CN111504476A - 红外线温度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种红外线温度传感器是在单一红外线感测芯片上设置至少二个热电堆感测元件，并以包含挡墙的盖体分隔。其中之一热电堆感测元件通过盖体上的通孔感测外部热源的热辐射，而另一热电堆感测元件则感测封装结构的热辐射，以作为校正补偿的依据。上述红外线温度传感器可快速校正补偿封装结构所造成的量测误差。此外，上述红外线温度传感器的封装步骤简单，且容易设置滤波片以扩大其应用范围。

Description

红外线温度传感器
技术领域
本发明是有关一种温度传感器，特别是一种红外线温度传感器。
背景技术
热电堆传感器已经广泛应用于耳温枪与工业温度传感器。现有的热电堆传感器大都采用金属壳封装，再加上大热容金属套以降低环境温度波动的影响。然而，对于恶劣的检测环境(例如高温且变动较大的环境)，上述的热电堆传感器与封装无法提供快速环境温度变化的补偿，因而导致较大的误差。另一方面，上述的封装结构无法满足缩小化体积的应用需求。
热电堆传感器中的热电堆感测元件所接收到的信号包含外部热源的热辐射信号以及封装结构的热辐射信号，其中封装结构的热辐射信号将造成量测的误差。对于封装结构的热辐射信号所造成的量测误差，可额外设置一个校正用的热电堆感测元件来校正补偿，亦即校正用的热电堆感测元件无法感测待测物的热辐射，而只接收封装结构的热辐射。
为了避免外部热辐射以及封装结构的热辐射在校正用以及量测用的热电堆感测元件间发生串扰，现有的作法是在封装基板上设置一挡墙以分离校正用以及量测用的热电堆感测元件。这样的作法工序繁复且成本较高。另一种作法是在热电堆芯片上粘接一可通过红外线的空腔盖(Cavity)再做SMD封装的方法。然而，这种作法的缺点包含：(1)制造以及模具成本较高；(2)无法镀红外线波段滤波片；以及(3)工序复杂而影响良率。
有鉴于此，提供一种可快速反应且能克服封装结构所造成的量测误差的热电堆传感器便是目前极需努力的目标。
发明内容
本发明提供一种红外线温度传感器，其是在一红外线感测芯片上设置二个热电堆感测元件，并以包含挡墙的盖体分隔，使二个热电堆感测元件分别感测外部以及封装结构的热辐射，以快速校正补偿封装结构所造成的量测误差进而提高量测准确度。
本发明一实施例的红外线温度传感器包含一基板、一红外线感测芯片、一盖体以及一滤波片。红外线感测芯片设置于基板，并与基板电连接。红外线感测芯片包含一第一热电堆感测元件、一第二热电堆感测元件、一硅基温度传感器以及一信号处理器。第一热电堆感测元件用以接收一第一红外线以产生一第一感测信号。第二热电堆感测元件用以接收一第二红外线以产生一第二感测信号。硅基温度传感器用以感测一环境温度以产生一环境温度感测信号。信号处理器与第一热电堆感测元件、第二热电堆感测元件以及硅基温度传感器电连接，以处理第一感测信号、第二感测信号以及环境温度感测信号。盖体设置于基板，且与基板定义出一容置空间以容置红外线感测芯片。盖体包含一第一通孔、一遮蔽部以及一挡墙，其中第一通孔对应于第一热电堆感测元件，遮蔽部对应于第二热电堆感测元件，使第二热电堆感测元件接收遮蔽部所辐射的第二红外线，以及挡墙对应于第一热电堆感测元件以及第二热电堆感测元件之间。滤波片则设置于第一通孔的一端。
本发明提供的红外线温度传感器，可快速校正补偿封装结构所造成的量测误差以提高量测准确度；此外，本发明的红外线温度传感器的封装步骤简单，且容易设置滤波片以扩大其应用范围。
以下藉由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
图1为一示意图，显示本发明第一实施例的红外线温度传感器。
图2为一示意图，显示本发明第一实施例的红外线温度传感器沿图1的AA线的剖面结构。
图3为一示意图，显示本发明第一实施例的红外线温度传感器沿图1的BB线的剖面结构。
图4为一方块图，显示本发明一实施例的红外线温度传感器的信号处理器。
图5为一示意图，显示本发明第二实施例的红外线温度传感器。
图6为一示意图，显示本发明第三实施例的红外线温度传感器。
附图标号：
11 基板
111 导电接点
12 红外线感测芯片
121a、121c 第一热电堆感测元件
121b 第二热电堆感测元件
122 硅基温度传感器
123 信号处理器
123a、123c 多工器
123b 可编程增益放大器
123d 缓冲放大器
123e 模数转换器
123f 数字滤波器
123g 暂存器
123h I2C通信界面
123i 非易失性存储器
123j 程序控制器
124 导电接点
13 盖体
131、131a、131b 第一通孔
132 遮蔽部
132a、135 空腔
133 挡墙
134 金属层
14、14a、14b 滤波片
141、161 基材
142 滤波层
15 引线
16 遮蔽元件
