CN112945397A - 一种红外热电堆传感器及红外体温计 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种红外热电堆传感器及红外体温计。该传感器包括封装结构、红外热电堆感测芯片以及滤光片，封装结构内具有容置空间，用于容置红外热电堆感测芯片，封装结构表面设置有第一开口，滤光片密封于第一开口上，封装结构内还设置有红外辐射挡板，红外辐射挡板位于红外热电堆感测芯片的入光侧，且设置有第二开口，第一开口和第二开口均位于红外热电堆感测芯片的红外光线的入射路径上，且第二开口小于或等于第一开口，红外辐射挡板用于阻挡封装结构本体产生的红外辐射，并透射由第一开口入射的红外辐射。本发明实现了减少封装结构本身的红外辐射的影响，提高在测温时探头受温度冲击后的测温精度，实现红外热电堆传感器的高稳定性。
Description
技术领域
本发明实施例涉及温度传感器的技术领域，尤其涉及一种红外热电堆传感器及红外体温计。
背景技术
红外热电堆传感器，作为红外体温计的核心器件，广泛应用于耳温枪与工业温度传感器。人体的温度以红外辐射的形式进入红外体温计，被红外热电堆传感器所接受，产生相应的电压信号输出，再由内置的MCU经运算处理后，在LED显示屏上显示出相应的人体温度值。所以，人体体温计探测人体温度的精度和稳定性基本上都需要依赖于红外热电堆传感器。
现有的热电堆传感器，如耳温枪，需要将装有红外热电堆传感器的探头塞入耳道，对准鼓膜进行测量。由于塞入耳道时，人体的体温会在短时间内对耳温枪探头部位进行接触式热传导和红外热辐射，产生对红外热电堆传感器的瞬时温度冲击。温度冲击会引发红外热电堆传感器的瞬时测温误差，从而极大的影响耳温枪的测温精度，当耳温枪塞入人耳时，红外热电堆传感器受热后其自身的温度升高，由于受温度冲击影响，短时间内红外热电堆传感器的测量误差很大，导致其自身出现“热休克”现象，不能准确的测出人体的真实温度。
发明内容
本发明实施例提供一种红外热电堆传感器及红外体温计，提高红外体温计在测温时探头受温度冲击后的测温精度，实现红外热电堆传感器的高稳定性。
第一方面，本发明实施例提供了一种红外热电堆传感器，包括封装结构、红外热电堆感测芯片以及滤光片；
所述封装结构内部具有容置空间，用于容置所述红外热电堆感测芯片；所述封装结构表面设置有第一开口，所述滤光片密封于所述第一开口上；
所述封装结构内部还设置有红外辐射挡板，所述红外辐射挡板位于所述红外热电堆感测芯片的入光侧；所述红外辐射挡板设置有第二开口，所述第一开口和所述第二开口均位于所述红外热电堆感测芯片的红外光线的入射路径上，且所述第二开口小于或等于所述第一开口；所述红外辐射挡板用于阻挡所述封装结构本体产生的红外辐射，并透射由所述第一开口入射的红外辐射。
可选地，所述封装结构包括基板以及装配在所述基板上的管帽，所述管帽与所述基板之间形成所述容置空间；
所述红外热电堆感测芯片设置在所述基板上；
所述管帽与所述基板对置的帽顶处设置有所述第一开口，所述滤光片通过环氧树脂胶密封粘结于所述管帽的帽顶内部并覆盖所述第一开口。
可选地，所述红外热电堆感测芯片位于所述第二开口在所述基板上的垂直投影中，所述第二开口在所述基板上的垂直投影位于所述第一开口在所述基板上的垂直投影中。
可选地，所述环氧树脂胶在所述红外辐射挡板所在平面的垂直投影位于所述红外辐射挡板所在的区域中。
可选地，所述红外辐射挡板通过焊接、机械加工或一体注塑成型的方式固定于所述管帽的内壁上。
可选地，所述红外辐射挡板采用可伐合金制备形成。
可选地，还包括信号处理器，所述信号处理器与所述红外热电堆感测芯片电连接，所述信号处理器接收所述红外热电堆感测芯片感测到的红外辐射信号并转换为温度信号。
可选地，所述管帽的材料为液晶聚合物。
可选地，所述基板的材料为BT树脂或陶瓷。
第二方面，本发明实施例还提供了一种红外体温计，包括上述第一方面中所述的红外热电堆传感器。
