CN212458679U - 红外线温度感测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种红外线温度感测器，包含一热电堆感测芯片，其包含一芯片衬底、一热电堆感测单元、一加热器以及一温度感测元件。热电堆感测单元设置于芯片衬底，以接收来自一标的物的红外线热辐射，并输出相对应的一红外线感测信号。加热器设置于芯片衬底，用以加热芯片衬底至一工作温度。温度感测元件设置于芯片衬底，用以感测芯片衬底的工作温度，并输出相对应的一工作温度信号。上述红外线温度感测器可在操作时维持热电堆感测单元于预设的工作温度，因此单点温度校正即可在广域环境温度下获得较准确的量测结果。

Description

红外线温度感测器

技术领域

本实用新型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，其大多在室温环境下(例如5-35℃)工作。现有的一种红外线温度感测器是由一个热电堆感测芯片搭配一个量测环境温度的热敏电阻，并封装于金属壳所构成，例如TO-5封装或TO-46封装等。一般而言，包含热电堆感测芯片的耳温枪或额温枪需静置30分钟以上使其与环境温度一致，此时才能获得较为准确的量测结果。

此外，红外线温度感测器所量测的温度是由热敏电阻所测得的环境温度以及热电堆感测芯片所测得的温差的总合。热敏电阻的阻值-温度表通常仅代表一标准值的热敏电阻，而热敏电阻的误差可能来自25℃阻值误差或是特性曲线Beta值的误差。因此，热敏电阻在广域环境温度下(例如-30-50℃)发生量测误差时，亦会影响红外线温度感测器所量测的温度的准确度。为了将量测误差控制在±0.05℃以内，需要对热敏电阻进行多点校正。

为了简化校正程序，美国专利US6,626,835B1提出一种温度感测器，其是利用一加热器对热电堆感测器的封装壳加热，以维持一个恒定的工作温度。依据此结构，于工作温度进行校正即可使温度感测器在广域环境温度下准确地工作。可以理解的是，上述温度感测器的封装壳需要适当的绝热结构，以避免外界温度的干扰。

中国专利CN107389206B提出另一种热电堆传感器，其是将热敏电阻以及热电堆感测芯片设置于加热器上，再以封装壳封装。依据此结构，热电堆传感器的体积庞大，且热敏电阻以及热电堆感测芯片与加热器间的热阻可能不同而造成温差，进而造成量测误差。

有鉴于此，如何简化红外线温度感测器的校正程序并在广域环境温度下获得准确的量测结果便是目前极需努力的目标。

实用新型内容

本实用新型提供一种红外线温度感测器，其是在同一芯片衬底上设置一热电堆感测单元、一温度感测元件以及一加热器，通过芯片衬底的高导热特性，可使热电堆感测单元在操作时维持于一工作温度，且热电堆感测单元以及温度感测元件间的温差较小。因此，本实用新型的红外线温度感测器不仅可简化校正程序，且可在广域环境温度下获得较准确的量测结果。

本实用新型一实施例的红外线温度感测器包含一封装衬底、一热电堆感测芯片、一盖体以及一滤波片。封装衬底包含多个第一导电接点以及多个第二导电接点，其与相对应的多个第一导电接点电连接。热电堆感测芯片以一绝热胶固定于封装衬底，且与多个第一导电接点电连接。热电堆感测芯片包含一芯片衬底、一第一热电堆感测单元、一加热器以及一温度感测元件。第一热电堆感测单元设置于芯片衬底，以接收来自一标的物的红外线热辐射，并输出相对应的一第一红外线感测信号。加热器设置于芯片衬底，用以加热芯片衬底至一工作温度。温度感测元件设置于芯片衬底，用以感测工作温度，并输出相对应的一工作温度信号。盖体覆盖热电堆感测芯片以及多个第一导电接点，其中盖体包含一视窗，且视窗与第一热电堆感测单元相对应。滤波片设置于盖体的视窗，以使第一热电堆感测单元接收特定波长范围的红外线热辐射。