162 遮蔽层
20 导热胶
MCU 微控制器
具体实施方式
以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。图式中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。
请参照图1至图3，本发明的一实施例的红外线温度传感器包含一基板11、一红外线感测芯片12、一盖体13以及一滤波片14。基板11的材料可为BT(Bismaleimide Triazine)树脂或陶瓷。可以理解的是，基板11包含多个导电接点以及适当的导电迹线以电连接相对应的导电接点，以供红外线感测芯片12与基板11电连接，并将红外线感测芯片12所产生的感测信号输出至外部。基板11的详细结构为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
红外线感测芯片12设置于基板11上，并与基板11电连接。举例而言，请参照图3，红外线感测芯片12可通过导电接点124以及引线15而与基板11上的导电接点111电连接。于一实施例中，红外线感测芯片12是以导热胶20固设于基板11上。导热胶20可降低基板11至红外线感测芯片12间的热阻，有利红外线感测芯片12感测环境温度。
于一实施例中，红外线感测芯片12可为一整合型芯片。举例而言，红外线感测芯片12包含一第一热电堆感测元件121a、一第二热电堆感测元件121b、一硅基温度传感器122(如图4所示)以及一信号处理器123(如图4所示)。第一热电堆感测元件121a用以接收一第一红外线以产生一第一感测信号。第二热电堆感测元件121b用以接收一第二红外线以产生一第二感测信号。硅基温度传感器122用以感测一环境温度以产生一环境温度感测信号。信号处理器123与第一热电堆感测元件121a、第二热电堆感测元件121b以及硅基温度传感器122电连接，用以处理第一热电堆感测元件121a、第二热电堆感测元件121b以及硅基温度传感器122所输出的第一感测信号、第二感测信号以及环境温度感测信号。
盖体13设置于基板11上，且与基板11定义出一容置空间，使红外线感测芯片12设置于盖体13以及基板11间的容置空间。于一实施例中，盖体13是以导热胶20固设于基板11上。导热胶20可降低盖体13至基板11间的热阻，使基板11容易随着环境温度变化而变化。请参照图2，盖体13包含一第一通孔131、一遮蔽部132以及一挡墙133。第一通孔131对应于第一热电堆感测元件121a设置，使第一热电堆感测元件121a可通过第一通孔13接收外部的热辐射，例如待测物所辐射的第一红外线。于图2所示的实施例中，第一通孔131的侧壁垂直基板11，但不限于此。
遮蔽部132对应于第二热电堆感测元件121b设置，使第二热电堆感测元件121b只会接收到遮蔽部132所辐射的第二红外线。挡墙133则对应于第一热电堆感测元件121a以及第二热电堆感测元件121b之间设置。挡墙133可以阻挡红外线，以避免第一热电堆感测元件121a接收到遮蔽部132所辐射的第二红外线以及第二热电堆感测元件121b接收到待测物所辐射的第一红外线。于一实施例中，盖体13可为红外线无法穿透的材料，例如液晶聚合物(Liquid Crystal Polymer，LCP)。盖体13为LCP材料的优点是以此元件进行SMD封装可以通过无铅回流炉的高温工艺，亦即不会熔化摊塌而影响感测芯片的性能。
滤波片14设置于第一通孔131的一端，以选择特定波段的红外线通过。于一实施例中，滤波片14是以导热胶20固设于盖体13上。导热胶20可降低盖体13至滤波片14间的热阻，使滤波片14容易随着盖体13的温度变化而变化。举例而言，滤波片14可包含一基材141以及设置于基材141上的一滤波层142，其中基材141可为一硅基材。
请再参照图2，于一实施例中，盖体13的一内表面以及一外表面设有一金属层134。于一实施例中，金属层134的材料可为铜、铝、镍、铬或不锈钢。如前所述，盖体13的材料可为液晶聚合物(LCP)，其易于射出成形且可通过溅射或化镀将金属层134形成于盖体13的内表面以及外表面。外侧的金属层134可阻隔外部环境其他热源的热辐射。此外，外侧以及内侧的金属层134彼此连接，则金属层134的导热效果可使盖体13的内侧以及外侧温度较快达到一致。内侧的金属层134亦可用以降低盖体13的热辐射系数(Emissivity)，且增加挡墙133阻挡红外线的效果。于一实施例中，挡墙133的宽度大于或等于0.1mm，举例而言，挡墙133的宽度为0.2mm。于一实施例中，挡墙133至红外线感测芯片12的距离小于或等于100μm。举例而言，挡墙133至红外线感测芯片12的距离介于25μm至100μm，于一较佳实施例中，挡墙133至红外线感测芯片12的距离介于50μm至75μm。
