CN1122831C - 红外传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种红外传感器，其自身进行温度补偿其包括：衬底；在衬底上所形成的薄膜；在薄膜的区域上所形成的第一热电偶传感器，和第二热电偶传感器，在壳体中的红外滤波器；和反射器。

Description

红外传感器

技术领域

本发明涉及一种红外传感器，特别是涉及一种传感器，其中温度可以得到补偿。

背景技术

通常，检测温度与我们每天的生活是密切相关的，如空调和烹饪以及工业。温度检测是通过接触型或非接触型来进行的，其中普遍采用的是接触型的，非接触型的只是在接触型不可能的情况下用作辅助装置。例如，非接触型的使用只限于检测接触型的不能很容易进行检测的物体，如转动物体，移动物体，高温物体等。由于非接触型传感器很贵并且难以操作，所以接触型传感器的使用要比非接触型传感器更加广泛。然而，对于非接触型传感器的需求正在日益增加，特别是对于简单而且低成本辐射型传感器，其可在相对低温度下约0-300℃进行测量。由于这些非接触、辐射型传感器可以由简单的电路而构成，并且其所使用的红外传感器可以在目前低成本下获得，所以从成本的观点来看，辐射型传感器要比接触型传感器更为适用。在红外传感器中，存在光电型传感器，其可用以光电效应或光导电效应，和温度型传感器，如辐射热测量器，热电偶传感器和光电传感器，其采用的是由入射辐射的电子激发而引起的传感器电性能的变化，通常在所选择的波段内具有优异的灵敏度和快速响应能力。然而，光电型传感器具有的缺点在于，工艺技术还没有完全建立，并且传感器成本较高，并且必须在低于液氮的温度下进行操作才能获得所需的红外灵敏性。因此，为了将红外传感器用于商业和工业的目的，需要传感器可靠并且无须冷却。

目前，对于温度型传感器的研究正在迅速发展，其可以满足上述需要。该研究的结果，已经开发出各种传感器，其可以提供不能从外观图象中获知的物体的有用信息，其可以使用在许多场合中，如生产检查，工艺监测，以及非接触性和非破坏性试验。在用于这些传感器的传感器材料中，即使最优异的材料为(Hg，Cd)Te，由于工艺技术还不成熟，所以提供的均质衬底还存在问题。因此，对于热电偶传感器的研究正在进行，其可以解决上述问题，同时其可以由半导体工艺来制成。热电偶传感器是一种使用塞贝克效应来检测温度的传感器，其中两种不同的材料一端相接另一端打开，其可产生与接触端和打开端之间温差成正比的热电偶功率。热电偶传感器具有的优点在于，其表现出与DC辐射稳定响应的特性，响应宽范围的红外频谱，并且不需要偏压或偏流。热电偶传感器的操作原理基于Stefan-Boltzmann定律，即“每个物体辐射出的能量正比于物体绝对温度的四次方”。也就是说，P∝∈σT⁴，其中T是物体的绝对温度，P是由物体所辐射出的能量，以及∈是辐射率。总之，热电偶传感器可检测正比于T⁴的能量，用以检测温度。

图1表示入射到背景技术热电偶传感器的能量。如图所示，在入射到热电偶传感器1的能量中，有从测量物体2所辐射的能量A，有从测量物体2周围物体所辐射的能量B，其在测量物体2上反射并入射到热电偶传感器上，有在环境温度下由传感器封装体3所辐射的能量C，其入射到热电偶传感器1上，通过传感器封装体3热传导的能量D，和由热电偶传感器1本身所辐射的能量E。因此，在测量高温下的物体时，热电偶传感器可按照上述等式P∝∈σT⁴提供正比于测量物体温度T四次方的数值。然而，当测量低温下的物体时，热电偶传感器将不能按照上述等式P∝∈σT⁴提供正比于测量物体温度T四次方的数值，因为在Stefan-Bpltzmann定律下，不仅存在由测量物体2入射到热电偶传感器上的能量A，而且在相同定律下存在由热电偶传感器1本身所辐射的能量E。这可以表示为：P∝σ(∈T⁴+RTs⁴-To⁴)，其中To表示热电偶传感器本身的温度，Ts表示在测量物体周围的环境温度，和R是反射率。也就是说，在高温范围内，其中测量物体2的温度T大大高于热电偶本身的温度To(T》To)，在上式中的To⁴可以被忽略，以便测量所测物体2的温度，而在低温范围内，To⁴不能被忽略，因此所测物体2的温度就不能精确地加以测量。因此，为了补偿成分即To⁴，背景技术的热电偶传感器可带有一电路，其可用以检测并补偿传感器温度，或将其放置在恒温室中，以便保持传感器温度恒定。目前，广泛使用的是电路补偿。