以下借由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为一示意图，显示本实用新型一实施例的红外线温度感测器的热电堆感测芯片。

图2为一示意图，显示本实用新型一实施例的红外线温度感测器。

图3为一示意图，显示本实用新型另一实施例的红外线温度感测器的热电堆感测芯片。

图4为一示意图，显示图3所示实施例的红外线温度感测器的热电堆感测单元的等效电路。

图5为一示意图，显示图3所示实施例的红外线温度感测器的应用例。

图6为一示意图，显示本实用新型又一实施例的红外线温度感测器的热电堆感测芯片。

附图标记：

11 封装衬底

111 第一导电接点

112 第二导电接点

113 绝热胶

12、12a、12b 热电堆感测芯片

121 芯片衬底

122 第一热电堆感测单元

122a、122b 热电堆感测单元

1221 热端

1222 冷端

123、123a、123b 加热器

124、124a、124b 温度感测元件

125a、125b、125c 导电接点

126a、126b 导电接点

127a、127b 导电接点

128 非易失性存储器

129 通信接口

13 盖体

131 视窗

14 滤波片

A1、A2、A3 放大器

HT 接点

IR 红外线热辐射

MCU 微控制器

R1、R2 电阻

Rb 偏压电阻

TP 量测温度

V 偏压

Vref 参考电压

具体实施方式

以下将详述本实用新型的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细说明之外，本实用新型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实用新型的范围内，并以申请权利要求范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本实用新型有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本实用新型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，以避免对本实用新型形成不必要的限制。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以及图2，本实用新型的一实施例的红外线温度感测器包含一封装衬底11、一热电堆感测芯片12、一盖体13以及一滤波片14。封装衬底11包含多个第一导电接点111以及多个第二导电接点112，其中多个第二导电接点112与相对应的多个第一导电接点111电连接。举例而言，封装衬底11可为陶瓷衬底或是BT(Bismaleimide Triazine)电路载板。热电堆感测芯片12以一绝热胶113固定于封装衬底11，如此可避免外部环境温度经由封装衬底11对热电堆感测芯片12造成热干扰。可以理解的是，为了提高封装衬底11以及热电堆感测芯片12间的热阻，热电堆感测芯片12可采用小区域点胶的方式固定于封装衬底11。热电堆感测芯片12与多个第一导电接点111电连接，使热电堆感测芯片12可经由多个第一导电接点111以及相对应的多个第二导电接点112与外部通信。举例而言，热电堆感测芯片12能够以打线的方式与第一导电接点111电连接，但不限于此。热电堆感测芯片12亦能够以平面型SMD(Surface Mounting Device)封装。

接续上述说明，盖体13覆盖热电堆感测芯片12以及多个第一导电接点111，以保护热电堆感测芯片12以及多个第一导电接点111。盖体13包含一视窗131，使热电堆感测芯片12可经由视窗131接收来自一标的物的红外线热辐射IR。需说明的是，图2所示的实施例中，盖体13是与一底座定义出一容置空间，以容置封装衬底11以及热电堆感测芯片12，但不限于此。于一实施例中，盖体13亦可设置于封装衬底11上而与封装衬底11定义出一容置空间并容置热电堆感测芯片12以及热电堆感测芯片12与多个第一导电接点111的导电连接结构。滤波片14设置于盖体13的视窗131，使热电堆感测芯片12经由视窗131只能接收特定波长范围的红外线热辐射。

请参照图1，热电堆感测芯片12包含一芯片衬底121、一第一热电堆感测单元122、至少一加热器123以及至少一温度感测元件124。于一实施例中，芯片衬底121可为一硅衬底。第一热电堆感测单元122设置于芯片衬底121，且与盖体13的视窗131相对应。第一热电堆感测单元122可通过视窗131接收来自标的物的红外线热辐射，并输出相对应的一第一红外线感测信号。举例而言，第一热电堆感测单元122所产生的第一红外线感测信号可经由导电接点125a、125b输出至外部。第一热电堆感测单元122包含一热端1221以及至少一冷端1222。热端1221可由一浮板实现；连接浮板的连接臂的另一端作为冷端1222。热电堆感测单元的详细结构为本领域技术人员所熟知，在此不在赘述。

