CN111189549A - 一种环境自适应热电堆红外传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种环境自适应热电堆红外传感器，包括封装基板及第一、第二热电堆红外传感器芯片，其中，第一热电堆红外传感器芯片位于封装基板的上表面，并对红外线敏感；第二热电堆红外传感器芯片位于封装基板的上表面，并与所第一热电堆红外传感器芯片电连接，第一、第二热电堆红外传感器芯片采用相同的结构及相同的塞贝克转换系数，但第二热电堆红外传感器比第一热电红外传感器芯片多一红外线反射层，红外线反射层遮盖第二热电堆红外传感器芯片的红外线吸收区，使第二热电堆红外传感器芯片对红外线不敏感。本发明可以消除应用环境带来的信号变化，实现红外传感器对各种使用环境的快速适应和对目标红外的精准传感，且结构简单，方便生产。
Description
技术领域
本发明属于红外传感器技术领域，涉及一种环境自适应热电堆红外传感器。
背景技术
微型热电堆传感器通过冷热结的温度差实现信号传感器，冷结区一般为硅衬底，而热结区一般为悬浮薄膜材料。因为硅具有良好的导热特性，冷结区的温度一般和环境温度相同，因此冷结区容易受外界环境影响，冷结区温度改变会改变热电堆传感器上的温度差信号，使得热电堆传感器输出电压受外界环境影响。此外，由于热电堆传感器一般具有较大的电阻，而输出电压又非常微弱，因此电磁波会耦合到传感器上，产生感应电动势，从而影响传感器的信号输出。
因此，如何提供一种环境自适应热电堆红外传感器，以消除应用环境带来的信号变化，实现红外传感器对各种使用环境的快速适应和对目标红外的精准传感，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。
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环境自适应热电堆红外传感器，用于解决现有技术中微型热电堆传感器高精度测量中传感器输出电压信号容易受环境温度等因素影响，测量精度下降的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种环境自适应热电堆红外传感器，包括：
封装基板；
第一热电堆红外传感器芯片，位于所述封装基板的上表面，并对红外线敏感；
第二热电堆红外传感器芯片，位于所述封装基板的上表面，并与所述第一热电堆红外传感器芯片电连接，其中，所述第二热电堆红外传感器芯片与所述第一热电堆红外传感器芯片采用相同的结构及相同的塞贝克转换系数，但所述第二热电堆红外传感器比所述第一热电红外传感器芯片多一红外线反射层，所述红外线反射层遮盖所述第二热电堆红外传感器芯片的红外线吸收区，使所述第二热电堆红外传感器芯片对红外线不敏感。
可选地，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括上下贯穿所述封装基板的第一管座引脚与第二管座引脚，所述第一热电堆红外传感器芯片的正极与所述第二热电堆红外传感器芯片的正极电连接，所述第一热电堆红外传感器芯片的负极与所述第一管座引脚电连接，所述第二热电堆红外传感气芯片的负极与所述第二管座引脚电连接。
可选地，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括上下贯穿所述封装基板的第一管座引脚与第二管座引脚，所述第一热电堆红外传感器芯片的负极与所述第二热电堆红外传感器芯片的负极电连接，所述第一热电堆红外传感器芯片的正极与所述第一管座引脚电连接，所述第二热电堆红外传感气芯片的正极与所述第二管座引脚电连接。
可选地，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括用于获取所述封装基板温度的温度传感器芯片，所述温度传感器芯片位于所述封装基板正面，并与所述第一热电堆红外传感器芯片及所述第二热电堆红外传感器芯片间隔设置。
可选地，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括第三管座引脚与第四管座引脚，所述第三管座引脚上下贯穿所述封装基板，所述第四管座引脚与所述封装基板电连接，所述温度传感器芯片的一电极引脚与所述第三管座引脚电连接，另一电极引脚与所述封装基板电连接。
可选地，所述温度传感器包括热敏电阻温度传感器。
可选地，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括管帽及红外滤光片，所述管帽位于所述封装基板上表面，并与所述封装基板形成一收容空间，所述第一热电堆红外传感器芯片与所述第二热电堆红外传感器芯片位于所述收容空间内；所述管帽的顶部设有通孔，所述红外滤光片与所述管帽连接，并遮盖所述通孔。
