CN115420769A - 红外热电堆传感器的塞贝克系数测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明关于红外热电堆传感器的塞贝克系数测试方法，涉及传感器技术领域。该方法包括：根据待测器件的器件结构确定与待测器件对应的平均温升与敏感区温升之比、待测器件在初始温度下的初始电阻以及电阻温度系数；在变温环境中，对待测器件施加第一组测试电流以及第二组测试电流；生成至少一个参考系数函数；基于参考系数函数构建塞贝克系数获取模型，将参考系数输入塞贝克系数获取模型，输出与待测器件对应的塞贝克系数以及对应温度。通过在多组正负方向的电流激励下得到的热电堆传感器电阻响应曲线，无需添加额外的结构，即可获得宽温度范围内的塞贝克系数，具有测试方法简单，测量准确的特点。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种红外热电堆传感器的塞贝克系数测试方法。
背景技术
红外热电堆传感器是基于塞贝克效应，将被红外辐射转化为敏感区温度变化，进而使得输出电压信号变化的一类传感器。红外热电堆传感器因具有低功耗，无需制冷以及电激励的特点，被广泛应用于温度测量、气体监测、以及光谱仪等方面的应用中。红外热电堆传感器的塞贝克系数直接决定着传感器的热电转化效率，进而影响传感器的探测率。因此，如何便捷有效的获得所设计的红外热电堆传感器的实际塞贝克系数至关重要。
相关技术中，通常设置两种方法进行红外热电堆传感器的塞贝克系数测量。一种方法为，在设计传感器的过程中，为其添加额外的自测试结构，给其带来结构以及性能上的改变；另一种方法为，在测试过程中选取一个或数个测试点，并通过数据汇总或选取的方式，确定与传感器对应的塞贝克系数。
然而，相关技术中的方法，若添加额外的自测试结构，则传感器的制造成本过高，使用难度增大；若采用测试点测试的方法，则测量结果仅为单一特殊解且偶然误差较大。也即，相关技术中针对红外热电堆传感器的塞贝克系数测试方法无法实现不添加额外结构的宽温度范围内的塞贝克系数测试。
发明内容
本发明关于一种红外热电堆传感器的塞贝克系数测试方法，能够实现红外热电堆传感器在宽温度范围内的塞贝克系数测试，该方法包括：
根据待测器件的器件结构确定与待测器件对应的平均温升与敏感区温升之比；
在变温环境中，设定环境温度为初始温度，并对待测器件进行电流-电压测试，得到待测器件在初始温度下的初始电阻以及电阻温度系数；
在变温环境中，对待测器件施加第一组测试电流，第一组测试电流中包括大小相等且方向相反的第一正向测试电流以及第一反向测试电流；
获取在第一组测试电流下的第一正向电阻-时间曲线以及第一反向电阻-时间曲线；
通过第一正向电阻-时间曲线以及第一反向电阻-时间曲线确定相对于初始电阻的第一正向测试电流电阻变化量以及第一反向测试电流电阻变化量；
在变温环境中，对待测器件施加第二组测试电流，第二组测试电流，第一组测试电流与第二组测试电流的电流强度不同；
通过第二正向电阻-时间曲线以及第二反向电阻-时间曲线确定相对于初始电阻的第二正向测试电流电阻变化量以及第二反向测试电流电阻变化量；
基于初始电阻、电阻温度系数、平均温升与敏感区温升之比、第一正向测试电流电阻变化量、第一反向测试电流电阻变化量、第二正向测试电流电阻变化量以及第二反向测试电流电阻变化量生成至少一个参考系数函数；
基于参考系数函数构建塞贝克系数获取模型，塞贝克系数获取模型实现为包含至少两项塞贝克系数与参考系数的组合；
基于参考系数函数确定每项参考系数，并将参考系数输入塞贝克系数获取模型，输出与待测器件对应的塞贝克系数。
在一个可选的实施例中，待测器件实现为双端梁结构；
或，
待测器件实现为多端梁结构；
或，
带侧器件实现为膜结构。
在一个可选的实施例中，待测器件还具有支撑膜、基底、框架和至少两个热电偶；
敏感区通过支撑膜与框架连接；
敏感区位于基底的正上方；
至少两个热电偶相互串联，并位于支撑膜内部；
框架内具有冷结点；
敏感区内具有热结点。
在一个可选的实施例中，在测试电流中，正向指示使得待测器件的敏感区产生放热反应的电流方向；
反向指示使得待测器件的敏感区产生吸热反应的电流方向。
在一个可选的实施例中，基于参考系数函数构建塞贝克系数获取模型，包括：
建立塞贝克系数n次方程，塞贝克系数n次方程实现为：
aαn+bαn-1+···+c＝0；
