CN112945398A - 一种温度补偿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温度补偿红外热电堆传感器及红外体温计。该传感器包括封装结构、红外热电堆芯片以及滤光片，其中，红外热电堆芯片包括红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片，封装结构内部具有容置空间，用于容置上述两个芯片，滤光片设置于封装结构的开口处，并位于入射至红外热电堆感测芯片的红外光线的路径上，红外热电堆感测芯片用于采集外部的红外辐射信号，温度补偿参考芯片用于采集封装结构的红外辐射信号，并对红外热电堆感测芯片的红外辐射信号进行补偿，利用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，能够准确的测出人体的真实温度，降低了红外热电堆传感器的测量误差，有效提高了测温精度。
Description
技术领域
本发明实施例涉及温度传感器的技术领域，尤其涉及一种温度补偿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温度补偿红外热电堆传感器及红外体温计，在当红外体温计在测温时探头受温度冲击后，利用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，降低了红外热电堆传感器的测量误差，有效提高了测温精度。
第一方面，本发明实施例提供了一种温度补偿红外热电堆传感器，包括封装结构、红外热电堆芯片以及滤光片；
所述红外热电堆芯片包括红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片；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和所述温度补偿参考芯片；所述滤光片设置于所述封装结构的开口处，并位于入射至所述红外热电堆感测芯片的红外光线的路径上；
所述红外热电堆感测芯片用于采集外部的红外辐射信号，所述温度补偿参考芯片用于采集所述封装结构的红外辐射信号，并对所述红外热电堆感测芯片的红外辐射信号进行补偿。
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和所述温度补偿参考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开口。
可选地，所述红外热电堆感测芯片位于所述滤光片在所述基板上的垂直投影中，所述温度补偿参考芯片位于所述滤光片在所述基板的垂直投影外。
可选地，所述传感器还包括信号处理器，所述信号处理器分别与所述红外热电堆感测芯片和所述温度补偿参考芯片电连接，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，以及接收所述温度补偿参考芯片根据所述红外热电对感测芯片的输出值进行的温度补偿信号。
可选地，所述红外热电堆感测芯片包括第一金属线，所述温度补偿参考芯片包括第二金属线，所述第一金属线和所述第二金属线均与所述信号处理器的输入端电连接。
可选地，还包括第三金属线，所述红外热电堆感测芯片和所述温度补偿参考芯片均与所述第三金属线的同一端电连接，所述第三金属线的另一端接地。
可选地，所述红外热电堆芯片的温度测量误差在±0.2℃内。
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温度补偿红外热电堆传感器。
本发明实施例提供的温度补偿红外热电堆传感器，包括封装结构、红外热电堆芯片以及滤光片，其中，红外热电堆芯片包括红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片，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和温度补偿参考芯片，滤光片设置于封装结构的开口处，并位于入射至红外热电堆感测芯片的红外光线的路径上，红外热电堆感测芯片用于采集外部的红外辐射信号，温度补偿参考芯片用于采集封装结构的红外辐射信号，并对红外热电堆感测芯片的红外辐射信号进行补偿。本实施例将红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片集成于红外热电堆芯片中，在当红外体温计在测温时探头受温度冲击后，利用温度补偿参考芯片采集到的封装结构内的红外辐射信号，对红外热电堆感测芯片采集到的来自外部的红外辐射和环氧树脂胶本身发出的红外辐射信号进行补偿，降低了红外热电堆传感器的测量误差，有效提高了测温精度。
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温度补偿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热电堆芯片的结构示意图；
图3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温度补偿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、红外热电堆芯片120以及滤光片130，红外热电堆芯片120包括红外热电堆感测芯片121和温度补偿参考芯片122，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121和温度补偿参考芯片122，滤光片130设置于封装结构110的开口处，并位于入射至红外热电堆感测芯片121的红外光线的路径上，红外热电堆感测芯片121用于采集外部的红外辐射信号，温度补偿参考芯片122用于采集封装结构110的红外辐射信号，并对红外热电堆感测芯片121的红外辐射信号进行补偿。
