CN218628663U - 一种热电堆红外传感器及耐热冲击的非接触式测温枪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感器领域，特别是涉及一种热电堆红外传感器及耐热冲击的非接触式测温枪。该传感器由敏感元件和信号放大电路封装而成。敏感元件为热电堆芯片，热电堆芯片包括由下至上叠层设置的衬底、支撑层、热电堆层和光学吸收层。热电堆层位于支撑层上方，包括由多个彼此串联的热电偶依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列。在热电偶阵列中，每条热电偶的热结端均位于衬底的中央，形成热结区域；每条热电偶的冷结端均位于靠近衬底周向边缘的区域，形成冷结区域。测温枪中使用了改进型热电堆红外传感器。其中，热电堆中的冷结区域和热结区域均位于对应衬底中镂空部分的区域。本方案解决了传统红外温度计的测量精度受环境温度影响较大的问题。

Description

一种热电堆红外传感器及耐热冲击的非接触式测温枪

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别是涉及一种热电堆红外传感器及耐热冲击的非接触式测温枪。

背景技术

在日常生活和工业生产中经常需要对物体或环境的温度进行测量，测量目标对象温度的方法很多，各类测温方法主要根据物体温度与其它可量化的温度标志属性间的关系对物体的温度进行间接测量。根据选择的温度标志的不同，温度测量方法大致可分为膨胀测温法、压力测温法、电学测温法、磁学测温法、声学测温法和频率测温法等。其中，膨胀测温法和电学测温法是最常见的两种测温方法。例如，水银温度计和双金属温度计就是基于膨胀测温法工作的两种温度计产品，前者多用于测量人体或动物的体温，后者多用于测量环境温度。电学测温法采用某些随温度变化的电学量作为温度的标志。属于这一类的温度计主要有热电偶温度计、电阻温度计和半导体热敏电阻温度计等。

红外温度计是一种新型的电学测温式温度计，该温度计使用一种基于塞贝克效应设计的特殊的温度传感器；该温度传感器通过特殊的热电堆芯片吸收高温被测物释放的红外辐射，然后在两种不同的导电体或半导体间产生与红外辐射强度具有正相关的电势差，进而实现度被测物温度的间接测量。不同于传统的水银温度计、双金属温度计、电阻温度计和热电偶温度计，红外温度计测量时不需要和被测物体接触以实现热传递；红外温度计可以实现较远距离的非接触式温度测量；这种非接触式测温方式在超高温物体的温度测量方面具有非常广泛的应用。同时，红外温度计精度的不断提高，其在人体体温测量等低温目标的温度测量方面也表现出很好的应用效果。

但是，基于热电堆芯片的红外传感器也有其固有缺陷。红外传感器的测量原理是通过塞贝克效应提升冷结区域和热结区域温差以产生所需的电动势；因此，传统的热电堆芯片为了增强信号强度，通常会在结构设计中对热结区域对应的部分衬底进行局部掏空，进而抑制热结区域的热传导，增大热结区域和冷结区域的温差。但是，采用这种设计的热电堆芯片在实际应用过程中，当外界环境温度发生剧烈波动，例如温差变化速率超过10℃/s时，热堆芯片冷热端就会因为热量传递效率不一致而出现热失衡，并导致传感器输出的电压信号出现过冲现象。这极大影响传感器的性能稳定性和检测精度，严重时甚至会直接对MEMS热电堆芯片造成不可逆的损伤。

基于上设计述缺陷，传统的红外温度传感器在进行温度测量时，测量结果非常容易受到环境温度的影响，环境温度的剧烈变化会显著降低测量结果的精度。这一问题在测量高温目标的温度时尤为突出，甚至已经影响到红外温度计在这一类场景的中的实际应用。

实用新型内容

基于此，针对现有技术中基于热电堆芯片的红外温度计的测量精度受环境温度影响较大的问题；本实用新型提供一种热电堆红外传感器及耐热冲击的非接触式测温枪。

本实用新型公开的技术方案如下：

一种热电堆红外传感器，其由敏感元件和信号放大电路封装而成。敏感元件为热电堆芯片，热电堆芯片用于接收被测目标发出的红外辐射，并生成一个对应的电信号。信号放大电路用于对热电堆芯片生成的电信号进行放大。

热电堆芯片包括由下至上叠层设置的衬底、支撑层、热电堆层和光学吸收层。衬底的中央局部镂空，支撑层位于衬底上方并覆盖镂空区域。热电堆层位于支撑层上方，包括由多个彼此串联的热电偶依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列。在热电偶阵列中，每条热电偶的热结端均位于衬底的中央，形成热结区域；每条热电偶的冷结端均位于靠近衬底周向边缘的区域，形成冷结区域。其中，热电堆中的冷结区域和热结区域均位于对应衬底中镂空部分的区域；光学吸收层位于热电堆层上表面对应热结区域的位置，并采用多孔的表面微结构。

