CN212513344U - 基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，一包括具有顶部窗口的外壳，安装在外壳顶部窗口位置的滤光镜，设置在外壳内的热电堆芯片、NTC热敏电阻和ASIC电路模块，外壳上开有引气孔和排气孔，外壳上还设有外部接口，所述外壳采用陶瓷封装外壳，所述滤光镜采用高聚光菲涅尔透镜，陶瓷封装外壳底部设置位置可调的陶瓷封装板，所述热电堆芯片、NTC热敏电阻和ASIC电路模块设置在陶瓷封装板上。具有视场大，测距远，可调焦，成本低，体积小，精度高，隔热性能好，抗干扰能力强等优点。

Description

基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器

技术领域

本实用新型属于红外温度传感器技术领域，特别是涉及到一种基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器。

背景技术

自然界中一切高于绝对零度的物体都可向外辐射能量，物体辐射能量的大小及辐射波的波长分布与它的表面温度存在密切联系，物体温度越高，所发出的红外辐射能力越强，红外测温技术应用广泛。红外测温技术在生产过程监测，产品质量控制，设备在线故障诊断，节约能源等方面发挥着重要作用。与接触式测温相比，红外测温具有响应快、非接触、安全及寿命长等优点。近年来，为避免水银体温计对环境的污染，非接触红外人体测温仪在技术上也得到迅速发展，其性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多,适用范围也不断扩大。红外温度传感器可将红外辐射能量转换成电信号，是红外测温技术的核心部件。

目前，红外温度传感器的红外镜头常选用红外带通或长通滤光片，此类滤光片能滤除待测物体和环境物体发出的红外波段以外的干扰光，同时使得检测波段的红外光透过，辐射至热电堆的感应区。但是，红外滤光片不能独立调节传感器视场角大小，需同窗口及热电堆芯片等结构共同作用完成传感器视场角大小的调节。此外，装配此类滤光片的传感器探测距离较近，视场角较小。

菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分为椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中于一处，形成中心焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。此外，菲涅尔透镜还能够消除部分球形像差。多数情况下，菲涅尔透镜相当于凸透镜，效果较好，但成本相对于普通凸透镜及传统红外滤光片低很多。

如今，热电堆红外传感器以塑料封装为主，塑料封装具有价格低廉、重量尺寸较小等优点，但其热膨胀系数不匹配、导热率低、抗腐蚀能力差等缺点导致了热电堆红外传感器受环境影响较大。

上述红外温度传感器存在以下缺陷：

（1）红外滤光片不具有聚焦作用，不能直接调节传感器的视场角大小，需要同窗口等结构共同作用来完成视场角大小的调节。

（2）透过红外滤光片的光波是分散的，所需热电堆感应面积相对较大，热电堆芯片进一步微型化较难。

（3）探测距离有限，探测视场较窄。

（4）传统打磨光学器材的红外带通光学滤光片造价昂贵。

（5）塑料封装由于其结构强度不够，难以对其内部进行抽真空处理，传感器的热量流失较大；其次其热膨胀系数不匹配、导热率低、抗腐蚀能力差等缺点导致了热电堆红外传感器受环境影响较大。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种基于高聚光菲涅尔透镜及陶瓷封装的数字式红外温度传感器。

为实现上述目，本实用新型的具体技术方案如下：

一种基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，包括具有顶部窗口的外壳，安装在外壳顶部窗口位置的滤光镜，设置在外壳内的热电堆芯片、NTC热敏电阻和ASIC电路模块，外壳上开有引气孔和排气孔，外壳上还设有外部接口，所述外壳采用陶瓷封装外壳，所述滤光镜采用高聚光菲涅尔透镜，陶瓷封装外壳底部设置位置可调的陶瓷封装板，所述热电堆芯片、NTC热敏电阻和ASIC电路模块设置在陶瓷封装板上。

进一步地，所述陶瓷封装板设有调节机构，该调节机构包括底部封装板和螺杆支撑柱，底部封装板安装在陶瓷封装板下方并与陶瓷封装外壳底部配合，底部封装板开有螺孔，螺杆支撑柱一端穿过该螺孔连接在陶瓷封装板底部，另一端设置旋钮位于底部封装板外部；陶瓷封装板陶瓷封装外壳之间采用滑动配合，通过转动螺杆支撑柱，调节陶瓷封装板与陶瓷封装外壳之间距离，进而实现调焦。

