CN213397399U - 一种红外热电容温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种红外热电容温度传感器，涉及传感器技术领域。该传感器结构包括红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路、承载装置、电路基板、热敏电阻以及封装外壳。与传统非接触式热电堆温度传感器相比，本技术方案的红外热电容温度传感器也不需要与被测物体接触，而且由于对热辐射的响应更为敏感，可以实现更远距离的测温，用该原理制作的热电容温度传感器，被测物体微小的温度波动就会产生较大的热电容参数变化，尤其在集成有读出电路或单片机的智能型热电容温度传感器具有灵敏度高、线性良好、可以分辨最小0.1℃温差、可测上限高(200℃)、动态响应快、不破坏测温物体温度场、产品制作成本相对较低的优点。

Description

一种红外热电容温度传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体为一种红外热电容温度传感器及其测温原理。

背景技术

温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，温度传感器是测温仪器的核心部分，品种繁多，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，其中热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC是测试中最常用的接触式温度传感器。

目前主流的非接触式红外温度传感器主要为薄膜式热电堆，由于采用了硅基MEMS工艺，其产品测温精度较高，其缺点是制作成本高。目前国内热电堆芯片制作工艺不完善而导致热电堆不良率居高不下，而且热电堆冷热结金属随时间容易发生氧化，容易产生温漂，需要反复校正。

与传统非接触式热电堆测温传感器相比，本技术方案的红外热电容温度传感器也不需要与被测物体接触，而且由于对热辐射的响应更为敏感，可以实现相对更远距离的测温，用该原理制作的热电容温度传感器，被测物体微小的温度波动就会产生较大的热电容参数变化，尤其在集成有信号读出电路及单片机的智能型热电容温度传感器具有灵敏度高、线性良好、可以分辨最小0.1℃温差、可测上限高(200℃)、动态响应快、不破坏温度场、制作成本相对较低的优点。

实用新型内容

本实用新型提供了一种红外热电容温度传感器，具备灵敏度高、线性良好、可以分辨较小的温度差(温度分辨率高)以及制作成本较低的优点，以解决传统的非接触式热电堆温度传感器存在的问题。

该红外热电容温度传感器采用红外热辐射电容材料代替传统薄膜式热电堆，其主要特征是采用特殊的红外温度辐射探测材料，包括光电晶体、多晶陶瓷等，将上述材料制成超薄的片式结构或者溅射形成薄膜结构，在材料的上表面制作提高吸收红外热辐射能量的特殊金属材料，如铬、镍铬合金、康铜、镍、锑等金属材料，形成单元、多元或阵列图案组成串联、并联热电容电路，以提高辐射效率和线性输出要求。当目标物体表面辐射的红外线通过红外滤光片滤波进入传感器腔体后，辐射在敏感材料上的能量导致敏感材料表面(与环境温度相比)产生温度梯度，不同的温度梯度引起材料表面不同数量的电荷的聚集和迁移，迅速引起该电容器回路的电荷变化，从而对电容器进行充放电。由于热辐射能量不同，充放电的电荷量就不同，可以通过信号读出电路测得目标物体表面的相对温度变化，本实用新型巧妙利用了红外热辐射材料及平板电容的有机结合。利用该原理制作的非接触式红外热电容温度传感器，并且对目标物体表面温度的变化进行了探测，探测结果见实施例，到目前为止没有发现学术界及产业界报导的先例。

更进一步说明，本实用新型的红外热电容核心材料：敏感元材料由红外辐射敏感材料组成，可以是晶体、多晶功能陶瓷，如LiTaO₃、PbTiO₃(简称PT)、PbZrO₃/PbTiO₃(简称PZT)等，可制作为薄片或薄膜式结构，这些敏感材料在吸收热辐射能量后，晶体结构将发生变化，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，引起材料的自发极化发生变化，从而引起材料表面吸附电荷的多寡变化，在这种敏感材料表面镀金属层，形成平板电容。通过调整材料的电容、电阻，调整敏感元的时间常数。更进一步，在超薄片或薄膜式结构的材料上表面沉积提高红外热辐射吸收的特殊金属或非金属材料，可以进一步提高测温的灵敏度和线性。由以上材料及敏感元构成热电容测温敏感电路，其敏感元等效电路见附图9所示。

更进一步的说明，在以上等效电路中，R可以通过材料的配方组成及制作工艺进行调整，而电容量可以通过变化探测元的厚度和图案进行调整，从而调整敏感元的时间常数(t＝R*C)，本实用新型中热电容量的计算公式为：

C＝Er*ε₀*S/d

其中：C为探测元的电容量，单位为F，Er为相对介电常数，ε₀为真空介电常数，数值为8.854×10-12(F/m)，S为样品的有效面积，单位为m²，d为样品的厚度，单位为m。

