CN217560804U - 一种微型体温探测器及可穿戴设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及探测器领域，具体公开了一种微型体温探测器及可穿戴设备，微型体温探测器包括测温模块、信号读取模块和终端显示模块；所述测温模块包括基板、设于基板上的探测器和设于探测器上的光学超透镜；所述信号读取模块用于信号接收、信号处理和信号发射；所述终端显示模块用于信号处理、显示和报警功能。本实用新型的微型体温探测器具有体积小、响应快、应用范围广的特点，且可实时精确的实现人体体温检测。

Description

一种微型体温探测器及可穿戴设备

技术领域

本实用新型属于探测器领域，特别涉及一种微型体温探测器及可穿戴设备。

背景技术

目前，大多数的体温探测器为一个单独的器件，并不适合用户随身携带，更不适合用户实时采集自身体温数据，将之集成进便携式可穿戴设备中，可以完美的解决该问题，例如将体温探测器集成在手环、手表或耳机中，只要开启测温功能，就可以在用户进行其他娱乐活动时，不知不觉中完成用户体温数据的实时采集。

市面上的基于可穿戴设备的体温探测器受限于成本和产品体积，并不能较合理的集成其他光学元件，故而大都基于接触式温度传感器而非红外传感测温器。这种情况下为了测温的准确性，就必须保证传感器与体表有一个良好的接触，但是在大多数可穿戴设备中，这都是难以满足的，而且在人体运动过程中，要一直保持良好的接触条件也存在较大难度，同时较紧的佩戴方式也给用户带来了不良体验。其次这种接触式的体温传感器测量的是体表皮肤温度，受环境影响较大，要换算出准确的体温，还主要需要依靠大量的数据分析和算法处理，为测量精度和优化算法带来了一定的挑战。

实用新型内容

本申请提供了一种微型体温探测器及可穿戴设备，以至少解决现有技术中存在的以上技术问题。

本申请实施例一方面提供一种微型体温探测器，包括测温模块、信号读取模块和终端显示模块；所述测温模块包括基板、设于基板上的探测器和设于探测器上的光学超透镜；所述信号读取模块用于信号接收、信号处理和信号发射；所述终端显示模块用于信号处理、显示和报警功能。

在一可实施方式中，所述光学超透镜包括基底和超构表面结构。

在一可实施方式中，所述探测器为非制冷红外焦平面探测器或单点探测器。

在一可实施方式中，所述非制冷红外焦平面探测器为热释电型探测器、热电堆型探测器、二极管型探测器、热电容型探测器和热敏电阻型探测器中的其中一种。

本申请实施例另一方面提供了一种可穿戴设备，包括上述任一实施方式中的微型体温探测器。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

1、本申请中的微型体温探测器使用超透镜技术，相较于传统的体温探测器具备更小的体积，重量更轻，在集成进可穿戴设备中时，具备更大竞争力；

2、本申请中的微型体温探测器为非接触式，相较于传统的接触式体温探测器，非接触式体温探测响应快，应用范围广，可实时精确的实现人体体温检测。

附图说明

图1是本申请中微型体温探测器的结构示意图；

图2是本申请中微型体温探测器探测耳温时的结构示意图；

图3是本申请中晶圆级封装结构的结构示意图；

图4是本申请中微型体温探测器探测体温的流程示意图。

附图标记说明：

11、衬底；12、超构表面结构；13、探测器；14、基板；

21、终端设备；22、耳朵；23、窗口；24、耳机；25、鼓膜；

31、正面增透膜；32、硅窗晶圆；33、反面增透膜；34、焊接环。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步详细说明。