本发明实施例提供的红外热电堆传感器，包括封装结构、红外热电堆感测芯片以及滤光片，其中，封装结构内部具有容置空间，用于容置红外热电堆感测芯片，封装结构表面设置有第一开口，滤光片密封于第一开口上，封装结构内部还设置有红外辐射挡板，红外辐射挡板位于红外热电堆感测芯片的入光侧，红外辐射挡板设置有第二开口，第一开口和第二开口均位于红外热电堆感测芯片的红外光线的入射路径上，且第二开口小于或等于第一开口，红外辐射挡板用于阻挡封装结构本体产生的红外辐射，并透射由第一开口入射的红外辐射。本实施例通过在封装结构内部的容置空间设置一红外辐射挡板，利用该红外辐射挡板阻挡封装结构内部类似封装胶的物质发热并发射的一定量的红外辐射，避免该部分红外辐射对温度测量产生影响，并由红外辐射挡板透射由封装结构的第一开口入射的红外辐射，最后由红外热电堆感测芯片探测该红外辐射并采集后产生相应的电动势，因此，可以实现减少封装结构本身的红外辐射的影响，提高红外体温计在测温时探头受温度冲击后的测温精度，实现红外热电堆传感器的高稳定性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的内部结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种红外体温计的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明具体实施例作进一步的详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种温度补偿红外热电堆传感器及红外体温计的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
图1为本发明实施例提供的一种红外热电堆传感器的内部结构示意图。如图1所示，该传感器包括封装结构110、红外热电堆感测芯片120以及滤光片130，封装结构110内部具有容置空间111，用于容置红外热电堆感测芯片120，封装结构110表面设置有第一开口A1，滤光片130密封于第一开口A1上，封装结构110内部还设置有红外辐射挡板112，红外辐射挡板112位于红外热电堆感测芯片120的入光侧，红外辐射挡板112设置有第二开口A2，第一开口A1和第二开口A2均位于红外热电堆感测芯片120的红外光线的入射路径上，且第二开口A2小于或等于第一开口A1，红外辐射挡板112用于阻挡封装结构10本体产生的红外辐射，并透射由第一开口A1入射的红外辐射。
其中，热电堆是一种由两个或多个热电偶串接组成的热释红外线器件，它在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，常用于温度检测器件。通常情况下，红外热电堆传感器利用红外热电堆芯片将吸收的红外辐射转化为热能，并把温度变化值转化为电子信号，放大显示出来。热电堆作为一种非接触红外测温传感器，不需要直接接触被测物体就可以快速测得物体表面温度，可以测量高温的、危险的或移动的物体，且不会污染或损坏被测物体。
需要说明的是，当红外辐射挡板112上的第二开口A2等于封装结构110表面设置的第一开口A1时，红外辐射挡板112上的第二开口A2能够阻挡更多封装结构本体的红外辐射，保证有效遮挡。
具体的，参照图1，红外热电堆感测芯片120和滤光片130设置于封装结构110内部，滤光片130用于过滤非人体波段的红外光线，减少一些对热电堆传感器产生的干扰信号。在本实施例中，以该传感器运用在耳式体温计为例进行说明。在实际红外体温测量时，由于探头塞入耳道，通常红外热电堆传感器的探头受人体耳道接触以及红外热辐射影响先受热，并且由于在该结构封装时存在类似封装胶的物质，该类物质通常自身具备较强的红外辐射，当红外热电堆传感器的探头受热后首先将温度传递到类似封装胶的物质，使该类物质发热并发射一定量的红外辐射，在本实施例中，利用红外辐射挡板112阻挡封装结构110中由上述所述的类似封装胶的物质发热并发射的一定量的红外辐射，避免该部分红外辐射对温度测量产生影响，并由红外辐射挡板透射由封装结构110的第一开口A1入射的红外辐射，由红外热电堆感测芯片120探测该红外辐射并采集后产生相应的电动势，因此，可以实现减少封装结构本身的红外辐射的影响，减少了在封装结构110中存在其他物质产生红外辐射时的测温误差。