可选地，所述第一热电堆红外传感器芯片位于所述通孔的开口区域，所述第二热电堆红外传感器芯片避开所述通孔的开口区域。
可选地，所述环境自适应热电堆红外传感器将所述第一热电堆红外传感器芯片的输出信号与所述第二热电堆红外传感器的输出信号进行差分输出。
可选地，所述红外线反射层的材料包括金、铝中的至少一种。
可选地，所述第一热电堆红外传感器芯片及所述第二热电堆红外传感器芯片的热结区均采用悬浮式。
如上所述，本发明的环境自适应热电堆红外传感器将第一、第二热电堆红外传感器进行差分配置，第一、第二热电堆红外传感器采用完全相同的设计和结构，但第一热电堆红外传感器设计成对红外敏感，第二热电堆红外传感器设计成对红外不敏感。第二热电堆红外传感器与第一热电堆红外传感器的区别在于第二热电堆红外传感器的敏感区(热结区)有制作一层红外反射层(如金薄膜、铝薄膜)，使得入射的红外辐射都被反射，从而不被感应。第一热电堆红外传感器则无此红外反射层。本发明可以消除应用环境带来的信号变化，实现红外传感器对各种使用环境的快速适应和对目标红外的精准传感，且结构简单，方便生产。
附图说明
图1显示为一种热电堆传感器芯片的结构示意图。
图2显示为一种无热平衡控制的热电堆红外传感器封装结构。
图3显示为一种通过电路加热控制实现热平衡控制的热电堆红外传感器封装结构。
图4显示为本发明的环境自适应热电堆红外传感器中第一、第二热电堆红外传感器芯片在封装基板上的摆放示意图。
图5显示为本发明的环境自适应热电堆红外传感器的封装结构示意图。
元件标号说明
101 硅衬底
102 凹槽
103 热电偶
104 冷结区
105 热结区
201 封装管座
202 封装管帽
203 红外滤光片
204 温度传感器
205 热电堆红外传感器芯片
206 封装引脚
301 封装管座
302 封装管帽
303 红外滤光片
304 温度传感器
305 热电堆红外传感器芯片
306 加热器
307 封装引脚
401 封装基板
402 第一热电红外传感器芯片
4021 空腔
4022 热结区
4023 冷结区
403 第二热电堆红外传感器芯片
4031 空腔
4032 热结区
4033 冷结区
404 红外线反射层
405 第一管座引脚
406 第二管座引脚
407 温度传感器芯片
408 第三管座引脚
409 第四管座引脚
410 管帽
411 红外滤光片
412 通孔
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1至图5。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，遂图式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。
如图1所示，显示为一种热电堆传感器芯片结构，包括硅衬底101，所述硅衬底101中设置有凹槽102；在所述硅衬底101的表面、横跨所述凹槽101设置有热电偶103，所述热电偶103位于所述硅衬底101上的一端设置为冷结区104；所述热电偶103悬浮于所述凹槽102上的一端上还设置有感应吸收红外线的薄膜材料，该薄膜材料的对应区域设置为热结区105。在上述热电堆传感器的使用过程中，热结区105吸收红外线并产生热量，从而使得热结区105与冷结区104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，就能够计算得到热结区与冷结区的温度差，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热结区温度，进而得到待测环境温度。
如图2所示，显示为一种无热平衡控制的热电堆红外传感器封装结构，包括封装管座201、封装管帽202、红外滤光片203、温度传感器204、热电堆红外传感器芯片205及若干封装引脚206。这种封装结构的缺点在于：(1)传感器工作环境温度受周围环境温度影响，热电堆传感器在不同环境温度下的测量结果误差大；(2)传感器使用中容易受周围环境热冲击影响，周围环境热冲击将热量冲击到传感器上，使得传感器的工作环境温度发生激变，传感器冷结区温度变化很大，传感器处于非稳定状态，热电堆红外传感器的测量结果误差大。
有热平衡控制的热电堆传感器(未图示)可以改善上述问题，但其缺点在于需要对红外光窗的部位进行遮挡，传感器装配变复杂，并且对装配精度要求高。如果差分传感器和红外光窗设计不匹配，导致遮挡不完全，则存在红外测量不准确的误差。
