CN113494965A - 红外线温度感测器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外线温度感测器，包含一基板、一红外线感测单元以及一环境温度感测元件。红外线感测单元设置于基板上，用以接收一标的物所辐射的一红外线并转换为一第一感测信号。环境温度感测元件设置于基板上且相邻于红外线感测单元。环境温度感测元件用以感测一环境温度并转换为一第二感测信号，其中环境温度感测元件包含至少一萧特基二极管。上述红外线温度感测器的环境温度感测元件具有较佳的线性特性，因此能在室温环境下校正并于较广的工作范围精确量测温度。

Description

红外线温度感测器

技术领域

本发明是有关一种温度感测器，特别是一种红外线温度感测器。

背景技术

红外线温度感测器已经广泛应用于耳温枪等非接触式量测温度的产品。现有的一种红外线温度感测器是由一个热电堆感测晶片搭配一个量测环温度的热敏电阻，并封装于金属壳所构成，例如TO-5封装或TO-46封装等。由于热敏电阻的阻值会在低温时骤升，因此其大多在室温环境下(例如5-35℃)工作。若需在低温环境下工作，热敏电阻需要多点校正才能够测得较精确的环境温度进行补偿演算。然而，低温环境下(例如小于-2℃)有黑体结露的问题，这导致多点校正热敏电阻有其困难且校正成本增加甚多，因此，传统的红外线温度感测器对于急速冷冻而要精确测温的场合无法满足±0.2℃精度的要求。

热敏电阻的温度变化率约30mV/℃，对于有效的12位(实际精度14位)的模拟至数字转换器而言，其解析度约0.8mV，因此热敏电阻的温度解析度约±0.025℃。而另一种整合晶片的测温方法是采用双极晶体管(BJT)的基极(Base)与射极(Emitter)构成的二极管，其温度系数约-2.5mV/℃。然而，此架构的温度变化率无法满足高精度测温的要求，其温度解析度约为±0.5至1℃之间，故限制了温度感测器的应用范围，例如无法取代热敏电阻应用于耳温枪或额温枪。

有鉴于此，提供一种可在室温环境下校正且于低温环境下精确量测温度的红外线温度感测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感测器，其是以至少一萧特基二极管作为一环境温度感测元件。由于萧特基二极管对于温度变化具有较佳的线性特性，因此，萧特基二极管可在室温环境下校正，且能延伸至低温环境下工作并精确量测温度。

本发明一实施例的红外线温度感测器包含一基板、一红外线感测单元以及一环境温度感测元件。红外线感测单元设置于基板上，用以接收一标的物所辐射的一红外线并转换为一第一感测信号。环境温度感测元件设置于基板上且相邻于红外线感测单元。环境温度感测元件用以感测一环境温度并转换为一第二感测信号，其中环境温度感测元件包含至少一萧特基二极管，且第二感测信号用以补偿第一感测信号，以得到标的物的一感测温度。

以下通过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为显示本发明一实施例的红外线温度感测器的一示意图；

图2为显示本发明一实施例的红外线温度感测器的等效电路的一示意图；

图3为显示本发明一实施例的红外线温度感测器的萧特基二极管结构的一示意图；

图4为显示本发明一实施例的红外线温度感测器的萧特基二极管的布局结构的一示意图；

图5为显示本发明一实施例的红外线温度感测器的萧特基二极管阵列的温度特性的一示意图；

图6为显示本发明一实施例的红外线温度感测器的信号处理单元的一示意图。

符号说明

10 基板

11 红外线感测单元

111 热端

112 冷端

12a、12b、12c、12d 萧特基二极管阵列

13a、13b 导电接点

14a、14b 导电接点

15 信号处理单元

151 信号放大器

152 微控制器

153 非易失性存储器

154 通信接口

20 P型硅基板

201 P+接点区

21 N型阱

211a、211b N+接点区

22 萧特基二极管的界面

23 导电接点

24a、24b 导电接点

25 导电接点

MCU 外部控制器

R 电阻

SS1 第一感测信号

SS2 第二感测信号

TP 感测温度

Vdd 电源

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。除了这些详细说明的外，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，图式仅为示意之用，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，本发明的一实施例的红外线温度感测器包含一基板10、一红外线感测单元11以及一环境温度感测元件。基板10可为一硅基板。红外线感测单元11设置于基板10上，用以接收一标的物所辐射的一红外线并转换为一第一感测信号。红外线感测单元11的等效电路如图2所示，举例而言，红外线感测单元11所产生的第一感测信号可经由导电接点14a、14b输出至外部。于一实施例中，红外线感测单元11可为一热电堆感测单元，其包含一热端111以及至少一冷端112。热端111可由一浮板实现；连接浮板的连接臂的另一端作为冷端112。热电堆感测单元的详细结构为本发明所属技术领域的技术人员所熟知，在此不在赘述。