进一步地，螺杆支撑柱表面刻有精密螺纹，并通过螺纹胶与底部封装板之间实现螺纹位置密封；底部封装板与陶瓷封装外壳底部密封配合，由此陶瓷封装外壳、菲涅尔透镜和底部封装板之间围成密闭空间。

进一步地，所述热电堆芯片，NTC热敏电阻和ASIC电路模块依次间隔排列并焊接在陶瓷封装板上。

进一步地，所述菲涅尔透镜为微型化透镜，采用方形或圆形结构并与陶瓷封装外壳顶部窗口的外壳适配，完全覆盖窗口。

进一步地，所述陶瓷封装外壳外部底端装有五个引脚，分别是SDA，VDD，GND，SCL，ADDR，其中SDA的功能是I2C数据线；VDD是电源端；GND是接地端；SCL是I2C时钟线；ADDR是I2C的LSB端口。它们与微型控制器相连或者接地。

进一步地，所述热电堆芯片为微型热电堆。

进一步地，所述陶瓷封装外壳材质采用LTCC陶瓷。

进一步地，所述菲涅尔透镜采HDPE材质，镜片表面一面为光面；另一面刻录有多圈由小到大，向外由浅至深的同心圆。

本实用新型相比现有技术具有以下有益效果：

（1）本实用新型中，传感器内部平放一层可上下移动的陶瓷封装板，用于承载热电堆芯片、NTC热敏电阻以及ASIC电路模块，可实现。该结构进行调焦，解决微型化菲涅尔透镜的焦点位置不易确定的问题。

（2）本实用新型采用菲涅尔透镜替代红外滤光片，使光波汇聚于一点，为热电堆芯片进一步微型化提供基础。

（3）菲涅尔透镜嵌设于LTCC陶瓷封装外壳顶部，并完全覆盖顶部窗口，使传感器内部形成完全封闭的空间，且具有优于红外滤光片的使用简便性。

（4）菲涅尔透镜和表面刻有精密螺纹的支撑柱搭配使用，使得透镜焦点位置的精准定位更加容易。

（5）红外温度传感器采用陶瓷封装，相对于普通塑料封装结构，具有更高的机械强度，因而可实现传感器内部抽真空处理，提高传感器的隔热特性，进而提高检测精度。基于高聚光菲涅尔透镜及陶瓷封装的红外测温数字传感器采用高聚光菲涅尔透镜，通过NTC热敏电阻对热电堆的冷端进行补偿，同时ASIC电路模块输出数字信号且器件使用陶瓷封装，具有视场大，测距远，可调焦，成本低，体积小，精度高，隔热性能好，抗干扰能力强等优点。

附图说明

图1为现有常规的DFN封装数字式红外温度传感器截面示意图；

图2为本实用新型红外温度传感器的截面示意图（也作摘要附图）；

图3为高聚光菲涅尔透镜的正视图；

图4为高聚光菲涅尔透镜的截面图；

图5为高聚光菲涅尔透镜的聚光图；

图1中：1-塑料封转外壳；2-红外滤光片；3-引气孔；4-排气；5-NTC热敏电阻；6-装配焊点；7-热电堆芯片；8-ASIC电路模块；

图2中：1-LTCC陶瓷封装外壳；2-高聚光菲涅尔透镜；3-真空孔；4-真空孔；5-NTC热敏电阻；6-装配焊点；7-热电堆芯片；8-ASIC电路模块；9-陶瓷封装板；10-底部封装板；11-螺杆支撑柱；12-外部接口。

具体实施方式

下面通过具体实施方法对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述，本领域技术人员可由本说明书揭露的内容轻易的了解本实用新型的其他优点与功效。

需要说明的是，本实施例中所提供的示意图以示意方式说明本实用新型的基本构想,示意图中仅显示与本实用新型有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的形态、数量及比例可在合适的基础上随意改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一：