如图3所示，显示为一种通过电路加热控制实现热平衡控制的热电堆红外传感器封装结构，包括封装管座301、封装管帽302、红外滤光片303、温度传感器304、热电堆红外传感器芯片305、加热器306及若干封装引脚307。这种封装结构的缺点在于：(1)通过外部电路实现热平衡控制，热式传感器芯片和外部封装结构的加热器和温度传感器非单片集成，温度传感器检测的温度并非热电堆传感器芯片本身的温度，而是封装结构的温度，因此控制的热平衡为封装结构的热平衡，导致热平衡控制精度差，热式传感器的工作温度不能稳定，热电堆传感器的测量结果精度无法获得最佳；(2)采用外部封装和电路进行热平衡控制，需要对整个封装结构进行加热，功耗大，并且热平衡时间长，当传感器使用过程中周围环境存在热冲击，周围环境热冲击无法被封装结构快速平衡，从而导致测量结果误差大；(3)采用外部电路加热控制热平衡，一般将传感器工作在固定的温度点，而非工作环境的温度，导致传感器有较大的温度偏置电压产生，不利于后端的电路处理。
因此，本发明设计了一种新的环境自适应热电堆红外传感器，以消除应用环境带来的信号变化，实现红外传感器对各种使用环境的快速适应和对目标红外的精准传感。下面通过具体的实施例来说明本发明的技术方案。
本发明的环境自适应热电堆红外传感器包括封装基板、第一热电堆红外传感器芯片及第二热电堆红外传感器芯片，请参阅图4，显示为所述第一热电红外传感器芯片402及所述第二热电堆红外传感器芯片403在所述封装基板401上的摆放示意图，其中，所述第一热电堆红外传感器芯片402位于所述封装基板401的上表面，并对红外线敏感；所述第二热电堆红外传感器芯片403位于所述封装基板401的上表面，并与所述第一热电堆红外传感器芯片402电连接，所述第二热电堆红外传感器芯片403与所述第一热电堆红外传感器芯片402采用相同的结构及相同的塞贝克转换系数，但所述第二热电堆红外传感器403比所述第一热电红外传感器芯片402多一红外线反射层404，所述红外线反射层404遮盖所述第二热电堆红外传感器芯片403的红外线吸收区，使所述第二热电堆红外传感器芯片403对红外线不敏感。
作为示例，所述红外线反射层404的材料包括金、铝中的至少一种。所述红外线反射层401可以使得入射的红外辐射都被反射，从而不被所述第二热电堆红外传感器芯片403感应。
作为示例，所述述第一热电堆红外传感器芯片及所述第二热电堆红外传感器芯片的热结区均采用悬浮式，如图4所示，所述第一热电红外传感器芯片402中设有空腔4021，所述第一热电红外传感器芯片402的热结区4022悬浮于所述空腔4021上方，所述第一热电红外传感器芯片402的冷结区4023与所述第一热电红外传感器芯片402的本体(例如硅衬底)接触。所述第二热电堆红外传感器芯片403采用相同的设计，图4中标注了所述第二热电堆红外传感器芯片403的空腔4031、热结区4032及冷结区4033。
作为示例，请参阅图5，显示为所述环境自适应热电堆红外传感器的封装结构图，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括上下贯穿所述封装基板401的第一管座引脚405与第二管座引脚406，本实施例中，所述第一热电堆红外传感器芯片402的正极与所述第二热电堆红外传感器芯片403的正极电连接，所述第一热电堆红外传感器芯片402的负极与所述第一管座引脚405电连接，所述第二热电堆红外传感气芯片403的负极与所述第二管座引脚406电连接。在另一实施例中，也可以采用所述第一热电堆红外传感器芯片402的负极与所述第二热电堆红外传感器芯片403的负极电连接，所述第一热电堆红外传感器芯片402的正极与所述第一管座引脚405电连接，所述第二热电堆红外传感气芯片403的正极与所述第二管座引脚406电连接的连接方式。
作为示例，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括用于获取所述封装基板401温度的温度传感器芯片407，所述温度传感器芯片407位于所述封装基板401正面，并与所述第一热电堆红外传感器芯片402及所述第二热电堆红外传感器芯片403间隔设置。所述温度传感器7包括但不限于热敏电阻温度传感器。
作为示例，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括第三管座引脚408与第四管座引脚409，所述第三管座引脚408上下贯穿所述封装基板401，所述第四管座引脚409与所述封装基板401电连接(所述封装基板401中可设有导电线路)，所述温度传感器芯片407的一电极引脚与所述第三管座引脚408电连接，另一电极引脚与所述封装基板409电连接。