作为本实用新型进一步的改进，热电偶阵列中的每个热电偶的冷结端距镂空部分边沿的实心部分的最短距离相同，且为100-200μm。

作为本实用新型进一步的改进，热电堆层中的热电偶阵列采用内圆外方的中心放射状排列。此时，热电堆层中的热结区域位于由各个热电偶靠内一侧的端部构成的圆环区域内；冷结区域位于由各个热电偶靠外一侧的端部构成的方环区域内。

作为本实用新型进一步的改进，热电堆层上表面设有第一反射层，第一反射层覆盖在热电偶阵列中冷结区域的上表面；第一反射层用于反射照射到冷结区域的外界红外辐射。

作为本实用新型进一步的改进，支撑层的上表面设置有第二反射层，第二反射层位于对应热电偶阵列中的热结区域的局部位置。第二反射层用于反射热结区域朝向衬底一侧的红外辐射。

本实用新型中，第一反射层和第二反射层均采用由Ag、Au、Cu、Al中的任意一种材料制备而成的单一金属镀层薄膜，或由Ag、Au、Cu、Al中的任意多种材料按照任意顺序多层叠加形成的复合膜层。

作为本实用新型进一步的改进，在第二反射层和所述热电堆层之间设置有绝缘的隔离层，隔离层为致密的氧化硅或氮化硅镀层。

作为本实用新型进一步的改进，光学吸收层采用黑硅、黑铂或黑金镀层；光学吸收层呈多孔的纳米森林结构。

本实用新型还包括一种耐热冲击的非接触式测温枪。非接触式测温枪包括：壳体、温度传感器、显示模块，以及信号处理器。壳体内包括一个封闭的腔体；壳体的前端包括一个检测窗，壳体表面设置有显示器安装槽。

温度传感器安装在检测窗内。温度传感器采用如前述的热电堆传感器。热电堆红外传感器中敏感元件的光学吸收层朝外；温度传感器用于接收被测目标产生的红外辐射，然后生成一个对应的电信号，并对电信号进行放大。

显示模块安装在显示器安装槽内；显示模块用于显示被测目标的测温结果。

信号处理器位于腔体内，信号处理器与温度传感器和显示模块电连接。信号处理器用于获取温度传感器输出的放大后的电信号，并根据预设的算法对电信号进行处理和校正，进而得到被测目标的温度值，然后向显示模块发送一个用于表征被测目标温度值的显示指令。

作为本实用新型进一步的改进，非接触式测温枪还包括一个激光对准装置，激光对准装置安装在壳体内；激光对准装置用于向温度传感器的检测方向一侧发射激光；激光用于指示非接触式测温枪是否与被测目标对准。

与现有技术相比，本实用新型公开的技术方案具有如下有益效果：

1、本实用新型将热电堆红外传感器中热电堆芯片采用热结居中冷结朝外的布局方案，并将衬底中的镂空区域扩大了，使得热电偶层中的热结区域和冷结区域均位于衬底镂空区域内，进而使得热电堆红外传感器冷热结温差不随环境温度发生剧烈波动，从而克服了传统红外温度传感器抗热冲击性能不足的问题。

2、本实用新型还在传感器对衬底中镂空区域的范围进行优化，并在传感器中增加了信号放大电路，以及在热电堆芯片中增加第一发反射层和第二反射层，从而克服前述改进造成的信号强度降低的负面影响，提升了红外传感器在较低温度测量场景中的测量效果。

3、本实用新型提供的非接触式测温枪使用改进后的热电堆红外传感器，因而相对现有产品而言，具有抗热冲击性能强，使用寿命长，测温精度高，既可以测量高温目标，也可以测量常温呼低温目标，量程范围较大的优点。

附图说明

图1为本实用新型实施例1中提供的热电堆红外传感器的模块示意图。

图2为本实用新型中热电堆红外传感器内的热电堆芯片的结构示意图。

图3为图2中热电堆芯片纵向的剖面结构示意图。

图4为图2的热电堆芯片中热电偶阵列的布局图。

图5为热电堆芯片中采用圆形轮廓的热电偶阵列的布局图。

图6为本实用新型实施例2中包含第一反射层的热电堆芯片中结构示意图。

图7为本实用新型实施例2中包含第一反射层和第二反射层的热电堆芯片中结构示意图。

图8为本实用新型实施例3中提供的耐热冲击的的非接触式测温枪的产品结构示意图。

图中标记为：

1、信号放大电路；2、热电堆芯片；21、衬底；22、支撑层；23、热电堆层；24、光学吸收层；25、电极焊盘；230、热电偶；101、壳体；102、温度传感器；103、显示模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，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。