如图1所示，该图为现有常规DFN封装数字式红外温度传感器，其组成包括：塑料封转外壳1、红外滤光片2、引气孔3、排气孔4、NTC热敏电阻5、装配焊点6、热电堆芯片7和ASIC电路模块8。

此类传感器所用红外滤光片存在价格高、视场小、探测距离近等问题。此外，所用塑料封装外壳也存在热膨胀系数不匹配、导热率低、抗腐蚀能力差等缺点。

实施例二：

如图2所示，本实用新型基于高聚光菲涅尔透镜及陶瓷封装数字式红外温度传感器包括：陶瓷封装外壳1、高聚光菲涅尔透镜2、热电堆芯片7、NTC热敏电阻5和ASIC电路模块8，陶瓷封装外壳1上开有引气孔3和排气孔4，陶瓷封装外壳1上还设有外部接口12，滤光镜采用陶瓷封装外壳1底部设置位置可调的陶瓷封装板9，热电堆芯片7、NTC热敏电阻5和ASIC电路模块8设置在陶瓷封装板9上。

陶瓷封装板9设有调节机构，该调节机构包括底部封装板10和螺杆支撑柱11，底部封装板10安装在陶瓷封装板9下方并与陶瓷封装外壳底部配合，底部封装板10开有螺孔，螺杆支撑柱一端穿过该螺孔连接在陶瓷封装板9底部，另一端设置旋钮位于底部封装板10外部；陶瓷封装板9陶瓷封装外壳1之间采用滑动配合，通过转动螺杆支撑柱11，调节陶瓷封装板9与陶瓷封装外壳1之间距离，进而实现调焦。

与常规DFN封装数字式红外温度传感器相比，本实用新型增添或替换了可上下移动的装置陶瓷封装板19及支撑柱9、高聚光菲涅尔透镜11和LTCC陶瓷封装外壳10。与现有的图1相比，本申请具有可调焦的优势。

需要说明的是，螺杆支撑柱9可上下移动陶瓷封装板，目的是在保证温度传感器整体体积大小不变的情况下使热电堆芯片能够始终处于高聚光菲涅尔透镜的焦点处，有效地解决了微型化菲涅尔透镜焦点位置不易确定的问题。支撑柱的使用极大地降低了调焦难度，同时温度传感器在使用过程中出现的焦距不准问题也将更容易解决。

基于高聚光菲涅尔透镜及陶瓷封装的数字式红外温度传感器中，菲涅尔透镜将光波汇聚于热电堆芯片上，为热电堆芯片进一步微型化提供条件基础。

热电堆芯片16，可通过CMOS兼容的MEMS技术进行制作，可最大程度的减小体积，实现高精度。

菲涅尔透镜材质为HDPE（高密度聚乙烯材料），镜片表面一面为光面，另一面刻录了若干由小到大的同心圆，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿（如图3所示）。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠近同心环，光线越集中而且越强。其材质为HDPE（高密度聚乙烯材料），其形状可根据设计要求进行改变，本实例给出一种方形菲涅尔透镜的正面、截面以及聚光图，如图3所示。

为保证高聚光菲涅尔透镜和LTCC陶瓷封装外壳形成整体结构，高聚光菲涅尔透镜嵌设在LTCC陶瓷封装外壳的窗口中。进一步的，在高聚光菲涅尔透镜的边缘还可以开设供窗口嵌卡的嵌卡槽。

LTCC陶瓷作为基于高聚光菲涅尔透镜及陶瓷封装的红外测温数字传感器的封装，可提高所述传感器的气密性与抗干扰能力。

NTC热敏电阻利用焊接技术固定在上腔室陶瓷封装板上的装配焊点处，与ASIC电路模块连接并对热电堆芯片冷端温度进行补偿。ASIC电路模块利用焊接技术固定在上腔室陶瓷封装板上的装配焊点处，通过焊线与热电堆芯片连接，将热电堆传输的模拟信号进行滤波与放大并转换为数字信号。所述ASIC电路模块通过外部接口与外部设备连接并传输模拟信号。通过集成ASIC电路模块提高了该数字式红外温度传感器的可读性与易集成性。

