应注意，方法和系统可以在需要获得或知晓真实的空气温度的每个应用中被使用。一些示例应用为：用于对房间进行加热的电加热器通常仅具有测量加热器本身的温度的传感器，但它们想要调节的是室温。因此，此处确实需要知晓空气温度。根据本发明的实施例的系统提供空气温度传感器，因此允许更精确的控制是可能的。另一示例是中央加热。在这种系统中，参考温度通常是在墙上的控制器的温度。然而，该温度主要是墙的温度，但想要知晓空气的温度。利用空气温度传感器，更精确的控制同样是可能的。最后的示例是车辆(例如汽车)的进气。汽车空气进气温度对于引擎的操作是重要的，并且正确的控制允许减少汽车排放。因此，对空气温度的快速测量是优选的，利用该传感器这是可能的。

参考

1：设备

2：盲红外传感器

20：盲窗口

30：金属片或塑料片

40：感测元件

42：盖

43：壁

44：空腔

50：外壳

51：环境

Claims (14)

1.一种用于测量电子设备的环境(51)的环境温度(T_空气)的电子设备(1)，所述电子设备(1)包括：

至少一个集成红外传感器(2)，

所述电子设备包括：盲窗口(20)，阻止来自所述电子设备的所述环境(51)的红外辐射直接地照射在所述至少一个集成红外传感器上，所述盲窗口(20)与所述电子设备的所述环境(51)以及与所述电子设备的外壳(50)热接触，从而导致所述盲窗口(20)处于表面温度(T_表面)，所述至少一个集成红外传感器适用于感测所述盲窗口的温度(T_表面)，

至少一个绝对温度传感器，用于测量所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身，以及

处理装置，用于确定所述盲窗口的感测的表面温度(T_表面)与所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身之间的温度差(ΔT)，并且用于基于此计算所述环境温度(T_空气)，

其中，所述盲窗口的温度(T_表面)的值处于所述环境温度(T_空气)的值与所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)的值之间。

2.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述处理装置适用于将所述环境温度(T_空气)计算为所述至少一个集成红外传感器本身的温度(T_传感器)与所述温度差(ΔT)的成比例部分的组合。

3.如权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述处理装置适用于将所述环境温度(T_空气)计算为所述至少一个集成红外传感器本身的温度(T_传感器)与所述温度差(ΔT)的和。

4.如权利要求1至3中的任一项所述的电子设备，其特征在于，用于测量所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身的所述绝对温度传感器是与绝对温度成比例(PTAT)温度传感器、分立的负温度系数(NTC)传感器或温度敏感热敏电阻。

5.如权利要求1至3中的任一项所述的电子设备，其特征在于，所述盲窗口(20)是金属化的光学窗口或是金属片或塑料片。

6.如权利要求1至3中的任一项所述的电子设备，进一步包括补偿器，其中所述补偿器适用于：基于所确定的所述环境温度来调节所述至少一个集成红外传感器的直接测量的温度值，从而补偿所述至少一个集成红外传感器的、在所述电子设备内部或在所述电子设备外部的周围环境的影响。

7.如权利要求1至3中的任一项所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备是从包括移动电话、手持式计算机、电子阅读器、台式计算机、游戏控制器、定点设备、照相机或摄像机、数字音乐播放器、腕表、头戴式耳机、图片框和计算机外围设备的组中选择的便携电子设备。

8.如权利要求1至7中的任一项所述的电子设备用于发热温度测量的用途。

9.如权利要求1至7中的任一项所述的电子设备用于控制房间加热器或中央加热的用途。

10.如权利要求1至7中的任一项所述的电子设备用于控制汽车进气的用途。

11.一种用于测量如权利要求1至7中的任一项所述的电子设备的环境(51)的环境温度(T_空气)的方法，所述方法包括：

感测盲窗口的温度(T_表面)，

测量所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身，以及

确定所述盲窗口的感测的表面温度(T_表面)与所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身之间的温度差(ΔT)，并且基于此计算所述环境温度(T_空气)。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，计算所述环境温度(T_空气)包括：将所述环境温度(T_空气)计算为所述至少一个集成红外传感器本身的温度(T_传感器)与所述温度差(ΔT)的成比例部分的组合。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，计算所述环境温度(T_空气)包括：将所述环境温度(T_空气)计算为所述至少一个集成红外传感器本身的温度(T_传感器)与所述温度差(ΔT)的和。

14.一种用于制造用于测量电子设备的环境(51)的环境温度(T_空气)的电子设备(1)的方法，所述方法包括：

在所述电子设备中提供至少一个集成红外传感器(2)，并且在所述电子设备中提供阻止来自所述电子设备的所述环境(51)的红外辐射直接地照射在所述至少一个集成红外传感器上的盲窗口(20)，所述盲窗口(20)与所述电子设备的所述环境(51)以及与所述电子设备的外壳(50)热接触，从而导致所述盲窗口(20)处于表面温度(T_表面)，所述至少一个集成红外传感器适用于感测所述盲窗口的温度(T_表面)，

提供用于测量所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身的至少一个绝对温度传感器，以及

提供用于确定所述盲窗口的感测的表面温度(T_表面)与所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)本身之间的温度差(ΔT)并且用于基于此计算所述环境温度(T_空气)的处理装置，

其中，所述盲窗口的温度(T_表面)的值处于所述环境温度(T_空气)的值与所述至少一个集成红外传感器的温度(T_传感器)的值之间。

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