图2和3分别示出了方框图和电路图，用以表示具有温度补偿的背景技术的热电偶传感器。

参见图2和3，具有温度补偿的背景技术的热电偶传感器具有热电偶传感器11，用以检测测量物体的温度，传感器放大部分12，用以放大来自热电偶传感器11的信号，温度补偿元件13，用以检测测量物体周围的环境温度，温度补偿部分14，用以放大来自温度补偿元件13的信号，加法放大器15，用以将传感器放大部分12和温度补偿部分14的信号加在一起，和恒定电压源16，用以将电源提供给传感器放大部分12，温度补偿部分14和加法放大器15。温度补偿元件13是由热敏电阻或二极管构成。因此，通过补偿测量物体周围的环境温度，就可以测量待测量物体的温度。

然而，具有温度补偿的背景技术的热电偶传感器存在下列问题。

首先，用于温度补偿的电路是复杂的，并且成本高。

其次，灵敏度应有意识地降低，以防止测量物体周围的物体的温度，包括测量物体的温度，在热电偶传感器具有高灵敏度时被检测。

发明内容

因此，本发明涉及一种红外传感器，其消除了因相关技术的限制和缺点而存在的一个或多个问题。

本发明的目的是提供一种红外传感器，其具有简单的系统和低的成本，可解决有意降低的灵敏度。

下面将进一步描述本发明的其他特征和优点，并且其部分将通过描述而更加清楚，或通过实施发明而知晓。本发明的目的和优点将通过说明书的描述和权利要求的限定以及附图中所指出的特定结构而实现和获得。

为了实现所描述和限定的本发明的目的以及这些和其他的优点，红外传感器包括：衬底；在衬底上所形成的薄膜；在薄膜的区域上所形成的第一热电偶传感器，用以检测由测量物体所发出的红外辐射和由测量物体以外区域所发出的红外辐射；在薄膜的区域上所形成的第二热电偶传感器，其与第一热电偶传感器连接，用以检测由测量物体以外区域所发出的红外辐射；壳体，用以保护包括第一和第二热电偶传感器的衬底正面；在壳体中的红外滤波器，其位于第一和第二热电偶传感器上，用以传递红外辐射；和反射器，用以将由测量物体所发出的红外辐射反射到第一热电偶传感器上。