其中，a、b、c为参考系数函数；
确定塞贝克系数获取公式，塞贝克系数获取公式实现为：
在塞贝克系数获取公式中，A，θ，B为至少两个参考系数的函数；
基于塞贝克系数n次方程以及塞贝克系数获取公式确定塞贝克系数获取模型。
在一个可选的实施例中，基于参考系数函数确定每项参考系数，并将参考系数输入塞贝克系数获取模型，输出与待测器件对应的塞贝克系数之后，还包括：
确定与第一组测试电流对待测器件进行测试过程中的器件平均温升；
基于塞贝克系数、器件平均温升、平均温升与敏感区温升之比、初始温度、初始电阻、电阻温度系数、第一正向测试电流电阻变化量以及第一反向测试电流电阻变化量确定待测器件在第一组测试电流通电情况下的敏感区温度。
本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
通过在多组正负方向的电流激励下得到的热电堆传感器电阻响应曲线，在无需添加额外的结构的情况下，基于电阻响应曲线提取得到的各类物理参数，即可进行对应塞贝克系数的模型的构建，以最终确定红外热电堆传感器在宽温度范围内对应的塞贝克系数。该方法具有测试方法简单，测量准确的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明提供的一种红外热电堆传感器的塞贝克系数的测试方法的示意图；
图2示出了本发明提供的一种红外热电堆传感器的结构示意图；
图3示出了本发明提供的一种稳态曲线的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1示出了本发明一个示例性实施例提供的一种红外热电堆传感器的塞贝克系数的测试方法的示意图。该方法包括：
步骤101，根据待测器件的器件结构确定与待测器件对应的平均温升与敏感区温升之比。
需要说明的是，本发明实施例提供的红外热电堆传感器的塞贝克系数的测试方法，专用于具有敏感区的红外热电堆传感器中。敏感区为设置在待测器件内的区域，通常悬浮于器件的衬底上，在工作工程中，敏感区用于吸收红外线。故通常情况下，工作过程中敏感区的温升高于待测器件的平均温升，因此，作为前置步骤，需要根据待测器件的结构进行相关结构参数的确定。
在本发明实施例中，平均温升标记为ΔT'，敏感区温升标记为ΔT，平均温升与敏感区温升之比标记为β。
需要说明的是，在本发明实施例中，红外热电堆传感器可以实现为双端梁结构，或，多端梁结构，或，膜结构。图2示出了本发明一个示例性实施例提供的一种待测器件的具体结构。请参考图2，在该待测器件中，除了悬空位于中央部分的敏感区4外，该装置还包括支撑膜3，基底5，框架6和至少两个热电偶7。
其中，请参考图2，敏感区4通过支撑膜3与框架6连接，敏感区4位于基底5的正上方。至少两个热电偶7相互串联，并位于支撑膜3内部。框架6内具有冷结点1，敏感区4内具有热结点2。
步骤102，在变温环境中，设定环境温度为初始温度，并对待测器件进行电流-电压测试，得到待测器件在初始温度下的初始电阻以及电阻温度系数。
在本发明实施例中，电流-电压测试即为I-V测试，用于确定待测器件在初始设定温度下的初始电阻R0，以及与电阻相关的电阻温度系数αr。在一个示例中，初始温度可设置为300K，在进行电阻温度系数的计算过程中，可以在初始温度的基础上进行升温，至310K/320K/330K，以保证温升不过大。在一个示例中，电阻温度系数αr的计算过程如下公式1所示：
公式1：αr＝(R2-R1)/R1(T2-T1)
式中，R1表示温度为T1时的电阻值，T1即是初始温度T0，对应地，R1即表示初始电阻R0。在此情况下，R2为温度为T2时的电阻值，单位为Ω。R1单位为Ω。
需要说明的是，在本发明实施例中，步骤101和步骤102之间没有严格的顺序关系。
步骤103，在变温环境中，对待测器件施加第一组测试电流，第一组测试电流中包括大小相等且方向相反的第一正向测试电流以及第一反向测试电流。
步骤104，获取在第一组测试电流下的第一正向电阻-时间曲线以及第一反向电阻-时间曲线。
步骤105，通过第一正向电阻-时间曲线以及第一反向电阻-时间曲线确定相对于初始电阻的第一正向测试电流电阻变化量以及第一反向测试电流电阻变化量。