环境温度感测元件亦设置于基板10上且相邻于红外线感测单元11。举例而言，环境温度感测元相邻于热电堆感测单元的冷端。环境温度感测元件用以感测一环境温度并转换为一第二感测信号，后续依据环境温度感测元件所产生的第二感测信号补偿红外线感测单元11所输出第一感测信号，即可得到较为精准的标的物的一感测温度。于一实施例中，环境温度感测元件包含至少一萧特基二极管(Schottky diode)。举例而言，于图1所示的实施例中，环境温度感测元件包含四个彼此串联的萧特基二极管阵列12a、12b、12c、12d，其中每一萧特基二极管阵列12a、12b、12c、12d可包含一个或多个彼此串联的萧特基二极管。环境温度感测元件的等效电路如图2所示，其中环境温度感测元件(即12a、12b、12c、12d)随着环境温度所产生的电压变化可经由导电接点13a、13b输出至外部。于一实施例中，环境温度感测元件包含2至40个彼此串联的萧特基二极管，较佳者，环境温度感测元件包含20至30个彼此串联的萧特基二极管。

请再参照图2，于一实施例中，于萧特基二极管阵列的一端(例如高压端)串接一电阻R，可调整电源Vdd输出后流经电阻R的偏流，进而改变萧特基二极管阵列的偏压。举例而言，电阻R的电阻范围可为100K至1M欧姆，萧特基二极管阵列的偏压则可在0.6-1.8V之间。可以理解的是，连接适当的恒流源亦可使萧特基二极管阵列的偏压调整在适当的工作范围。

请参照图3，以说明本发明的红外线温度感测器的萧特基二极管的结构。首先，在P型硅基板20上制备一个N型阱(N-Well)21。在N型阱21中制备N+接点区211a、211b作为萧特基二极管的阴极，并以导电接点24a、24b(例如铝)与外部电性连接。另外N型阱21上设置导电接点23作为萧特基二极管的阳极，使导电接点23与N型阱21的接触面成为萧特基二极管的界面22。萧特基二极管的电流自导电接点23经过萧特基二极管的界面22流向N+接点区211a、211b回到导电接点24a、24b。另外，在P型硅基板20上制备一个P+接点区201，并以导电接点25接地，以作为提供萧特基二极管的反向偏压之用。

请参照图4，以说明本发明的红外线温度感测器的萧特基二极管的布局结构。如图4所示，对应萧特基二极管的阳极的导电接点23以及对应阴极的导电接点24a、24b是采用交指型态。萧特基二极管的阳极以及阴极的宽度以及二者间之间距视半导体制造工艺的解析度而定，举例而言，其范围可为1-5μm。可以理解的是，交指的数目与长度可视需要改变，亦即调整萧特基二极管的串接数量以优化萧特基二极管阵列的温度系数。

请参照图5，其为本发明一实施例的萧特基二极管阵列的温度特性，其中萧特基二极管阵列是由18个萧特基二极管串接而成，并串接一个100K欧姆的电阻做偏流，工作电压是3.3V。由图5可以看出，萧特基二极管阵列的有-11mV/℃的特性，且其相对于温度变化有较高的线性特性。因此，本发明的环境温度感测元件可于室温环境(例如5℃、15℃、25℃)下进行二点校正，以避开校正时黑体结露的困扰，并能延伸其工作范围至低温环境(例如0℃至-30℃)仍能精确量测温度。可以理解的是，可增加萧特基二极管阵列的数目，以提升温度变化的敏感度，例如20-30个萧特基二极管彼此串接。

请参照图6，于一实施例中，本发明的红外线温度感测器更包含一信号处理单元15。信号处理单元15与红外线感测单元以及环境温度感测元件电性连接，即依据红外线感测单元所输出的第一感测信号SS1以及环境温度感测元件所输出的第二感测信号SS2进行补偿运算，以得到较为精准的感测温度。于一实施例中，红外线感测单元、环境温度感测元件以及信号处理单元可整合为一单晶片。于此实施例中，萧特基二极管的偏流可由单晶片内的恒流源电路提供。