作为示例，所述环境自适应热电堆红外传感器还包括管帽410及红外滤光片411，所述管帽410位于所述封装基板401上表面，并与所述封装基板401形成一收容空间，所述第一热电堆红外传感器芯片402与所述第二热电堆红外传感器芯片402位于所述收容空间内；所述管帽410的顶部设有通孔412，所述红外滤光片411与所述管帽410连接，并遮盖所述通孔412。本实施例中，所述温度传感器7也位于所述收容空间内。
作为示例，所述第一热电堆红外传感器芯片402位于所述通孔412的开口区域，所述第二热电堆红外传感器芯片403避开所述通孔412的开口区域以尽量减少红外线的吸收。
本实施例中，所述环境自适应热电堆红外传感器将所述第一热电堆红外传感器芯片402的输出信号与所述第二热电堆红外传感器403的输出信号进行差分输出。
本发明的环境自适应热电堆红外传感器的测温原理如下：
(1)热电堆红外测温的基本公式为Vout＝α×(TH-TC)，其中：α为塞贝克转换系数，TH为热结区温度，TC为冷结区温度，可见热电堆传感器的输出电压和热结区与冷结区的温度差成正比；
(2)对于本发明的环境自适应热电堆红外传感器，所述第一热电堆红外传感器芯片402的敏感结构(热结区)设计为对红外辐射敏感，其输出电压为Vout1＝α1×(TH1-TC1)，其中α1为塞贝克转换系数，TH1为热结区温度，TC1为冷结区温度；而所述第二热电堆红外传感器芯片403的敏感结构设计为对红外不敏感，只对环境温度变化敏感，其输出电压为Vout2＝α2×(TH2-TC2)，其中α2为塞贝克转换系数，TH2为热结区温度，TC2为冷结区温度
(3)将所述第一热电堆红外传感器芯片402的输出信号与所述第二热电堆红外传感器芯片403的输出信号进行差分，得到Vout1-Vout2＝α1×(TH1-TC1)-α2×(TH2-TC2)。
(4)由于所述第一热电堆红外传感器芯片402和所述第二热电堆红外传感器芯片403是处于相同的封装基板上，所述第一热电堆红外传感器芯片402和所述第二热电堆红外传感器芯片403的冷结区温度保持一致，并且所述第一热电堆红外传感器芯片402和所述第二热电堆红外传感器芯片403采用相同的版图和结构设计，其塞贝克转换系数也保持一致，从而使得上一公示进一步简化成Vout1-Vout2＝α1×(TH1-TH2)。
(5)由于所述第二热电堆红外传感器芯片403设计成对红外不敏感，红外辐射不会造成热结区温度上升，因此其热结区不受红外辐射影响。并且由于热结区和冷结区之间有较好的热隔离，所述第二热电堆红外传感器芯片403的热结区温度和环境温度基本保持一致。
可见，本发明的环境自适应热电堆红外传感器采用双元差分结构消除了热冲击对红外传感器的影响，且结构简单，方便生产。
综上所述，本发明的环境自适应热电堆红外传感器将第一、第二热电堆红外传感器进行差分配置，第一、第二热电堆红外传感器采用完全相同的设计和结构，但第一热电堆红外传感器设计成对红外敏感，第二热电堆红外传感器设计成对红外不敏感。第二热电堆红外传感器与第一热电堆红外传感器的区别在于第二热电堆红外传感器的敏感区(热结区)有制作一层红外反射层(如金薄膜、铝薄膜)，使得入射的红外辐射都被反射，从而不被感应。第一热电堆红外传感器则无此红外反射层。本发明可以消除应用环境带来的信号变化，实现红外传感器对各种使用环境的快速适应和对目标红外的精准传感，且结构简单，方便生产。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 (11)
1.一种环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于，包括：
封装基板；
第一热电堆红外传感器芯片，位于所述封装基板的上表面，并对红外线敏感；
第二热电堆红外传感器芯片，位于所述封装基板的上表面，并与所述第一热电堆红外传感器芯片电连接，其中，所述第二热电堆红外传感器芯片与所述第一热电堆红外传感器芯片采用相同的结构及相同的塞贝克转换系数，但所述第二热电堆红外传感器比所述第一热电红外传感器芯片多一红外线反射层，所述红外线反射层遮盖所述第二热电堆红外传感器芯片的红外线吸收区，使所述第二热电堆红外传感器芯片对红外线不敏感。
2.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述环境自适应热电堆红外传感器还包括上下贯穿所述封装基板的第一管座引脚与第二管座引脚，所述第一热电堆红外传感器芯片的正极与所述第二热电堆红外传感器芯片的正极电连接，所述第一热电堆红外传感器芯片的负极与所述第一管座引脚电连接，所述第二热电堆红外传感气芯片的负极与所述第二管座引脚电连接。