在步骤103至步骤105中，第一正向测试电流和第一反向测试电流的电流值Im＝1μA。需要说明的是，在测试电流中，正向指示使得所述待测器件的敏感区产生放热反应的电流方向。反向指示使得所述待测器件的敏感区产生吸热反应的电流方向。在测试过程中，请参考图3，随着测试时间301的增加，在测试电流大小不变的情况下，待测器件的电阻302会逐渐增大，并如曲线310所示，由初始值R0逐渐提升，并最终停止在恒定值。对应本步骤内容，最终的恒定值为R1(Im)以及R2(Im)，在此情况下，第一正向测试电流电阻变化量ΔR1(Im)的公式如下公式2所示：
公式2：ΔR1(Im)＝R1(Im)-R0
第一反向测试电流电阻变化量ΔR2(Im)的公式如下公式3所示：
公式3：ΔR2(Im)＝R2(Im)-R0
步骤106，在变温环境中，对待测器件施加第二组测试电流，第二组测试电流，第一组测试电流与第二组测试电流的电流强度不同。
步骤107，获取在第二组测试电流下的第二正向电阻-时间曲线以及第二反向电阻-时间曲线。
步骤108，通过第二正向电阻-时间曲线以及第二反向电阻-时间曲线确定相对于初始电阻的第二正向测试电流电阻变化量以及第二反向测试电流电阻变化量。
步骤106至步骤108为在变温环境中通过第二组测试电流进行测试的过程。该步骤与步骤103至步骤105内容对应。可选地，第二测试电流In＝2μA。对应得到的最终恒定值为R1(In)和R2(In)。在此情况下，第二正向测试电流电阻变化量ΔR1(In)的公式如下公式4所示：
公式4：ΔR1(In)＝R1(In)-R0
第二反向测试电流电阻变化量ΔR2(In)的公式如下公式5所示：
公式5：ΔR2(In)＝R2(In)-R0
需要说明的是，
步骤109，基于初始电阻、电阻温度系数、平均温升与敏感区温升之比、第一正向测试电流电阻变化量、第一反向测试电流电阻变化量、第二正向测试电流电阻变化量以及第二反向测试电流电阻变化量生成至少一个参考系数函数。
步骤110，基于参考系数函数构建塞贝克系数获取模型，塞贝克系数获取模型实现为包含至少两项塞贝克系数与参考系数的组合。
在本发明实施例中，基于获取到的参数，也即初始电阻R0、电阻温度系数αr、第一正向测试电流电阻变化量ΔR1(Im)、第一反向测试电流电阻变化量ΔR2(Im)、第二正向测试电流电阻变化量ΔR1(In)、第二反向测试电流电阻变化量ΔR2(In)以及平均温升与敏感区温升之比标记为β，可以进行系数构建，并参与塞贝克系数的确定过程。
在本发明实施例中，基于热平衡理论，进行塞贝克系数的n次方程的构建。该方程如下公式6所示：
公式6：aαn+bαn-1+···+c＝0
式中共存在n+1项对应塞贝克系数的参考系数，每一项对应塞贝克系数的参考系数用a、b……c表示，参考系数为初始电阻R0、电阻温度系数αr、第一正向测试电流电阻变化量ΔR1(Im)、第一反向测试电流电阻变化量ΔR2(Im)、第二正向测试电流电阻变化量ΔR1(In)、第二反向测试电流电阻变化量ΔR2(In)以及平均温升与敏感区温升之比标记β构建得到的参考系数函数，在对应特定输入值的情况下得到的。
对应的，塞贝克系数的获取公式如下公式7所示
式中，A，θ，B为至少两个所述参考系数的函数。
结合上述塞贝克系数的n次方程以及塞贝克系数的获取公式，即可确定得到塞贝克系数获取模型。
步骤111，基于参考系数函数确定每项参考系数，并将参考系数输入塞贝克系数获取模型，输出测试条件下与待测器件对应的塞贝克系数及温度。
在通过上述公式6和公式7，结合各个参考系数为定值的情况下，即可求解得到塞贝克系数α。
可选地，在本发明实施例中，当求解得到塞贝克系数α后，还能够选取与任一组测试电流对应的实验数据，进行敏感区温度Ts的确定。可选地，该公式如下公式8所示：
公式8：Ts＝T0+C
始终，C为为敏感区相对于初始温度T0的温升，是基于所述塞贝克系数、所述器件平均温升、所述平均温升与敏感区温升之比、所述初始温度、所述初始电阻、所述电阻温度系数、所述第一正向测试电流电阻变化量以及所述第一反向测试电流电阻变化量的函数。
此外，需要说明的是，塞贝克系数与工作温度存在对应关系。因此，可以选取不同的第一组测试电流值的大小以及第二组测试电流值的大小，得到不同工作温度下的塞贝克系数。在一个示例中，以1μA为步进，同时改变Im和In电流值的大小(例如，第二次循环，Im＝2μA，In＝3μA；第三次循环Im＝3μA，In＝4μA，重复步骤103至步骤111，直至测量得到目标温度范围内的塞贝克系数，并生成对应的塞贝克系数与温度曲线。