在热电容测温过程中，输出信号的强度Ui受被测物体温度、环境温度、探测距离、热电容容量，薄片厚度、热释电系数、材料介电损耗、吸收比等的影响。可以表达为多元函数：

Ui＝f(Cp,d,tan^δ,D,Tobj,Tamb,p,A,C,α)

其中，Cp为探测元的电容量，d为探测元的厚度，tan^δ为电容的损耗角正切，D为探测元至被探测物的距离，Tobj为被测物体的表面温度，Tamb为环境温度，p为热释电系数,A为探测元面积，C为敏感元的热容，α吸收系数。

当优选的材料及传感器结构确定后，输出信号Ui可以进一步简化为Ui＝f(Tobj,Tamb,α)，其中Tobj为被探测物的表面温度，Tamb为环境温度，α为吸收系数。

为了更好地检测环境温度变化对热电容温度传感器的影响，热电容温度传感器置入温度补偿热敏元件，例如热敏电阻NTC或PT100热电偶作为参考信号，并配合或置入适合的信号读出电路及单片机数字处理技术，即可将目标温度的变化转换为电信号或被测温度数值。热电容温度传感器等效电路见附图10所示。

为实现灵敏度高、线性良好、高分辨以及制作成本较低的目的，本实用新型提供如下技术方案：一种红外热电容温度传感器，包括红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路，承载装置、电路基板，热敏电阻以及封装外壳。所述外壳由所述管帽和所述管座形成密闭的收纳空间，将所述红外热辐射电容、热敏元件、信号读出电路、承载装置、电路基板收纳在其中。所述管帽上有安装红外光学滤光片的窗口，所述管帽开窗口处安装红外长波通光学滤光片，典型透过波长为5-14um，所述红外热辐射电容、热敏电阻以及读出电路均置于所述电路基板上。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述红外热辐射电容的敏感元为单元或多元构成的串联、并联热电容电路，其上电极及下电极均为对称的等面积圆形或矩形图案。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述红外热辐射电容的敏感元可以为多元组成的阵列型热电容电路，其上电极为多个矩形、环形或曲别针形图案的一种，下电极为同种形状对称的等面积多个矩形、环形或曲别针图案的一种，组成阵列型串联、并联热电容电路。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述红外热辐射电容的敏感元材料可选晶体和多晶陶瓷中的一种，且所述的该图案为蒸镀、喷涂或印制有金黑/铬/镍/锑/康铜材料的感温电路。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述热敏元件为NTC热敏电阻、PT100测温元件，用来测量传感器所处的环境温度，作为器件参考温度。

作为本实用新型的一种优选技术方案，按读出电路分为模拟输出型、数字输出型，模拟输出型包括：场效应管FET、EMI电容、电阻等；数字型输出分别包括：运算放大器OP、EMI电容、电阻、模拟数字转换器ADC、单片机MCU等。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述读出电路是模拟数字混合ASIC芯片，其内集成有信号运算放大器OP、模拟数字转换器ADC、低通滤波电路等。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述读出电路是单片机MCU，其内也集成有信号运算放大器OP、模拟数字转换器ADC、微处理器DSP及接口电路等。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述电路基板为表面印刷有电路的PCB板和陶瓷基板中的任意一种。

作为本实用新型的一种优选技术方案，该红外热电容温度传感器还可以采用不同结构的封装形式，具体为TO金属封装结构和SMD封装结构中的任意一种。

与现有技术相比，本实用新型提供了一种红外热电容温度传感器，具备以下有益效果：

该红外热电容温度传感器，与传统非接触式热电堆测温传感器相比，本技术方案的红外热电容温度传感器也不需要与被测物体接触，而且由于对热辐射的响应更为敏感，可以实现相对更远距离的测温，用该原理制作的热电容温度传感器，被测物体微小的温度波动就会产生较大的热电容参数变化，尤其在集成有读出电路及单片机的智能型热电容温度传感器具有灵敏度高、线性良好、可以分辨最小0.1℃温差、可测上限高(200℃)、动态响应快、不破坏温度场、制作成本相对较低的优点。

附图说明

图1为一种红外热电容温度传感器的结构示意图；

图2为一种红外热电容温度传感器的敏感元结构图；

图3为一种红外热电容温度传感器的内部电路图；

图4为一种红外热电容温度传感器的内部电路图；

图5为一种红外热电容温度传感器的内部电路图；

图6为一种红外热电容温度传感器的典型测温方案系统模块图；

图7为一种红外热电容温度传感器的典型测温方案局部图；

图8为一种红外热电容温度传感器的实施例一种测量数据拟合图；

图9为一种红外热电容温度传感器敏感元等效电路图；

图10为一种红外热电容温度传感器的等效电路图。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-10，本实用新型公开了一种红外热电容温度传感器，包括红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路，承载装置、电路基板，热敏电阻以及封装外壳，所述封装外壳由所述管帽和所述管座形成密闭的收纳空间，将所述红外热辐射电容、热敏元件、信号读出电路、承载装置、电路基板收纳在其中。所述管帽上有安装红外光学滤光片的窗口，所述管帽开窗口处安装红外长波通光学滤光片，典型透过波长为5-14um，所述红外热辐射电容、热敏电阻以及读出电路均置于所述电路基板上。该红外热电容温度传感器可以用于人体、动物体表及其他物体表面温度的测温。