另外需要说明的是，红外热电堆感测芯片120探测到的红外辐射信号可以传输至该传感器中的信号处理单元，由该信号处理单元转换为相应的温度值输出至类似体温计的外部反馈单元，例如，该反馈单元可以是体温计上的数字显示单元或其他，本实施例中对此不做限定。
需要说明的是，在本实施例中，红外辐射挡板112为环形结构，其具体形状取决于管帽150的形状。
表1为现有技术中公开的红外热电堆传感器与本发明实施例提供的红外热电堆传感器的各项参数的比较。红外热电堆芯片的温度测量误差在±0.2℃内。
表1
从表1中可以看出，现有技术公开的红外热电堆传感器中，若封装结构中粘结滤光片的环氧树脂胶的红外发射率为ε＝0.94，红外热电堆传感器的探头受温度冲击，将温度传递到环氧树脂胶，该环氧树脂胶发热并发射一定量的红外辐射，由于环氧树脂胶本身具备一定的红外辐射，因此会产生一初始温差红外辐射，可得到该温差红外辐射的功率Φ0＝0.25(uW)，该环氧树脂胶的实际红外辐射功率为Φ＝ε·Φ0，即Φ＝＝0.235(uW)，该封装结构内红外热电堆感测芯片的响应率，即输入-输出增益都为60(V/W)，因此，产生的误差电动势U＝Φ·Rv＝ε·Φ0·Rv，计算得U＝14.1(uV)，该封装结构内红外热电堆感测芯片的灵敏度也为固定值，用S表示，S＝50(uV/℃)，则该传感器最终的测温误差可由Terror表示，Terror＝U/S，计算得Terror＝0.282℃。
需要说明的是，在红外体温计的技术领域，红外体温计的误差允许范围为±0.2℃。上述计算所得的现有技术中红外热电堆传感器的测温误差大于红外体温计±0.2℃的误差允许范围，因此，该红外热电堆传感器处于非正常工作状态，在本领域内，属于“热休克”范畴，可能会导致不能准确的测出人体的真实温度。
继续参考表1的数据，可以看出本实施例提供的红外热电堆传感器计算的到的测温误差为T’error＝0.03℃，该数据表明本实施例提供的红外热电堆传感器处于正常工作状态，能够满足当红外体温计在测温时探头受温度冲击后的实际应用，能够准确的测出人体的真实温度，利用该传感器测温有效提高了测温精度。
本实施例提供的红外热电堆传感器，包括封装结构、红外热电堆感测芯片以及滤光片，封装结构内部具有容置空间，用于容置红外热电堆感测芯片，封装结构表面设置有第一开口，滤光片密封于第一开口上，封装结构内部还设置有红外辐射挡板，红外辐射挡板位于红外热电堆感测芯片的入光侧，红外辐射挡板设置有第二开口，第一开口和第二开口均位于红外热电堆感测芯片的红外光线的入射路径上，且第二开口小于或等于第一开口，红外辐射挡板用于阻挡封装结构本体产生的红外辐射，并透射由第一开口入射的红外辐射。本实施例通过在封装结构内部的容置空间设置一红外辐射挡板，利用该红外辐射挡板阻挡封装结构内部类似封装胶的物质发热并发射的一定量的红外辐射，避免该部分红外辐射对温度测量产生影响，并由红外辐射挡板透射由封装结构的第一开口入射的红外辐射，最后由红外热电堆感测芯片探测该红外辐射并采集后产生相应的电动势，因此，可以实现减少封装结构本身的红外辐射的影响，提高红外体温计在测温时探头受温度冲击后的测温精度，实现红外热电堆传感器的高稳定性。
可选地，继续参照图1，封装结构110包括基板140以及装配在基板140上的管帽150，管帽150与基板140之间形成容置空间111，红外热电堆感测芯片120设置在基板140上，管帽150与基板140对置的帽顶处设置有第一开口A1，滤光片130通过环氧树脂胶160密封粘结于管帽150的帽顶内部并覆盖第一开口A1。
其中，环氧树脂胶160主要由环氧树脂和固化剂两大部分聚合而成，含有多种极性基团和活性很大的环氧基，其具备良好的防水、耐油、耐强酸强碱及自身红外发射率较高的特性。管帽150设置于基板140上，且与基板140定义出一容置空间111，使红外热电堆感测芯片120设置于管帽150与基板140之间的容置空间111。在其他一些实施例中，管帽150可以以导热胶固设于基板140上，导热胶可以降低管帽150与基板140之间的热阻。