需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

本实施例提供一种热电堆红外传感器，如图1所示，其由敏感元件和信号放大电路1封装而成。敏感元件为热电堆芯片2，热电堆芯片2用于接收被测目标发出的红外辐射，并生成一个对应的电信号。信号放大电路1用于对热电堆芯片2生成的电信号进行放大。

如图2所示，本实施例提供的热电堆芯片2和传统方案一样，都包括由下至上叠层设置的衬底21、支撑层22、热电堆层23和光学吸收层24。衬底21中对应热结区域的部分局部镂空，支撑层22位于衬底21上方并覆盖镂空区域。该热电堆红外传感器的工作原理如下：

在敏感元件热电堆芯片2中，光学吸收层24吸收处于“高温状态”下的待测目标发出的红外辐射，并将辐射能转换为内能；光学吸收层24的内能增大，温度升高，并将部分热量传导至热电堆层23的热结区域，使得热结区域的温度升高；由于冷结区域的温度在此时并未明显升高，因此，热结区域和冷结区域会出现明显的显著的温差。基于塞贝克效应可知，热电堆层233的冷结区域和热结区域在温差条件下会产生相应的接触电势差，即生成另一个较小的电压信号。图中电极焊盘25即为输出对应电压信号的电极触点。热电堆红外传感器中的信号放大电路1可以将热电堆芯片2输出的电压信号进行放大，电压信号与红外辐射强度以及目标物的温度之间成正比；因此可以通过预设的信号处理电路将电压信号处理成一个对应的人温度检测值，即实现了对待测目标物温度的检测。

在传统的方案中，热电堆芯片2中衬底21进行了局部镂空，镂空部分为热结区域下方。此时，光学吸收层24转换的内能传导至热结区域后，将无法向衬底21一侧传导。在这一条件下，当环境温度发生剧烈波动时，热电堆芯片2由于热结区域的热传导效应不佳温度会持续升高，而冷结区域由于和衬底21可以产生良好的热传导，因此温度会随着环境温度发生波动。在这一条件下，热电堆红外传感器的冷热结区域的温差会跟随环境温度发生剧烈波动，进而导致检测精度变差。同时，当环境温度下降过低，冷热端温差过大时会出现热失衡，这导致传感器的输出产生信号过冲现象，损坏传感器或后端的信号处理模块。

在本实例改进的方案中，如图3所示，热电堆层23位于支撑层22上方，包括由多个彼此串联的热电偶230依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列。在热电偶阵列中，每条热电偶230的热结端均位于衬底21的中央，形成热结区域；每条热电偶230的冷结端均位于靠近衬底21周向边缘的区域，形成冷结区域。其中，热电堆中的冷结区域和热结区域均位于对应衬底21中镂空部分的区域；光学吸收层24位于热电堆层23上表面对应热结区域的位置，并采用多孔的表面微结构。光学吸收层24采用黑硅、黑铂或黑金镀层；光学吸收层24呈多孔的纳米森林结构。

改进后的方案中，热结区域和冷结区域部分的衬底21均进行镂空处理，这使得冷结区域和热结区域在器件工作期间均处于同等的“散热条件”下，当环境温度发生剧烈波动时，冷结区域和热结区域均不会随着环境温度而发生明显变化，仅有热结区域随着光学吸收层24对红外辐射的吸收转化而出现温度增高，进而实现对目标物的温度测量。因此本实施例改进后的方案中，热电堆红外传感器不再会因环境温度突变而出现精度偏差和器件损坏，这提升了器件的抗热冲击能力。

对于本实施例的改进造成热电堆芯片2输出信号强度变弱的问题，本实施例通过两种方案进行克服：一是从信号角度进行改良，通过信号放大电路1对热电堆芯片2的输出的电信号进行放大，克服检测信号的强度过低的问题。二是从器件结构本身进行改良，通过将热电堆层23中的热结区域置于衬底21镂空区域的中央，并将冷结区域置于衬底21镂空区域的边缘，使得热结区域的热传导状态相对冷结区域进一步“恶化”；这会使得器件工作器件热结区域的温升进一步拉高，而冷结区域的温度升幅适当缩小；从而使得冷热端的温差不至于过小，进而适当地抑制衬底21进一步镂空造成的信号强度损失。特别地，经过大量试验数据的测试和验证，本实施例的热电偶阵列中的每个热电偶230的冷结端距镂空部分边沿的实心部分的最短距离相同，均设置为100-200μm。