接续上述说明，加热器123设置于芯片衬底121，用以加热芯片衬底121至一工作温度。举例而言，外部电路可经由导电接点127a、127b启动加热器123，并控制芯片衬底121之工作温度。于一实施例中，工作温度大于本实用新型的红外线温度感测器在操作时的一环境温度。以操作时的环境温度为5-35℃为例，加热器123可加热芯片衬底121至工作温度为50-60℃。可以理解的是，可预设多组不同的工作温度，以应用于操作时的不同环境温度。举例而言，加热器123可依据操作红外线温度感测器的一环境温度，加热芯片衬底121至相对应的工作温度。举例而言，操作时的环境温度为0-45℃时，可将芯片衬底121的工作温度设为50℃，操作时加热器123即将芯片衬底121加热至50℃；当操作时的环境温度为-20-0℃时，则将芯片衬底121的工作温度设为25℃，操作时加热器123即将芯片衬底121加热至25℃。于一实施例中，加热器123可为金属电阻(例如铝、钨或白金)或多晶硅电阻。需说明的是，图1所示的实施例中，加热器123是设置于第一热电堆感测单元122的周围，但不限于此，加热器123亦可设置于第一热电堆感测单元122的一侧或多侧。

接续上述说明，温度感测元件124设置于芯片衬底121。于一实施例中，温度感测元件124设置于第一热电堆感测单元122以及加热器123之间，亦即温度感测元件124相邻于第一热电堆感测单元122的冷端1222以及加热器123。温度感测元件124可感测芯片衬底121的工作温度，更详细而言，是第一热电堆感测单元122的冷端1222的工作温度，并输出相对应的一工作温度信号。举例而言，温度感测元件124可经由导电接点126a、126b输出工作温度信号。后续依据第一热电堆感测单元122所输出的第一红外线感测信号以及温度感测元件124所输出的工作温度信号即可计算得到标的物的量测温度。于一实施例中，温度感测元件可为白金电阻、多晶硅电阻或感温二极管(Thermal diode)。举例而言，感温二极管是以双极性晶体管的基极以及射极所构成。考量到半导体工艺的相容性以及温度特性，于一实施例中，感温二极管可为多个串接的肖特基二极管(Schottky diode)。

依据上述结构，操作本实用新型的红外线温度感测器时，可利用加热器加热芯片衬底，借由芯片衬底的高导热特性，可使热电堆感测单元的冷端维持在预设的工作温度。因此，本实用新型的红外线温度感测器仅需要单点温度校正即可在广域环境温度下(例如-30-50℃)进行操作，不仅大幅简化校正程序，且能不受到环境温度变化的干扰而快速且精准地量测标的物温度。

请参照图3，本实用新型的红外线温度感测器的热电堆感测芯片12a可包含多个热电堆感测单元122a、122b。每一热电堆感测单元122a、122b则设置相对应的加热器123a、123b以及温度感测元件124a、124b。于一实施例中，通过盖体13及/或滤波片14的适当设计，多个热电堆感测单元122a、122b可对应不同的视窗131以及滤波片14以分别接收不同波长范围的红外线热辐射，如此可进行更准确的标的物的温度量测或作为不同的温度量测应用。