请再参照图2，为了降低空气扰动所造成遮蔽部132以及第二热电堆感测元件121b间的热传导，于一实施例中，遮蔽部132至第二热电堆感测元件121b的距离大于或等于100μm，较佳者，遮蔽部132至第二热电堆感测元件121b的距离介于200μm至500μm。举例而言，可在遮蔽部132以及第二热电堆感测元件121b间设计一空腔132a，以控制遮蔽部132至第二热电堆感测元件121b的距离。可以理解的是，请参照图3，可在盖体13对应打线区的位置设计一空腔135，以容置引线15。于一实施例中，空腔135内侧至红外线感测芯片12的距离大于或等于200μm。
请参照图4，于一实施例中，信号处理器123包含多工器123a、123c、一可编程增益放大器123b、一缓冲放大器123d、一模数转换器123e、一数字滤波器123f、一暂存器123g、一I2C(Inter-Integrated Circuit)通信界面123h、一非易失性存储器123i以及一程序控制器123j。第一热电堆感测元件121a以及第二热电堆感测元件121b的感测信号输出至多工器123a，经多工器123a选择后再经由可编程增益放大器123b予以放大并后馈至多工器123c。同一红外线感测芯片12上的硅基温度传感器122的感测信号则输出至缓冲放大器123d，经缓冲放大器123d予以放大并后馈至多工器123c。
接续上述说明，多工器123c选择输出第一热电堆感测元件121a以及第二热电堆感测元件121b的感测信号或硅基温度传感器122的感测信号至模数转换器123e，经模数转换器123e转换成数字信号，再经由数字滤波器123f处理后将结果储存于暂存器123g。于一实施例中，模数转换器123e可为Sigma-Delta型式的模数转换器，例如16至24位元的Sigma-Delta型式的高精度模数转换器。I2C通信界面123h与后端的微控制器MCU通信，以储存或读取暂存器123g或非易失性存储器123i中的资料，以及选择信号通道并触发程序控制器123j的动作。以上的信号处理器123的电路设计为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
于图2所示的实施例中，遮蔽部132是由盖体13所构成，较佳者包含金属层134，但不限于此。于一实施例中，请参照图5，遮蔽部132是由遮蔽元件16所构成。举例而言，盖体13包含一第二通孔131b，其对应于第二热电堆感测元件121b设置。遮蔽元件16则设置于第二通孔131b的一端以遮蔽外部热源的热辐射。于一实施例中，遮蔽元件16包含一基材161以及设置于基材161表面的一遮蔽层162。举例而言，遮蔽层162可为金属层以遮蔽待测物的热辐射。于一实施例中，遮蔽元件16的基材161以及滤波片14的基材141为相同材料，例如硅基材，如此可进一步校正补偿滤波片14的基材141所产生的热辐射。可以理解的是，遮蔽元件16是以导热胶20固设于盖体13上。导热胶20可降低盖体13至遮蔽元件16间的热阻，使遮蔽元件16容易随着盖体13的温度变化而变化。
请参照图6，于一实施例中，红外线感测芯片12包含多个第一热电堆感测元件121a、121c、第一通孔131以及滤波片14a、14c，以作为多通道的红外线温度传感器。可以理解的是，对应第二热电堆感测元件121b的遮蔽部132可为盖体13或遮蔽元件16。于一实施例中，滤波片14a、14c的滤除波段相异，如此可感测不同红外线波段的强度。
依据上述结构，本发明的红外线温度传感器的封装步骤可大幅简化。举例而言，盖体13可通过射出成型的方法形成M×N的矩阵排列的连板，再形成金属层134于盖体13的内表面以及外表面。可以理解的是，盖体13之间仅部分连接，如此可使盖体13的内侧以及外侧的金属层134彼此连接，以增加导热效果。接着，将切割成适当尺寸的滤波片14设置于盖体13的第一通孔131的一端，如此即完成盖体13的制作过程。红外线感测芯片12则以现有的制造方法设置于M×N的矩阵排列基板11上，并以引线15电连接红外线感测芯片12以及基板11。再将盖体13设置于基板11上并覆盖红外线感测芯片12即完成封装。之后，再经切单程序即可进行SMD封装以及测试程序。
综合上述，本发明的红外线温度传感器是在单一红外线感测芯片上设置二个热电堆感测元件，并以包含挡墙的盖体分隔。其中的一热电堆感测元件通过盖体上的通孔感测外部热源的热辐射，而另一热电堆感测元件则感测遮蔽部(即封装结构)的热辐射，以作为校正补偿的依据。因此，本发明的红外线温度传感器可快速校正补偿封装结构所造成的量测误差以提高量测准确度。此外，本发明的红外线温度传感器的封装步骤简单，且容易设置滤波片以扩大其应用范围。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以此限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (22)