3.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述环境自适应热电堆红外传感器还包括上下贯穿所述封装基板的第一管座引脚与第二管座引脚，所述第一热电堆红外传感器芯片的负极与所述第二热电堆红外传感器芯片的负极电连接，所述第一热电堆红外传感器芯片的正极与所述第一管座引脚电连接，所述第二热电堆红外传感气芯片的正极与所述第二管座引脚电连接。
4.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述环境自适应热电堆红外传感器还包括用于获取所述封装基板温度的温度传感器芯片，所述温度传感器芯片位于所述封装基板正面，并与所述第一热电堆红外传感器芯片及所述第二热电堆红外传感器芯片间隔设置。
5.根据权利要求4所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述环境自适应热电堆红外传感器还包括第三管座引脚与第四管座引脚，所述第三管座引脚上下贯穿所述封装基板，所述第四管座引脚与所述封装基板电连接，所述温度传感器芯片的一电极引脚与所述第三管座引脚电连接，另一电极引脚与所述封装基板电连接。
6.根据权利要求4所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述温度传感器包括热敏电阻温度传感器。
7.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述环境自适应热电堆红外传感器还包括管帽及红外滤光片，所述管帽位于所述封装基板上表面，并与所述封装基板形成一收容空间，所述第一热电堆红外传感器芯片与所述第二热电堆红外传感器芯片位于所述收容空间内；所述管帽的顶部设有通孔，所述红外滤光片与所述管帽连接，并遮盖所述通孔。
8.根据权利要求7所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述第一热电堆红外传感器芯片位于所述通孔的开口区域，所述第二热电堆红外传感器芯片避开所述通孔的开口区域。
9.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述环境自适应热电堆红外传感器将所述第一热电堆红外传感器芯片的输出信号与所述第二热电堆红外传感器的输出信号进行差分输出。
10.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述红外线反射层的材料包括金、铝中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的环境自适应热电堆红外传感器，其特征在于：所述第一热电堆红外传感器芯片及所述第二热电堆红外传感器芯片的热结区均采用悬浮式。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202010026646.2A CN111189549A (zh) | 2020-01-10 | 2020-01-10 | 一种环境自适应热电堆红外传感器 |
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111811661A (zh) * | 2020-07-15 | 2020-10-23 | 深圳梦派科技集团有限公司 | 一种温度补偿测温方法及温度补偿测温装置 |
| CN111900244A (zh) * | 2020-07-01 | 2020-11-06 | 上海烨映电子技术有限公司 | 绝缘板载热电堆传感器元器件及其制作方法 |
| CN113607289A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-11-05 | 上海商皓电子科技有限公司 | 一种减小热滞误差的红外线测温方法 |
| CN116124728A (zh) * | 2023-02-24 | 2023-05-16 | 上海烨映微电子科技股份有限公司 | 热电堆红外探测器及其制备方法和ndir探测系统 |
-
2020
- 2020-01-10 CN CN202010026646.2A patent/CN111189549A/zh active Pending
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