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120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，红外热电堆感测芯片121和温度补偿参考芯片122可通过MEMS加工工艺集成在红外热电堆芯片120中，MEMS工艺为本领域技术人员所公知的技术，此处不做详细说明。
具体的，参照图1，红外热电堆芯片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。在实际红外测量体温时，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，红外热电堆感测芯片121探测到该红外辐射并采集后产生相应的电动势。由于类似封装胶的物质受热后传递到红外热电堆感测芯片121，换言之，该芯片所探测的人体耳道中的红外热辐射中，引入了封装结构温度改变时产生的热辐射，因此，使得红外热电堆感测芯片121经过标定后产生的电动势存在差异，该差异会导致红外热电堆传感器在测温时产生测量误差。
在本实施例中，参照图1，温度补偿参考芯片122与红外热电堆感测芯片121共同设置于封装结构110内部，由红外热电堆感测芯片121采集外部的红外辐射信号，由温度补偿参考芯片122采集该封装结构110内部存在的类似封装胶等物质产生的红外辐射信号，且在当红外热电堆感测芯片121标定后产生的电动势存在差异时，温度补偿参考芯片122可将采集到的红外辐射信号作为红外热电堆感测芯片121的输出值的温度补偿，提高了温度计的整体测温精度。
需要说明的是，温度补偿参考芯片122补偿后的最终温度值输出至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。
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温度补偿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含有温度补偿参考芯片的红外热电堆传感器计算得到的测温误差为T’error＝0.141℃，该数据表明本实施例提供的含有温度补偿参考芯片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。
本实施例提供的温度补偿红外热电堆传感器，包括封装结构、红外热电堆芯片以及滤光片，其中，红外热电堆芯片包括红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片，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和温度补偿参考芯片，滤光片设置于封装结构的开口处，并位于入射至红外热电堆感测芯片的红外光线的路径上，红外热电堆感测芯片用于采集外部的红外辐射信号，温度补偿参考芯片用于采集封装结构的红外辐射信号，并对红外热电堆感测芯片的红外辐射信号进行补偿。本实施例将红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片集成于红外热电堆芯片中，在当红外体温计在测温时探头受温度冲击后，利用温度补偿参考芯片采集到的封装结构内的红外辐射信号，对红外热电堆感测芯片采集到的来自外部的红外辐射和环氧树脂胶本身发出的红外辐射信号进行补偿，降低了红外热电堆传感器的测量误差，有效提高了测温精度。
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121和温度补偿参考芯片122设置在基板140上，管帽150与基板140对置的帽顶处设置有开口，滤光片130通过环氧树脂胶160密封粘结于管帽150的帽顶内部并覆盖开口。
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121和温度补偿参考芯片122设置在基板140上，并与基板140电连接。其中，在一些实施例中，两个芯片可以通过导电接点以及引线与基板140上的导电接点连接，实现电连接，两个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121位于滤光片130在基板140上的垂直投影中，温度补偿参考芯片122位于滤光片130在基板140的垂直投影外。
其中，滤光片130通过环氧树脂胶160粘结于封装结构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121设置于基板140上与滤光片130在垂直方向上的投影重合的位置，将温度补偿参考芯片122设置于滤光片130恰好在垂直方向上投影之外的位置。参考图1，该温度补偿参考芯片122位于靠近封装结构110内侧壁的位置，因红外热电堆感测芯片121和温度补偿芯片122集成于一个芯片中，当红外热电堆感测芯片121与滤光片130在垂直方向上对应设置时，温度补偿参考芯片122自然处于滤光片130在垂直方向上的投影之外的区域。
具体的，由于本实施例中，利用环氧树脂胶160粘接滤光片130及管帽150，且位于封装结构110的开口处，当温度补偿参考芯片122位于滤光片130在基板140的垂直投影外时，参考图1中封装结构110内红外辐射的辐射方向，该温度补偿参考芯片122不接收外部的红外辐射，只探测封装结构110内部来自环氧树脂胶160本身发出的红外辐射。当红外热电堆传感器作为耳式温度计采集人体温度时，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，率先受热，并且受到封装结构110内环氧树脂胶160本身发出的红外辐射的影响，由于红外热电堆传感器的探头受热后首先将温度传递到环氧树脂胶160，并发射一定量的红外辐射，红外热电堆感测芯片121探测到该红外辐射并采集后产生相应的电动势，利用温度补偿参考芯片采集到的封装结构内的红外辐射信号，对红外热电堆感测芯片采集到的来自外部的红外辐射和环氧树脂胶本身发出的红外辐射信号进行补偿，从而使整个红外热电堆传感器减少测温误差，提高测量时的精度。