具体的，所述红外热辐射电容的敏感元为单元或多元构成的串联、并联热电容电路，其上电极及下电极均为对称的等面积图案，该图案为镀制有金黑/镍/铬/锑/康铜材料等金属合金材料的感温电路，其光电晶体/多晶陶瓷材料组成的电容器极板具有良好的热阻性，与感温电路形成绝对电势差。

具体的，所述红外热辐射电容的敏感元可以为多元组成的阵列型热电容电路中的一种，其上电极为矩形、环形和曲别针形图案的一种，下电极为对称的等面积矩形、环形和曲别针形图案的一种，其多元构成的阵列组成串联、并联热电容电路。该图案为蒸镀、喷涂或印制有镀制有金黑/铬/镍/锑/康铜材料的感温电路，其光电晶体/多晶陶瓷组成的电容器极板具有良好的热阻性，与敏感元形成绝对电势差。

具体的，所述热敏元件为NTC热敏电阻、PT100测温元件，用来测量传感器所处的环境温度,作为器件参考温度。

具体的，所述红外热辐射电容的敏感元极板材料可选晶体和多晶陶瓷中的任意一种，且形状为单元、多元以及阵列中的任意一种，

具体的，所述读出电路分为模拟输出、数字输出型，模拟输出型包括含场效应管FET、EMI电容、电阻等；数字型输出型分别包括：运算放大器OP、EMI电容、电阻、模拟数字转换器ADC、单片机MCU等。

具体的，所述读出电路是模拟数字混合ASIC芯片，其内部集成有信号运算放大器OP、模拟数字转换器ADC等。

具体的，所述读出电路是单片机MCU，其内部也集成有信号运算放大器OP、模拟数字转换器ADC、微处理器DSP及接口电路等。

具体的，所述电路基板为表面印刷有电路的PCB板和陶瓷基板中的任意一种。

具体的，该温度传感器还可以采用不同结构的封装形式，具体为TO金属封装结构和SMD封装结构中的任意一种，以利于进一步拓展该温度传感器的应用场景。

本实用新型有以下六种实施例，具体如下：

实施例一：如附图1所示的TO形式封装的红外热电容温度传感器，其中包括：波长为5-14um的长波通红外滤光片1、红外热电容敏感元2、补偿热敏电阻3、读出电路4、引脚5、电路基板7、承载装置8、金属封装外壳6和9。外壳由管帽9和管座6形成密闭的收纳空间，将红外热电容2、补偿热敏电阻3、读出电路4、承载装置8、电路基板7收纳其中，管帽6上有安装波长5-14um的长波通红外滤光片1，形成入射窗口。红外热电容2、补偿热敏电阻3、读出电路4、承载装置8、电路基板7等构成的TO形式封装的热电容温度传感器，当然根据需要还可以置入抗干扰EMI元件：铁氧体、电容、电阻等。

作为使用附图1制作的热电容温度传感器，安装在自制测温设备上，当环境温度为25℃时，光学斩波频率为1Hz，利用黑体模拟人体温度变化进行了测试，测量数据利用工具软件及数学模型拟合，从附图8中可以看出，该传感器的测温信号数据随黑体温度变化呈线性变化，可以满足人体测温的精度要求。月8日

另外为了将实现该传感器的微型化要求，特别设计出贴片式(SMD)扁平封装形式，将电路基板7设计成符合贴片式元件焊接要求的并通过PCB过孔工艺实现自带焊盘10的引脚形式，进一步缩小了器件尺寸。

实施例二：

如附图2所示的红外热辐射电容的敏感元为单元、多元或多元阵列结构的电容器电路。其上电极为单元电容器极板1、5或多元电容器极板8、10，下电极为1、5、8、10背部对称位置所形成的同样尺寸的电容器极板。特别指出：极板图案形状可以是圆型1、矩形5、8或环形结构10，具体尺寸根据设计要求调整。其中3、4、7、9、12、11为电容器电极引出端，该单元、多元或多元阵列平板电容器极板表面沉积有铬、镍、锑、康铜材料的感温吸收层及电路，其承载装置和电路基板具有良好的热阻性，与感温电路能够形成最佳的电势差和线性度。