1.一种红外线温度传感器，其特征在于，包含：
一基板；
一红外线感测芯片，其设置于该基板，并与该基板电连接，其中该红外线感测芯片包含：
一第一热电堆感测元件，其接收一第一红外线以产生一第一感测信号；
一第二热电堆感测元件，其接收一第二红外线以产生一第二感测信号；
一硅基温度传感器，其感测一环境温度以产生一环境温度感测信号；以及
一信号处理器，其与该第一热电堆感测元件、该第二热电堆感测元件以及该硅基温度传感器电连接，以处理该第一感测信号、该第二感测信号以及该环境温度感测信号；
一盖体，其设置于该基板，且与该基板定义出一容置空间以容置该红外线感测芯片，该盖体包含一第一通孔、一遮蔽部以及一挡墙，其中该第一通孔对应于该第一热电堆感测元件，该遮蔽部对应于该第二热电堆感测元件，使该第二热电堆感测元件接收该遮蔽部所辐射的该第二红外线，以及该挡墙对应于该第一热电堆感测元件以及该第二热电堆感测元件之间；以及
一滤波片，其设置于该第一通孔的一端。
2.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该盖体为红外线无法穿透的材料。
3.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该盖体的材料为液晶聚合物。
4.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该盖体的一内表面以及一外表面设有一金属层。
5.如权利要求4所述的红外线温度传感器，其特征在于，该金属层的材料为铜、铝、镍、铬或不锈钢。
6.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该盖体包含一第二通孔以及一遮蔽元件，其中该第二通孔对应于该第二热电堆感测元件，且该遮蔽元件设置于该第二通孔的一端以作为该遮蔽部。
7.如权利要求6所述的红外线温度传感器，其特征在于，该遮蔽元件以及该滤波片的基材为相同材料。
8.如权利要求6所述的红外线温度传感器，其特征在于，该遮蔽元件包含一硅基材以及一遮蔽层，其设置于该硅基材的一表面。
9.如权利要求6所述的红外线温度传感器，其特征在于，该遮蔽元件以及该盖体以一导热胶接合。
10.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该滤波片以及该盖体以一导热胶接合。
11.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该盖体以及该基板以一导热胶接合。
12.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该第一热电堆感测元件、该第一通孔以及该滤波片为多个，且该多个滤波片的滤除波段相异。
13.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该挡墙至该红外线感测芯片的距离小于或等于100μm。
14.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该挡墙至该红外线感测芯片的距离介于25μm至100μm。
15.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该挡墙至该红外线感测芯片的距离介于50μm至75μm。
16.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该挡墙的宽度大于或等于0.1mm。
17.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该遮蔽部至该第二热电堆感测元件的距离大于或等于100μm。
18.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该遮蔽部至该第二热电堆感测元件的距离介于200μm至500μm。
19.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该信号处理器包含Sigma-Delta型式的模数转换器。
20.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该信号处理器包含16至24位元的Sigma-Delta型式的高精度模数转换器。
21.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该基板的材料为BT树脂或陶瓷。
22.如权利要求1所述的红外线温度传感器，其特征在于，该第一通孔的侧壁垂直该基板。
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