需要说明的是，红外热电堆感测芯片121和温度补偿参考芯片122集成于红外热电堆芯片120中，并设置于基板140上，在其他一些实施例中，温度补偿参考芯片122也可以设置在其他位置，只需保证其设置于滤光片130在基板140的垂直投影外且与红外热电堆感测芯片121集成于红外热电堆芯片120中即可。
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分别与红外热电堆感测芯片121和温度补偿参考芯片122电连接，信号处理器170接收红外热电堆感测芯片121感测到的红外辐射信号，以及接收温度补偿参考芯片122根据红外热电对感测芯片的输出值进行的温度补偿信号。
如上述所述，红外热电堆感测芯片121用于采集外部的红外辐射信号，温度补偿参考芯片122用于采集封装结构110的红外辐射信号，并对红外热电堆感测芯片121的红外辐射信号进行补偿，红外热电堆感测芯片121与温度补偿参考芯片122均将采集到的信号传输至信号处理器中170放大后处理，由信号处理器170根据接收到红外辐射信号判断是否需要根据外热电对感测芯片的红外辐射信号进行的温度补偿信号。
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，图2为本发明实施例提供的一种红外热电堆芯片的结构示意图。如图2所示，红外热电堆感测芯片121包括第一金属线S1，温度补偿参考芯片122包括第二金属线S2，第一金属线S1和第二金属线S1均与信号处理器的输入端电连接。
其中，第一金属线S1用于引出红外热电堆感测芯片121的输出信号，第二金属线S2用于引出温度补偿参考芯片122的输出信号，并将该第一金属线S1和第二金属线S1均与上述信号处理器连接，便于将采集到的红外辐射信号传输至信号处理器进行信号处理。
需要说明的是，引线与信号处理器的连接方式，是本领域的技术人员所熟知的内容，在此不再赘述。
可选地，继续参照图2，该红外热电堆芯片还包括第三金属线S3，红外热电堆感测芯片121和温度补偿参考芯片122均与第三金属线S3的同一端电连接，第三金属线S3的另一端接地。
其中，红外热电堆感测芯片121和温度补偿参考芯片122利用第三金属线S3集成于红外热电堆芯片中，且两个芯片共同接地。
一般在电路设计中，由于芯片一般都是有源器件，需要加电源，引入接地一方面可以定义为接入低电平信号，另一方面，两个芯片接地可以有效避免当存在静电时烧毁芯片，以及将干扰信号或者波纹接入地，提高芯片的抗干扰能力。
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温度补偿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3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3所示，该红外体温计310包括上述任意实施例提供的温度补偿红外热电堆传感器320。
由于本实施例提供的红外体温计310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320，其具有温度补偿红外热电堆传感器320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)
1.一种温度补偿红外热电堆传感器，其特征在于，包括封装结构、红外热电堆芯片以及滤光片；
所述红外热电堆芯片包括红外热电堆感测芯片和温度补偿参考芯片；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和所述温度补偿参考芯片；所述滤光片设置于所述封装结构的开口处，并位于入射至所述红外热电堆感测芯片的红外光线的路径上；
所述红外热电堆感测芯片用于采集外部的红外辐射信号，所述温度补偿参考芯片用于采集所述封装结构的红外辐射信号，并对所述红外热电堆感测芯片的红外辐射信号进行补偿。
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和所述温度补偿参考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滤光片在所述基板上的垂直投影中，所述温度补偿参考芯片位于所述滤光片在所述基板的垂直投影外。
4.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，所述信号处理器分别与所述红外热电堆感测芯片和所述温度补偿参考芯片电连接，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，以及接收所述温度补偿参考芯片根据所述红外热电对感测芯片的输出值进行的温度补偿信号。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述红外热电堆感测芯片包括第一金属线，所述温度补偿参考芯片包括第二金属线，所述第一金属线和所述第二金属线均与所述信号处理器的输入端电连接。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括第三金属线，所述红外热电堆感测芯片和所述温度补偿参考芯片均与所述第三金属线的同一端电连接，所述第三金属线的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述红外热电堆芯片的温度测量误差在±0.2℃内。
8.根据权利要求1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1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任一项所述的温度补偿红外热电堆传感器。
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