进一步地，图2真空孔分为引气孔3和排气孔4，排气孔对传感器内部进行真空处理，引气孔是注入惰性气体的通道，此结构的运用极大提高了隔热性，增强了稳定性与抗干扰能力。所用惰性气体为氩气。

本实用新型的红外温度传感器，通过菲涅尔透镜汇聚光波，以表面刻有精密螺纹的支撑柱调节焦距，且使用陶瓷封装并对其抽真空注入惰性气体使得隔热性能更优，同时使用NTC热敏电阻对热电堆冷端温度进行补偿，利用ASIC电路模块使输出信号为数字信号，从而获得了高灵敏度、高精度、大视场、远探测距离、可调焦功能和高抗干扰能力的有益效果。

综上所述，本实用新型的基于高聚光菲涅尔透镜及陶瓷封装的数字式红外温度传感器，用菲涅尔透镜替代红外滤光片增大了探测视场和探测距离，将光波汇聚于一点，为热电堆芯片进一步微型化提供了条件基础。菲涅尔透镜嵌设于封装外壳顶部窗口，使箱体内部形成密闭空间，且具有优于红外滤光片的使用简便性。菲涅尔透镜和表面刻有精密螺纹的支撑柱的搭配使用也让焦点位置的精准确定更加容易。此外，LTCC陶瓷封装、NTC热敏电阻以及ASIC电路模块的配合应用，极大地提高了传感器的抗干扰能力、可读性以及易集成性。

上述实施例上述实施例仅说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型,任何熟悉此技术的人士皆可在不违背木实用新型的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，包括具有顶部窗口的外壳，安装在外壳顶部窗口位置的滤光镜，设置在外壳内的热电堆芯片(7)、NTC热敏电阻(5)和ASIC电路模块(8)，外壳上开有引气孔(3)和排气孔(4)，外壳上还设有外部接口(12)，其特征在于：所述外壳采用陶瓷封装外壳(1)，所述滤光镜采用高聚光菲涅尔透镜(2)，陶瓷封装外壳(1)底部设置位置可调的陶瓷封装板(9)，所述热电堆芯片(7)、NTC热敏电阻(5)和ASIC电路模块(8)设置在陶瓷封装板(9)上。

2.根据权利要求1所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述陶瓷封装板(9)设有调节机构，该调节机构包括底部封装板(10)和螺杆支撑柱(11)，底部封装板(10)安装在陶瓷封装板(9)下方并与陶瓷封装外壳底部配合，底部封装板(10)开有螺孔，螺杆支撑柱一端穿过该螺孔连接在陶瓷封装板(9)底部，另一端设置旋钮位于底部封装板(10)外部；陶瓷封装板(9)陶瓷封装外壳(1)之间采用滑动配合，通过转动螺杆支撑柱(11)，调节陶瓷封装板(9)与陶瓷封装外壳(1)之间距离，进而实现调焦。

3.根据权利要求2所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：螺杆支撑柱(11)表面刻有精密螺纹，并通过螺纹胶与底部封装板(10)之间实现螺纹位置密封；底部封装板(10)与陶瓷封装外壳底部密封配合，由此陶瓷封装外壳(1)、菲涅尔透镜(2)和底部封装板(10)之间围成密闭空间。

4.根据权利要求3所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述热电堆芯片(7)，NTC热敏电阻(5)和ASIC电路模块(8)依次间隔排列并焊接在陶瓷封装板(9)上。

5.根据权利要求4所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述高聚光菲涅尔透镜为微型化透镜，采用方形或圆形结构并与陶瓷封装外壳顶部窗口的外壳适配，完全覆盖窗口。

6.根据权利要求5所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述陶瓷封装外壳外部底端装有五个引脚，分别是SDA，VDD，GND，SCL，ADDR。

7.根据权利要求6所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述热电堆芯片(7)为微型热电堆。

8.根据权利要求7所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述陶瓷封装外壳材质采用LTCC陶瓷。

9.根据权利要求1-8任一所述基于高聚光菲涅尔透镜的陶瓷封装红外温度传感器，其特征在于：所述菲涅尔透镜采HDPE材质，镜片表面一面为光面；另一面刻录有多圈由小到大，向外由浅至深的同心圆。

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