在本实用新型中，其体温检测原理主要为黑体辐射定律，在自然界一切温度高于绝对零度的物体都在不断的向外辐射能量，而辐射的能量大小及其波长分布与物体的温度密切相关，物体温度越高，其辐射的能量越大，同时能量辐射极大值对应的波长减小。在采用非制冷焦平面探测器的情况下，基于黑体辐射定律的测温方法要想精确实现人体温度检测，除了得到探测器上的人体辐射能量分布外，还需要进行必要的两步：第一步标定，在实验室采用标准的黑体做为基准源，用该体温检测系统采集不同温度下的辐射数据，然后根据采集到的辐射数据和黑体的真实温度值拟合出辐射数据与温度的关系曲线，理想状态下，依据该标定的关系曲线和采集到的人体辐射能量分布可计算人体的绝对温度，但是考虑到探测器上的不同像素点的响应不同，为补偿其带来的误差，需要进行第二步非均匀性校准，即采用热发射率高和导热性均匀的材料做成一个挡板，每个一段时间该挡板会遮挡探测器，对探测器上的所有像素进行校平，建立各个像素点之间响应的映射关系，基于上述两步，可以由探测到的人体辐射能量分布准确换算为人体的体温数据。在采用单点探测器的情况下，基于上述标定步骤，得到辐射数据和黑体的真实温度值拟合出辐射数据与温度的关系曲线，则可以由此计算人体温度，而不需要考虑不同像素点之间响应不同而带来的误差，也就无需进行非均匀性校准，避免了挡板的安装，进一步缩小了器件的整体体积。依据上述原理，我们将测温模块，信号读取模块集成进可穿戴设备，配合常见的便携式终端设备，可以非常方便的实现实时监控用户体温情况。

参照图1，本实用新型公开了一种微型体温探测器，包括测温模块、信号读取模块和终端显示模块，测温模块用于探测体温，信号读取模块用于信号接收、信号处理和信号发射，终端显示模块用于信号处理、显示和报警功能。

测温模块包括基板14、设于基板14上的探测器13和设于探测器13上的光学超透镜。基板14可以采用传统的PCB电路板。

光学超透镜由基底11和超构表面结构12构成。制成光学超透镜的材料为硅、锗、硫系玻璃、硒化锌和氟化钡中的一种或几种，即制成基底11和超构表面结构12的材料为硅、锗、硫系玻璃、硒化锌和氟化钡中的一种或几种。

探测器13为非制冷红外焦平面探测器或单点探测器，非制冷红外焦平面探测器可以采用硫酸三甘肽，铌酸锂等材料制成的热释电型探测器、N型和P型的多晶硅制成的热电堆型探测器、单晶或多晶PN结构成的二极管型探测器、双材料薄膜构成的热电容型探测器和氧化钒或非晶硅组成的热敏电阻型探测器中的其中一种，单点探测器可以采用微加热器、热电堆等技术形式。探测器主要的作用在于接收人体红外辐射的热效应，从而引起探测器内敏感元件的温度上升，导致某个物理参数随之变化（可以是电阻或电势差），再通过相应的转换机制，将之转换为电信号输出。

信号读取模块包括常用的信号接收、处理和发射电路及其电子元件组成，其主要功能在于将探测器中所探测到的电信号读取，并进行基本的滤波，放大处理，再通过其发射电路，将所得到的信号发送给终端设备21。终端设备一般采用手环，手机或平板电脑等常用的便携式电子设备，其接收到发射模块发送过来的信号后，经由软件处理，将之换算为人体此时的体温，并将数据保存并输出显示，如果人体体温在一段时间内持续异常，则触发终端设备报警装置，通过声音或振动提醒用户体温异常。

此外，上述测温模块还可用于探测外界物体的温度，例如探测水温等，不仅限于探测体温。

本实用新型还公开了一种可穿戴设备，其集成有上述任一种微型体温探测器。该可穿戴设备为耳机、手环和手表中的任一种。以耳机为例，阐述体温探测器的测温过程。

参照图2，将耳机24佩戴于耳朵22上，在耳机24朝向鼓膜25的一侧设有一个用于测温的窗口23，窗口23上配置正反面均镀有增透膜的硅片，该硅片能够起到防尘保护探测器的作用。窗口23靠近耳朵22的一侧放置有微型体温探测器，用于探测人体体温。

参照图1和图2，在该使用场景下，探测器13需接收视场角约10°以内的鼓膜的红外辐射能量，为使得能量接收效率更高，提升探测精度，在探测器13前集成一个相应焦距的中红外透镜，将鼓膜辐射的中红外电磁波聚焦在探测器13上，探测器13接收到人体辐射的信号后，将之转换为电信号，由基板14的电路读取模块将之进行滤波，平滑，放大处理。为提升整体结构的鲁棒性，采用晶圆级封装技术，将上述的体温探测模块和信号读取模块封装，极大的减小了整体结构的体积，方便将之集成近各种可穿戴设备。