经过上述改良，本实施例提供的热电堆红外传感器不仅可以有效测量高温目标物的温度，在低温目标物的温度测量方面也可以产生较佳的测量精度。

在本实施例中，考虑到MEMS工艺中热电堆芯片2通常都是方形的，而衬底21镂空工艺产生的镂空区形状也多是方形的。因此，本实施例为了控制热电堆芯片2中每个热电偶230的冷结端，距衬底21镂空部分边沿的实心部分的最短距离相同，而将热电堆芯片2中的热电偶阵列设计为如图4所示的结构。图中4中热电偶阵列采用内圆外方的中心放射状排列。此时，热电堆层23中的热结区域位于由各个热电偶230靠内一侧的端部构成的圆环区域内；冷结区域位于由各个热电偶230靠外一侧的端部构成的方环区域内。

需要特别说明的是，图4仅为本实施例中热电堆芯片2中热电偶阵列的一种较优的方案，在其它实施例中，热电偶阵列也可以采用其它方案进行布局。由于这部分并非本实施例的的核心改进点，本实施例不会热电偶阵列的布局方式进行过多限定，例如，加入可以对衬底21进行圆形镂空，并保证热电偶阵列中热电偶230的密度，图5所示的圆形布局方案也可以是一种可行的方案。

实施例2

在实施例1方案的基础上，本实施例进一步提供一种更加优化的热电堆红外传感器。本实施例与实施例1方案的区别在于：

如图6所示，本实施例在热电堆芯片2的热电堆层23上表面设有第一反射层，第一反射层覆盖在热电偶阵列中冷结区域的上表面；第一反射层用于反射照射到冷结区域的外界红外辐射。第一反射层和由Ag、Au、Cu、Al中的任意一种材料制备而成的单一金属镀层薄膜，或由Ag、Au、Cu、Al中的任意多种材料按照任意顺序多层叠加形成的复合膜层。

在增加第一反射层之后，在热结区域在吸收待测目标物的发出红外发射而产热升温过程中，冷结区域将无法吸收待测目标发出的红外辐射，因此冷结区域和热结区域的温度将进一步升高，进而使得热电堆红外传感器的信号强度适当增强。提升器件对低温目标物的温度测量能力。

在更优化方案中，如图7所示，本实施例的支撑层22的上表面设置有第二反射层，第二反射层位于对应热电偶阵列中的热结区域的局部位置。第二反射层用于反射热结区域朝向衬底21一侧的红外辐射。第二反射层和第一反射层采用相同的材料和结构方案。特别地，为避免支撑层22上的第二反射层对热电堆层23性能造成影响，本实施例在第二反射层和热电堆层23之间设置有绝缘的隔离层，隔离层为致密的氧化硅或氮化硅镀层。

第二反射层和第二反射层的结构和功能不同，但是设计目标是一致的，都是用于在热电堆芯片2工作过程中增强器件的信号强度，第二反射层的工作原理在于：在光学吸收层24吸收红外辐射并导致热电堆层23的热结区域温度升高时，理论上应将所有转换的能量用于加热热结区域，进而提高检测精度。但是，光学吸收层24在向热结区域进行热传递时实际上会存在能量损耗的。例如，红外吸收层和热电偶230层的热结区域朝会向衬底21一侧发出红外辐射，这种红外辐射也属于是损耗。本实施例中的第二反射层可以将这部分红外辐射反射回去，降低损耗，进而导致冷结区域和热结区域的温差最大化，增强MEMS热电堆芯片2的信号强度和灵敏度。以及提升热电堆红外传感器对低温目标的温度测量性能。

实施例3

在实施例1和2的基础上，本实施例提供一种耐热冲击的非接触式测温枪。如图8所示，该型非接触式测温枪包括：壳体101、温度传感器102、显示模块103，以及信号处理器。壳体101内包括一个封闭的腔体；壳体101的前端包括一个检测窗，壳体101表面设置有显示器安装槽。

温度传感器102安装在检测窗内。温度传感器102采用如前述的热电堆传感器。热电堆红外传感器中敏感元件的光学吸收层24朝外；温度传感器102用于接收被测目标产生的红外辐射，然后生成一个对应的电信号，并对电信号进行放大。