于一实施例中，热电堆感测单元122a、122b其中之一亦可接收盖体13的红外线热辐射以补偿盖体13所产生的热辐射所造成的干扰。举例而言，热电堆感测单元122a作为一第一热电堆感测单元，其相对盖体13的视窗131，以接收标的物的红外线热辐射，而热电堆感测单元122b作为一第二热电堆感测单元，其对应于该盖体13，以接收来自盖体13的红外线热辐射。请参照图4，其显示第一热电堆感测单元(122a)以及第二热电堆感测单元(122b)的等效电路，其中电阻R1为第一热电堆感测单元(122a)的内电阻，电阻R2为第二热电堆感测单元(122b)的内电阻。于一实施例中，第二热电堆感测单元(122b)与第一热电堆感测单元(122a)反相串接。若以导电接点125a、125b输出第一热电堆感测单元(122a)以及第二热电堆感测单元(122b)所产生的红外线感测信号，此时盖体13的热辐射效应将自动减除。或者，第一热电堆感测单元(122a)所产生的第一红外线感测信号以导电接点125a、125c输出，而第二热电堆感测单元(122b)所产生的第二红外线感测信号以导电接点125b、125c输出，亦即第一红外线感测信号以及第二红外线感测信号独立输出，后续由外部电路进行处理，以减除盖体13的热辐射效应，如此可获得更精准的量测结果。

请参照图5，其为图3所示实施例的红外线温度感测器的应用例，其中热电堆感测单元122a、122b分别为第一热电堆感测单元以及第二热电堆感测单元。本实用新型的红外线温度感测器通过放大器A1、A2、A3与微控制器MCU电连接。温度感测元件124a、124b经由导电接点126a连接偏压V以及偏压电阻Rb输出工作温度信号至放大器A3，经缓冲放大后馈入微控制器MCU。微控制器MCU将工作温度信号与一设定值比较后，即经由与导电接点127a电连接的接点HT控制加热器123a、123b，以加热热电堆感测单元122a、122b的冷端至工作温度。

接续上述说明，进行量测时，第一热电堆感测单元(122a)的所产生的第一红外线感测信号以导电接点125a、125c输出至放大器A1，并经缓冲放大后馈入微控制器MCU。同样的，第二热电堆感测单元(122b)的所产生的第二红外线感测信号以导电接点125b、125c输出至放大器A2，并经缓冲放大后馈入微控制器MCU，其中导电接点125c连接一参考电压Vref。微控制器MCU依据第一热电堆感测单元(122a)的所产生的第一红外线感测信号、第二热电堆感测单元(122b)的所产生的第二红外线感测信号以及温度感测元件124a、124b所产生的工作温度信号即可计算并输出标的物的量测温度TP。

请参照图6，于一实施例中，热电堆感测芯片12b除了包含图1所示的热电堆感测芯片12的结构外，还包含一非易失性存储器128以及一通信接口129。非易失性存储器128可储存第一热电堆感测单元的一特性参数以及相对应的工作温度。于一实施例中，非易失性存储器128可为可多次可编程(Multiple-Times Programmable，MTP)存储器或一次性可编程(One-Time Programmable，OTP)存储器。举例而言，多次可编程(MTP)存储器可为快闪存储器或带电可擦可编程只读存储器(EEPROM)。通信接口129与非易失性存储器128电连接，以供一外部电路经由通信接口129存取非易失性存储器128。举例而言，微控制器MCU可经由通信接口129存取非易失性存储器128。于一实施例中，通信接口154可为集成电路总线(Inter-Integrated Circuit Bus，I2C)、通用异步接收发送器(Universal AsynchronousReceiver/Transmitter，UART)、串行外设接口(Serial Peripheral Interface，SPI)或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)，模拟电压式或是逻辑IO输出。于一实施例中，热电堆感测芯片12、非易失性存储器128以及通信接口129可设置于单一芯片衬底上。或者，非易失性存储器128以及通信接口129可为单独晶粒，再封装至本实用新型的红外线温度感测器内。

于一实施例中，本实用新型的红外线温度感测器可采用晶圆级(Wafer level)温度校正以获得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，因此，本实用新型的红外线温度感测器能够自动化校正，进一步大幅节省校正的时间成本。可以理解的是，测试机台可将校正时所获得的特性参数经由通信接口储存于非易失性存储器中，如此可省略后续红外线温度感测器的校正程序。