实施例三：

如附图3所示热电容温度传感器的内部电路，内部置入的读出电路是采用FET场效应三极管芯片1，温度补偿元件R_NTC是采用NTC热敏电阻芯片，根据需要还可以置入抗干扰EMI元件：铁氧体、电容、电阻等。该热电容温度传感器为模拟输出型。

实施例四：

如附图4所示热电容温度传感器的内部电路，内部置入的读出电路采用专用ASIC芯片，其内集成有信号运算放大器OP单元4和模拟数字转换ADC单元5，该热电容温度传感器为数字ADC输出型。

实施例五：

如附图5所示热电容智能温度传感器的内部电路，内部置入的读出电路采用单片机MCU芯片，其内部集成信号放大器OP单元4、模拟数字转换ADC单元5、数据存储器及程序存储器RAM/ROM单元6及可编程微处理器DSP单元7，该热电容温度传感器为智能数字输出型。

实施例六：

如图6、7所示热电容温度传感器的一种测温方案系统模块图和局部图。主要用于人体表面温度测量，测温校准在摄氏32-42℃之间，特别指出，在使用热电容智能温度传感器时，为了提高抗干扰能力，提高灵敏度和测量精度，需要在热电容传感器前端布置良好的光学系统，特别是增加菲涅尔聚焦透镜1，光学斩波器2(斩波频率为1Hz)以利于红外线能量聚焦和提高信号灵敏度。具体来讲,光学斩波器2是具有二个固定的斩波状态：一个是光路全开状态7，另一个是光路关闭状态8，电磁铁线圈引线为10。热电容温度传感器3通过信号放大器和单片机电路连接并进行数据处理，再通过显示屏或通信接口实现人体表面温度数据读出。

综上所述，该红外热电容温度传感器，与传统非接触式热电堆温度传感器相比，本技术方案的红外热电容温度传感器也不需要与被测物体接触，而且由于对热辐射的响应更为敏感，可以实现相对更远距离的测温，用该原理制作的热电容温度传感器，被测物体微小的温度波动就会产生较大的热电容参数变化，尤其在集成有读出电路及数字处理芯片的智能型热电容温度传感器具有灵敏度高、线性良好、可以分辨最小0.1℃温差、可测上限高(200℃)、动态响应快、不破坏温度场、制作成本相对较低的优点。

对于本领域技术人员而言，显然本本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本原理的情况下，能够以其他的具体形式实现。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种红外热电容温度传感器，其特征在于，其结构包括：红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路、承载装置、电路基板、热敏电阻、管座、管帽以及封装外壳，所述封装外壳由所述管帽和所述管座形成密闭的收纳空间，将所述红外热辐射电容、热敏元件、信号读出电路、承载装置、电路基板收纳在其中，所述管帽上有安装红外光学滤光片的窗口，所述管帽开窗口处安装红外长波通光学滤光片，典型透过波长为5-14um，所述红外热辐射电容、热敏电阻以及信号读出电路均置于所述电路基板上。

2.根据权利要求1所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述红外热辐射电容的敏感元为单元或多元构成的串联、并联热电容电路，其上电极及下电极均为对称的等面积圆形或矩形图案。

3.根据权利要求2所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述红外热辐射电容的敏感元可以为多元组成的阵列型热电容电路，其上电极为多个矩形、环形或曲别针形图案的一种，下电极为同种形状对称的等面积多个矩形、环形或曲别针图案的一种，组成阵列型串联、并联热电容电路。

4.根据权利要求3所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述红外热辐射电容的敏感元材料可选晶体和多晶陶瓷中的一种，而且所述的该图案为蒸镀、喷涂或印制有金黑/铬/镍/锑/康铜材料的感温电路。

5.根据权利要求1所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述热敏元件为NTC热敏电阻、PT100测温元件，用来测量传感器所处的环境温度,作为器件参考温度。

6.根据权利要求1所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：按读出电路分为模拟输出和数字输出型，模拟输出型包括：场效应管FET、EMI电容、电阻等；数字型输出型分别包括：信号运算放大器OP、EMI电容、电阻、模拟数字转换器ADC、单片机MCU。

7.根据权利要求6所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述读出电路是模拟数字混合ASIC芯片，其内部集成有信号运算放大器OP单元、模拟数字转换器ADC单元、低通滤波单元电路。

8.根据权利要求6所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述读出电路是单片机MCU，其内部也集成有信号运算放大器OP单元、模拟数字转换器ADC单元、微处理器DSP单元及接口电路单元。

9.根据权利要求1所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述电路基板为表面印刷有电路的PCB板和陶瓷基板中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：该红外热电容温度传感器还可以采用不同结构的封装形式，具体为TO金属封装结构和SMD封装结构中的任意一种。

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