综上所述，本发明实施例提供的方法，通过在多组正负方向的电流激励下得到的热电堆传感器电阻响应曲线，在无需添加额外的结构的情况下，基于电阻响应曲线提取得到的各类物理参数，即可进行对应塞贝克系数的模型的构建，以最终确定红外热电堆传感器宽温度范围内对应的塞贝克系数。该方法具有测试方法简单，测量准确的特点。
上述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种红外热电堆传感器的塞贝克系数测试方法，其特征在于，所述方法包括：
根据待测器件的器件结构确定与所述待测器件对应的平均温升与敏感区温升之比；
在变温环境中，设定环境温度为初始温度，并对所述待测器件进行电流-电压测试，得到所述待测器件在所述初始温度下的初始电阻以及电阻温度系数；
在变温环境中，对所述待测器件施加第一组测试电流，所述第一组测试电流中包括大小相等且方向相反的第一正向测试电流以及第一反向测试电流；
获取在所述第一组测试电流下的第一正向电阻-时间曲线以及第一反向电阻-时间曲线；
通过所述第一正向电阻-时间曲线以及所述第一反向电阻-时间曲线确定相对于所述初始电阻的第一正向测试电流电阻变化量以及第一反向测试电流电阻变化量；
在变温环境中，对所述待测器件施加第二组测试电流，所述第一组测试电流与所述第二组测试电流的电流强度不同；
获取在所述第二组测试电流下的第二正向电阻-时间曲线以及第二反向电阻-时间曲线。
通过所述第二正向电阻-时间曲线以及所述第二反向电阻-时间曲线确定相对于所述初始电阻的第二正向测试电流电阻变化量以及第二反向测试电流电阻变化量；
基于所述初始电阻、所述电阻温度系数、所述平均温升与敏感区温升之比、所述第一正向测试电流电阻变化量、所述第一反向测试电流电阻变化量、第二正向测试电流电阻变化量以及第二反向测试电流电阻变化量生成至少一个参考系数函数；
基于所述参考系数函数构建塞贝克系数获取模型，所述塞贝克系数获取模型实现为包含至少两项塞贝克系数与参考系数的组合；
基于所述参考系数函数确定每项参考系数，并将所述参考系数输入所述塞贝克系数获取模型，输出测试条件下与所述待测器件对应的塞贝克系数及温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测器件实现为双端梁结构；
或，
所述待测器件实现为多端梁结构；
或，
所述带侧器件实现为膜结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述待测器件还具有支撑膜、基底、框架和至少两个热电偶；
所述敏感区通过所述支撑膜与所述框架连接；
所述敏感区位于所述基底的正上方；
至少两个所述热电偶相互串联，并位于所述支撑膜内部；
所述框架内具有冷结点；
所述敏感区内具有热结点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在测试电流中，正向指示使得所述待测器件的敏感区产生放热反应的电流方向；
反向指示使得所述待测器件的敏感区产生吸热反应的电流方向。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述参考系数函数构建塞贝克系数获取模型，包括：
建立所述塞贝克系数n次方程，所述塞贝克系数n次方程实现为：
aαn+bαn-1+···+c＝0；
其中，a、b、c为所述参考系数函数；
确定塞贝克系数获取公式，所述塞贝克系数获取公式实现为：
在所述塞贝克系数获取公式中，A，θ，B为至少两个所述参考系数的函数；
基于所述塞贝克系数n次方程以及所述塞贝克系数获取公式确定所述塞贝克系数获取模型。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述参考系数函数确定每项参考系数，并将所述参考系数输入所述塞贝克系数获取模型，输出与所述待测器件对应的塞贝克系数之后，还包括：
确定与所述第一组测试电流对所述待测器件进行测试过程中的器件平均温升；
基于所述塞贝克系数、所述器件平均温升、所述平均温升与敏感区温升之比、所述初始温度、所述初始电阻、所述电阻温度系数、所述第一正向测试电流电阻变化量以及所述第一反向测试电流电阻变化量确定所述待测器件在所述第一组测试电流通电情况下的敏感区温度。
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