具体的，红外热电堆感测芯片120设置在基板140上，并与基板140电连接。在一些实施例中，该芯片可以通过导电接点以及引线与基板140上的导电点连接，实现电连接，该芯片也可以通过导热胶固设于基板140上(图中均未显示)，本实施例中对此不做限定。
可选地，继续参照图1，红外热电堆感测芯片120位于第二开口A2在基板140上的垂直投影中，第二开口A2在基板140上的垂直投影位于第一开口A1在基板140上的垂直投影中。
具体的，滤光片130通过环氧树脂胶160粘接于封装结构110内部且位于管帽150的帽顶内部，通过封装的方法，将红外热电堆感测芯片120设置于基板140上第一开口A1与第二开口A2在垂直方向上的投影重合的位置，有利于在红外辐射挡板112阻挡封装结构110中环氧树脂胶160发热并发射的一定量的红外辐射，并透射由封装结构110的第一开口A1入射的红外辐射后，由红外热电堆感测芯片120直接探测该红外辐射并采集后产生相应的电动势，进一步减少封装结构本身的红外辐射的影响，减少了在封装结构110中存在其他物质产生红外辐射时的测温误差。
可选地，继续参照图1，环氧树脂胶160在红外辐射挡板112所在平面的垂直投影位于红外辐射挡板112所在的区域中。
其中，在本实施例中，红外辐射挡板112阻挡封装结构110中由环氧树脂胶160发热并发射的一定量的红外辐射，为了使环氧树脂胶160实际发生的红外辐射能够被红外辐射挡板112完全阻挡，提高透射由封装结构110的第一开口A1入射的红外辐射量，使环氧树脂胶160在红外辐射挡板112所在平面的垂直投影位于红外辐射挡板112所在的区域中，使红外辐射挡板112能够完全阻挡环氧树脂胶160产生的红外辐射，从而达到减少测温误差的目的。
需要说明的是，该红外辐射挡板112上未设置类似环氧树脂胶160的物质。
可选地，红外辐射挡板通过焊接、机械加工或一体注塑成型的方式固定于管帽的内壁上。
其中，一体注塑成型加工工艺是在一定温度下，通过螺杆搅拌完全熔融，用高压枪射入容置空间内，经冷却固化后，得到该红外辐射挡板，其具备较大的锁模力，制造成本较低的优点。该工艺以及焊机、机械加工工艺比传统的传感器封装结构中的加工工艺中使用的成本较低，并且在实际工作中可以实现红外热电堆传感器的高稳定性。
可选地，红外辐射挡板采用可伐合金制备形成。
其中，可伐合金是一种封接合金，该合金在20～450℃范围内具有与硬玻璃相近的线膨胀系数和相应的硬玻璃能进行有效封接匹配，和较高的居里点以及良好的低温组织稳定性，合金的氧化膜致密，容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，可伐合金因为含钴成分，产品比较耐磨。并且在650～1000℃高温下有较高的强度与一定的抗氧化腐蚀能力，由于足够高的高温强度与抗氧化腐蚀能力，所以常用于制造航空发动机叶片和火箭发动机、能源转换设备上的高温零部件。
需要说明的是，利用可伐合金的优点，当红外辐射挡板采用可伐合金时，其最终能够更好地阻挡封装结构中环氧树脂胶发热并发射的一定量的红外辐射，并透射由封装结构的第一开口入射的红外辐射，减少了在封装结构中存在其他物质产生红外辐射时的测温误差。
可选地，继续参照图1，该传感器还包括信号处理器170，信号处理器170与红外热电堆感测芯片120电连接，信号处理器170接收红外热电堆感测芯片120感测到的红外辐射信号并转换为温度信号。
如上述所述，红外热电堆感测芯片120用于采集外部的红外辐射信号，并将采集到的红外辐射信号可以传输至该信号处理器170中，由该信号处理器170将红外辐射信号转换为相应的温度信号，最终输出至类似体温计的外部反馈单元中。
需要说明的是，该信号处理器170中在对信号处理时，需包含信号放大单元、数字滤波单元、模数转换单元、存储器及程序控制器等单元，用于对上述两个芯片采集到的红外辐射信号予以放大后经模数转换单元转换为数字信号，再由数字滤波单元处理呼将结构存储于存储器中，便于温度补偿参考芯片对红外热电堆感测芯片的红外辐射信号进行补偿。以上的信号处理器170的电路设计为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