本实用新型所述光学超透镜可以采用硅、锗、氟化钙、氟化钡、氟化镁或硒化锌中的其中一种或者多种材料作为基底11和超构表面结构12的材料，依据实际测量耳温场景，鼓膜距离耳道外侧约2.5cm，鼓膜直径约85mm，设计超透镜直径1mm，焦距1mm，物方视场角1.8°，像面大小和所采用的非制冷焦平面探测器13的尺寸一致约3mm，其超表面的相位分布可由下面公式推导：

其中x,y为超透镜超原子坐标，

为斜入射光束与x轴和y轴入射倾角，f为所设计超透镜的焦距，λ为入射光波长，

，

。

从而依据该相位分布，采用光刻或电子束刻蚀技术制造出该应用场景下的中红外超透镜。

参照图3，本实用新型中所采用的非制冷焦平面探测器可以采购目前市面上的常用商用探测器，利用晶圆级封装技术，将其与超透镜封装在一起，制造与非制冷焦平面探测器晶圆相对应的另一片硅窗晶圆32，其材料可以采用单晶硅材料获得更好的中红外透过率，同时在其正反面分别镀有正面增透膜31和反面增透膜33，在硅窗晶圆32朝向非制冷焦平面探测器的一侧集成上述制作的中红外超透镜，其超构原子一侧朝向非制冷焦平面探测器。其硅窗晶圆32与非制冷红外焦平面精密对位，使得探测器芯片与硅窗一一对准，再在真空腔体内通过焊料环34焊接在一起，最后裂片为一个个的测温模组。

本实用新型中的体温探测器是集成在耳机中的，根据使用时间的增加，器件的整体温度也会逐渐的上升，由最初的环境温度上升到与体温接近的程度，所以在使用过程中需要依据不同的使用场景，根据场景信息的变化即时估计出探测元的增益和偏移量，从而自适应的跟踪探测像元输出的漂移，对其温度探测进行校正。常用的探测算法包括神经网络算法，时域高通滤波算法，恒定统计平均法等等。

本实用新型中的信号读取模块包括非制冷焦平面探测器读取电路及其数模转换电路，滤波，平滑，放大，发送电路组成。该模块由各种电子元件组成，可采购市面上较为成熟的信号读取模块，将探测器所得到的电信号读取，并进行基本的处理和转化后发送给终端设备。

本实用新型中终端设备可采用手机，平板等电子设备，其中包括信号处理软件，将所接收到的耳机中发送过来的信号进行处理并和其内置的标准黑体辐射温度曲线进行对应拟合，得到最终的人体体温数据并记录保存。其终端设备还包含警报装置，当软件所记录的体温数据持续异常，则对用户进行警报提醒。其终端设备还包含显示装置，实时显示所探测的人体体温。

本实用新型的测温步骤如图4所示，主要可简化为以下几步：终端设备发送采集指令-可穿戴设备中的测温模块校平-开始采集人体辐射能量-读取电路模块读取探测器所得到的电信号-数模转换为相应的数字信号-平滑，滤波，放大处理-发送给终端设备-与黑体辐射的关系曲线拟合-得到人体体温数据-储存，显示-判断是否持续异常-若持续异常则触发警报装置。

此外，上述耳机等可穿戴设备还可用于探测外界物体的温度，例如探测水温等，不仅限于探测体温。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一可实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种微型体温探测器，其特征在于，包括测温模块、信号读取模块和终端显示模块；

所述测温模块包括基板、设于基板上的探测器和设于探测器上的光学超透镜；

所述信号读取模块用于信号接收、信号处理和信号发射；

所述终端显示模块用于信号处理、显示和报警功能。

2.根据权利要求1所述的一种微型体温探测器，其特征在于：所述光学超透镜包括基底和超构表面结构。

3.根据权利要求1所述的一种微型体温探测器，其特征在于：所述探测器为非制冷红外焦平面探测器或单点探测器。

4.根据权利要求3所述的一种微型体温探测器，其特征在于：所述非制冷红外焦平面探测器为热释电型探测器、热电堆型探测器、二极管型探测器、热电容型探测器和热敏电阻型探测器中的其中一种。

5.一种可穿戴设备，其特征在于，包括权利要求1-4中任一种微型体温探测器。

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