综合上述，本实用新型的红外线温度感测器是在同一芯片衬底上设置一热电堆感测单元、一温度感测元件以及一加热器，通过芯片衬底的高导热特性，可使热电堆感测单元在操作时维持于一工作温度，且热电堆感测单元以及温度感测元件间的温差较小。因此，本实用新型的红外线温度感测器不仅能够以单点温度校正即可完成校正程序，且可实现晶圆级温度校正。此外，本实用新型的红外线温度感测器可在广域环境温度下较快速且较精准地获得量测结果。

以上所述的实施例仅是为说明本实用新型的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本实用新型的内容并据以实施，当不能以之限定本实用新型的权利要求范围，即大凡依本实用新型所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本实用新型的权利要求范围内。

Claims (18)

1.一种红外线温度感测器，其特征在于，包含：

一封装衬底，其包含多个第一导电接点以及多个第二导电接点，其与相对应的该多个第一导电接点电连接；

一热电堆感测芯片，其以一绝热胶固定于该封装衬底，且与该多个第一导电接点电连接，其中该热电堆感测芯片包含：

一芯片衬底；

一第一热电堆感测单元，其设置于该芯片衬底，以接收来自一标的物的红外线热辐射，并输出相对应的一第一红外线感测信号；

一加热器，其设置于该芯片衬底，用以加热该芯片衬底至一工作温度；以及

一温度感测元件，其设置于该芯片衬底，用以感测该工作温度，并输出相对应的一工作温度信号；

一盖体，其覆盖该热电堆感测芯片以及该多个第一导电接点，其中该盖体包含一视窗，且该视窗与该第一热电堆感测单元相对应；以及

一滤波片，其设置于该盖体的该视窗，以使该第一热电堆感测单元接收通过该滤波片的该红外线热辐射。

2.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该温度感测元件包含白金电阻、多晶硅电阻或感温二极管。

3.如权利要求2所述的红外线温度感测器，其特征在于，该感温二极管是以双极性晶体管的基极以及射极所构成。

4.如权利要求2所述的红外线温度感测器，其特征在于，该感温二极管包含多个串接的肖特基二极管。

5.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该加热器包含金属电阻或多晶硅电阻。

6.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该加热器设置于该第一热电堆感测单元的周围，以控制该第一热电堆感测单元的一冷端至该工作温度。

7.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该温度感测元件设置于该第一热电堆感测单元以及该加热器之间。

8.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该芯片衬底为一硅衬底。

9.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该工作温度大于操作该红外线温度感测器的一环境温度。

10.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该工作温度的范围为50-60℃。

11.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该工作温度为多组，且该加热器依据操作该红外线温度感测器的一环境温度，加热至相对应的该工作温度。

12.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该第一热电堆感测单元为多个，且该多个第一热电堆感测单元分别接收不同波长范围的该红外线热辐射。

13.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该热电堆感测芯片还包含一第二热电堆感测单元，其对应于该盖体，以接收来自该盖体的红外线热辐射。

14.如权利要求13所述的红外线温度感测器，其特征在于，该第二热电堆感测单元与该第一热电堆感测单元反相串接，或独立输出相对应的一第二红外线感测信号。

15.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该热电堆感测芯片还包含：

一非易失性存储器，用以储存该第一热电堆感测单元以及该温度感测元件至少其中之一的一特性参数以及相对应的该工作温度；以及

一通信接口，其与该非易失性存储器电连接，以供一外部电路经由该通信接口存取该非易失性存储器。

16.如权利要求15所述的红外线温度感测器，其特征在于，该非易失性存储器包含可多次可编程存储器或一次性可编程存储器。

17.如权利要求15所述的红外线温度感测器，其特征在于，该非易失性存储器包含一快闪存储器或带电可擦可编程只读存储器。

18.如权利要求1所述的红外线温度感测器，其特征在于，该温度感测元件的一特性参数是以晶圆级温度校正所获得。

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