可选地，管帽的材料为液晶聚合物。
其中，液晶聚合物(Liquid crystal polymer，LCP)是一种介于固体结晶和液体之间的中间状态聚合物，其分子排列具备一定的一维或二维的有序性，是一种新型的高分子材料，具备优异的耐热性和成型加工性能。利用这些特性，有利于增强本实施例提供的温度补偿红外热电堆传感器的封装效果。
可选地，基板的材料为BT树脂或陶瓷。
其中，BT树脂具备毒性低、皮肤刺激性低及具备很好地饿加工工艺性用做红外体温传感器中的基板材料时，保证了对活体进行测温时的安全性。
依据上述结构，本发明实施例提供的红外热电堆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。
图2为本发明实施例提供的一种红外体温计的结构示意图。如图2所示，该红外体温计210包括上述任意实施例提供的温度补偿红外热电堆传感器220。
由于本实施例提供的红外体温计210包括本发明实施例提供的任意的温度补偿红外热电堆传感器220，其具有温度补偿红外热电堆传感器220相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种红外热电堆传感器，其特征在于，包括封装结构、红外热电堆感测芯片以及滤光片；
所述封装结构内部具有容置空间，用于容置所述红外热电堆感测芯片；所述封装结构表面设置有第一开口，所述滤光片密封于所述第一开口上；
所述封装结构内部还设置有红外辐射挡板，所述红外辐射挡板位于所述红外热电堆感测芯片的入光侧；所述红外辐射挡板设置有第二开口，所述第一开口和所述第二开口均位于所述红外热电堆感测芯片的红外光线的入射路径上，且所述第二开口小于或等于所述第一开口；所述红外辐射挡板用于阻挡所述封装结构本体产生的红外辐射，并透射由所述第一开口入射的红外辐射。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述封装结构包括基板以及装配在所述基板上的管帽，所述管帽与所述基板之间形成所述容置空间；
所述红外热电堆感测芯片设置在所述基板上；
所述管帽与所述基板对置的帽顶处设置有所述第一开口，所述滤光片通过环氧树脂胶密封粘结于所述管帽的帽顶内部并覆盖所述第一开口。
3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述红外热电堆感测芯片位于所述第二开口在所述基板上的垂直投影中，所述第二开口在所述基板上的垂直投影位于所述第一开口在所述基板上的垂直投影中。
4.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述环氧树脂胶在所述红外辐射挡板所在平面的垂直投影位于所述红外辐射挡板所在的区域中。
5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述红外辐射挡板通过焊接、机械加工或一体注塑成型的方式固定于所述管帽的内壁上。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述红外辐射挡板采用可伐合金制备形成。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括信号处理器，所述信号处理器与所述红外热电堆感测芯片电连接，所述信号处理器接收所述红外热电堆感测芯片感测到的红外辐射信号并转换为温度信号。
8.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述管帽的材料为液晶聚合物。
9.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述基板的材料为BT树脂或陶瓷。
10.一种红外体温计，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的红外热电堆传感器。
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