于一实施例中，信号处理单元15包含一信号放大器151、一微控制器152、一非易失性存储器153以及一通信接口154。红外线感测单元将第一感测信号SS1输出至信号放大器151，第一感测信号SS1经放大后输入微控制器152。微控制器152内建的数字至模拟转换器将红外线感测单元所输出的第一感测信号SS1转换成数字信号。同样的，环境温度感测元件所输出的第二感测信号SS2亦经由微控制器152内建的数字至模拟转换器转换，以得知环境温度值。非易失性存储器153可用来储存环境温度感测元件的一特性参数，以用来计算量测的温度值。可以理解的是，红外线感测单元的特性参数亦可储存于非易失性存储器153。于一实施例中，非易失性存储器153可为一快闪存储器、电子可擦洗可规划只读存储器、可多次写入(Multiple-Times Programmable，MTP)存储器或一次性写入(One-TimeProgrammable，OTP)存储器。通信接口154则用来将感测温度TP输出至外部控制器MCU。举例而言，通信接口154可为集成电路汇流排(Inter-Integrated Circuit Bus，I²C)、通用非同步接收发送器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)、序列周边接口(Serial Peripheral Interface，SPI)或通用序列汇流排(Universal Serial Bus，USB)，模拟电压式或是逻辑IO输出。可以理解的是，非易失性存储器153以及通信接口154可整合至微控制器152内，例如微控制器STM8L151G6U6。或者，微控制器152可以是单独的特殊应用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，其包含控制非易失性存储器153的电路。

依据前述说明，萧特基二极管的制造工艺可与热电堆感测单元的半导体制造工艺相容，因此，萧特基二极管以及热电堆感测单元可制作于同一硅基板上，如图1所示。由于萧特基二极管相邻于热电堆感测单元的冷端以及硅基板的高导热特性，因此，相较于热敏电阻(热敏电阻的热时间常数约为2秒，而热电堆感测单元的热时间常数约为10-50ms)，萧特基二极管与红外线感测单元有良好的热匹配性且可抗热干扰，使得本发明的红外线温度感测器因环境温度变化所造成的补偿误差较小且能迅速响应环境温度的变化，故可省略惯用的热敏电阻且温度解析度可达±0.1至0.2℃。

此外，本发明的红外线温度感测器可采用晶圆级(Wafer level)温度校正以获得红外线感测单元及/或环境温度感测元件的特性参数。晶圆级温度校正是将整片晶圆(含探针台)置于温控的环境下进行测试，举例而言，晶圆的吸盘可设备一水路来控制晶圆温度，如此可模拟特定的环境温度来量测所需的温度特性参数(一般为两点校正)，因此，本发明的红外线温度感测器能够自动化校正，以大幅节省校正的时间成本。可以理解的是，将校正时所获得的特性参数储存于非易失性存储器中可省略后续红外线温度感测器的再校正程序。

综合上述，本发明的红外线温度感测器是以至少一萧特基二极管作为一环境温度感测元件。由于萧特基二极管对于温度变化具有较佳的线性特性，本发明的环境温度感测元件可在室温环境下校正，且能在广域的温度范围工作，例如0℃至-30℃仍能精确量测温度。此外，本发明的红外线温度感测器的能够采用自动化的晶圆级温度校正，因而大幅简化校正程序以及所需的校正时间，进而降低所需的校正成本。

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，当不能以的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 (13)

1.一种红外线温度感测器，其特征在于，包含：

一基板；

一红外线感测单元，其设置于所述基板上，用以接收一标的物所辐射的一红外线并转换为一第一感测信号；以及

一环境温度感测元件，其设置于所述基板上且相邻于所述红外线感测单元，用以感测一环境温度并转换为一第二感测信号，其中所述环境温度感测元件包含至少一萧特基二极管，且所述第二感测信号用以补偿所述第一感测信号，以得到所述标的物的一感测温度。

2.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述红外线感测单元包含一热电堆感测单元。

3.如权利要求2所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述热电堆感测单元包含一热端以及一冷端，且所述环境温度感测元相邻于所述热电堆感测单元的所述冷端。

4.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述环境温度感测元件包含多个彼此串联的萧特基二极管。

5.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述环境温度感测元件包含2至40个彼此串联的萧特基二极管。

6.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述环境温度感测元件包含20至30个彼此串联的萧特基二极管。

7.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述萧特基二极管的一偏流以一电阻或一恒流源提供。

8.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述基板为一硅基板。

9.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，更包含：

一信号处理单元，其与所述红外线感测单元以及环境温度感测元件电性连接，用以依据所述第一感测信号以及所述第二感测信号计算得到所述标的物的所述感测温度。

10.如权利要求9所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述红外线感测单元、所述环境温度感测元件以及所述信号处理单元整合为一单晶片。

11.如权利要求9所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述信号处理单元包含一非易失性存储器，其用以储存所述萧特基二极管的一特性参数。

12.如权利要求11所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述非易失性存储器包含一快闪存储器、电子可擦洗可规划只读存储器、可多次写入存储器或一次性写入存储器。

13.如权利要求11所述的红外线温度感测器，其特征在于，所述萧特基二极管的所述特性参数是以晶圆级温度校正所获得。

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