显示模块103安装在显示器安装槽内；显示模块103用于显示被测目标的测温结果。

信号处理器位于腔体内，信号处理器与温度传感器102和显示模块103电连接。信号处理器用于获取温度传感器102输出的放大后的电信号，并根据预设的算法对电信号进行处理和校正，进而得到被测目标的温度值，然后向显示模块103发送一个用于表征被测目标温度值的显示指令。

作为本实施例进一步的改进，非接触式测温枪还包括一个激光对准装置，激光对准装置安装在壳体101内；激光对准装置用于向温度传感器102的检测方向一侧发射激光；激光用于指示非接触式测温枪是否与被测目标对准。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种热电堆红外传感器，其特征在于：其包括敏感元件和信号放大电路，所述敏感元件为热电堆芯片，所述热电堆芯片用于接收被测目标发出的红外辐射，并生成一个对应的电信号；所述信号放大电路用于对所述电信号进行放大；

所述热电堆芯片包括由下至上叠层设置的衬底、支撑层、热电堆层和光学吸收层；所述衬底的中央局部镂空，支撑层位于衬底上方并覆盖镂空区域；所述热电堆层位于支撑层上方，包括由多个彼此串联的热电偶依次排列进而构成一个双层的热电偶阵列；在所述热电偶阵列中，每条热电偶的热结端均位于衬底的中央，形成热结区域；每条热电偶的冷结端均位于靠近衬底周向边缘的区域，形成冷结区域；其中，所述热电堆中的冷结区域和热结区域均位于对应衬底中镂空部分的区域；所述光学吸收层位于热电堆层上表面对应热结区域的位置，并采用多孔的表面微结构。

2.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于：所述热电偶阵列中的每个热电偶的冷结端距镂空部分边沿的实心部分的最短距离相同，且为100-200μm。

3.根据权利要求2所述的热电堆红外传感器，其特征在于：所述热电堆层中的热电偶阵列采用内圆外方的中心放射状排列；此时，所述热电堆层中的热结区域位于由各个热电偶靠内一侧的端部构成的圆环区域内；冷结区域位于由各个热电偶靠外一侧的端部构成的方环区域内。

4.根据权利要求3所述的热电堆红外传感器，其特征在于：所述热电堆层上表面设有第一反射层，所述第一反射层覆盖在所述热电偶阵列中冷结区域的上表面；所述第一反射层用于反射照射到冷结区域的外界红外辐射。

5.根据权利要求4所述的热电堆红外传感器，其特征在于：所述支撑层的上表面设置有第二反射层，所述第二反射层位于对应所述热电偶阵列中的热结区域的局部位置；所述第二反射层用于反射热结区域朝向衬底一侧的红外辐射。

6.根据权利要求5所述的热电堆红外传感器，其特征在于：所述第一反射层和第二反射层均采用由Ag、Au、Cu、Al中的任意一种材料制备而成的单一金属镀层薄膜，或由Ag、Au、Cu、Al中的任意多种材料按照任意顺序多层叠加形成的复合膜层。

7.根据权利要求5所述的热电堆红外传感器，其特征在于：在所述第二反射层和所述热电堆层之间设置有绝缘的隔离层，所述隔离层为致密的氧化硅或氮化硅镀层。

8.根据权利要求1所述的热电堆红外传感器，其特征在于：所述光学吸收层采用黑硅、黑铂或黑金镀层；所述光学吸收层呈多孔的纳米森林结构。

9.一种耐热冲击的非接触式测温枪，其特征在于，所述非接触式测温枪包括：

壳体，其内包括一个封闭的腔体；所述壳体的前端包括一个检测窗，所述壳体表面设置有显示器安装槽；

温度传感器，其安装在所述检测窗内；所述温度传感器采用如权利要求1-8中任意一项所述的热电堆传感器封装后的产品；所述热电堆红外传感器中敏感元件的光学吸收层朝外；所述温度传感器用于接收被测目标产生的红外辐射，然后生成一个对应的电信号，并对所述电信号进行放大；

显示模块，其安装在所述显示器安装槽内；所述显示模块用于显示被测目标的测温结果；以及

信号处理器，其位于所述腔体内，所述信号处理器与所述温度传感器和显示模块电连接；所述信号处理器用于获取温度传感器输出的放大后的电信号，并根据预设的算法对电信号进行处理和校正，进而得到被测目标的温度值，然后向所述显示模块发送一个用于表征被测目标温度值的显示指令。

10.根据权利要求9所述的耐热冲击的非接触式测温枪，其特征在于：所述非接触式测温枪还包括一个激光对准装置，所述激光对准装置安装在壳体内；所述激光对准装置用于向所述温度传感器的检测方向一侧发射激光；所述激光用于指示非接触式测温枪是否与被测目标对准。

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