红外传感器具有第一和第二热电偶传感器，其同极性相互串联而连接。

红外传感器具有第一和第二热电偶传感器，其以对称形式而形成。

应当知道，上述的一般描述和下述的详细描述是典型的实例，其试图提供对所要求保护的本发明作进一步的解释。

附图说明

表示本发明实施例并与说明书一起来说明本发明原理的附图部分是用以提供对本发明的进一步说明，其包含在说明书中并构成说明书的一部分，其中：

图1表示入射到背景技术的热电偶传感器中的能量；

图2是一框图，其表示具有温度补偿的背景技术的热电偶传感器；

图3是电路图，其表示具有温度补偿的背景技术的热电偶传感器；

图4是平面和截面图，其分别表示根据本发明优选实施例的红外传感器的结构；

图5表示本发明红外传感器封装的截面；

图6是曲线图，其表示本发明与背景技术的红外传感器的比较；

图7是框图，其表示根据本发明优选实施例的红外传感器；和

图8是电路图，其表示根据本发明优选实施例的红外传感器。

具体实施方式

现将参照附图对本发明的优选实施例进行详细的说明，该实施例示于附图中。图4分别是平面图和截面图，其表示根据本发明优选实施例的红外传感器的结构。

参照图4，红外传感器包括在硅衬底21的区域上的薄膜，热电偶传感器23，用以测量红外辐射，和热电偶传感器24，用以补偿温度，其对称地形成在薄膜22上。用以测量红外辐射的热电偶传感器23和用以补偿温度的热电偶传感器24的每个包括热电偶，其具有第一热电偶材料25和第二热电偶材料26，它们串联连接在衬底21和薄膜22上，垫片27在衬底21上并与热电偶连接，和在薄膜22上的黑体28，其是第一热电偶材料25和第二热电偶材料26的结，用以吸收红外辐射。第一和第二热电偶材料25和26是由相反极性大热电偶功率的不同材料制成。并且，用以检测红外辐射的热电偶传感器23和用以补偿温度的热电偶传感器24则将相同极性串联连接。也就是说，或是用以检测红外辐射的热电偶传感器23的第一热电偶材料25和用以补偿温度的热电偶传感器24的第一热电偶材料25的同极性相连接，或是用以检测红外辐射的热电偶传感器23的第二热电偶材料26和用以补偿温度的热电偶传感器24的第二热电偶材料26的同极性相连接，从而为传感器23和24提供相反的极性。

图5表示本发明红外传感器封装的截面图。

参见图5，红外传感器封装包括壳体29，用以保护衬底21的正面，其上对称地形成有用以测量红外辐射的热电偶传感器23和用以补偿温度的热电偶传感器24，在壳体29中在用以测量红外辐射的热电偶传感器23和用以补偿温度的热电偶传感器24上具有红外滤波器30，和反射器31，用以将由测量物体所发出的红外辐射向用以测量红外辐射的热电偶传感器23反射。红外滤波器30还形成在用以补偿温度的热电偶传感器24上，用以使由补偿温度的热电偶传感器24所发出的红外辐射本身透射到壳体外。

下面将描述本发明上述红外传感器的操作。

由测量物体所发出的红外辐射适于在反射器31上反射，其只反射到用以测量红外辐射的热电偶传感器23上，由测量物体以外区域所发出的红外辐射(由测量物体周围温度以及通过封装的热传导所发出的能量)适于射向用以测量红外辐射的热电偶传感器23和用以补偿温度的热电偶传感器24。然后，传感器23和24分别检测入射的红外辐射，以便补偿测量物体以外区域所发出的红外辐射，其只提供测量物体的温度成分。也就是说，由于相反极性的两个传感器23和24串联连接，所以用以补偿温度的热电偶传感器24的数值可从用以测量红外发射的热电偶传感器23的数值中减去，其只显示出测量物体的温度成分作为最终的输出。

图6是曲线图，其表示本发明与背景技术的红外传感器的比较，其中“A”是一条曲线，其表示本发明的红外传感器的输出，而“B”和“C”是两条曲线，其均表示背景技术的红外传感器的输出。“B”表示低灵敏度传感器的情况，而“C”表示高灵敏度传感器的情况。

参见图6，可以知道，“A”表示完成温度补偿的输出特性，与“B”和“C”相比，其与测量物体以外区域上所出现的温度变化无关。

图7和8分别是框图和电路图，其均表示根据本发明优选实施例的红外传感器，由其可以清楚地知道，与背景技术的红外传感器相比，红外传感器包括传感器放大部分，和恒定电压源，其只是不需要背景技术的温度补偿部分和加法放大器。

本发明的红外传感器具有下列优点。

首先，由于由红外传感器本身的温度补偿就不需要任何附加的温度补偿电路或加法放大器电路，所以电路可以简化，并且成本可以降低。

其次，在相同的芯片上形成了红外辐射检测传感器和温度补偿传感器，使本发明的红外传感器可保持高输出电压，并具有优异的补偿特性，由此解决了传感器灵敏度减低的背景技术的问题。

对于本技术领域的普通专业人员来说，在本发明的红外传感器的基础上进行各种变形和改型将是明显的，其均不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明试图覆盖发明的各种改型和变形以及等价物，使其落入本发明权利要求的限定范围。

Claims (3)

1.一种红外传感器，其包括：

衬底；

在衬底上所形成的薄膜；

在薄膜的区域上所形成的第一热电偶传感器，用以检测由测量物体所发出的红外辐射和由测量物体以外区域所发出的红外辐射；

在薄膜的区域上所形成的第二热电偶传感器，其与第一热电偶传感器连接，用以检测由测量物体以外区域所发出的红外辐射；

壳体，用以保护包括第一和第二热电偶传感器的衬底正面；

在壳体中的红外滤波器，其位于第一和第二热电偶传感器上，用以传递红外辐射；和

反射器，用以将由测量物体所发出的红外辐射反射到第一热电偶传感器上。

2.如权利要求1所述的红外传感器，其中第一和第二热电偶传感器是将相同极性相互串联连接的。

3.如权利要求1所述的红外传感器，其中第一和第二传感器是对称形成的。

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