TW202240132A - 紅外線溫度感測器 - Google Patents
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Abstract
一種紅外線溫度感測器包含一熱電堆感測器以及一紅外線反射器，其中紅外線反射器反射目標物所輻射之紅外線至熱電堆感測器之一第一熱電堆感測元件以感測目標物之溫度。藉由適當設計紅外線反射器之一反射面，可使紅外線溫度感測器之感測範圍的水平視角較大，而垂直視角較小。此外，熱電堆感測器包含一第二熱電堆感測元件，其可感測封裝結構之熱輻射，以校正補償封裝結構因環境溫度變化所造成的量測誤差，進而提高量測準確度。
Description
本發明是有關一種溫度感測器，特別是一種非接觸式之紅外線溫度感測器。
在工業安全的應用中，許多場合需要監控設備的工作溫度。當設備溫度異常時可提供警示或是採取斷電等必要的處置。舉例而言，伺服器或電競主機之電源接頭常因大電流發熱老化，導致導點接點溫度過高而燒毀甚至起火。上述應用場合中，需要溫度監控的範圍是水平方向視角較大，而垂直方向視角較小。於另一個應用場合中，冰箱冷藏室之分層大多為水平方向較寬，而垂直方向較窄之設計，因此，需要溫度監控的範圍亦是水平方向視角較大，而垂直方向視角較小。
請參照圖1，以傳統之紅外線溫度感測器量測主機板之電源接頭之溫度為例作說明。目標物T (例如電源接頭) 設置於主機板10上，紅外線溫度感測器122設置於基板121上，且基板121插接於主機板10上鄰近目標物T之連接座11而與主機板10電性連接，紅外線溫度感測器122即可量測目標物T之溫度。由於電源接頭 (目標物T) 的高度較低 (約13mm)，因此，紅外線溫度感測器122的垂直視角不能太大 (例如10-20度)，而電源接頭 (目標物T) 的寬度較大 (例如35mm)，因此，紅外線溫度感測器122的水平視角較大 (例如40-90度)。為了符合上述應用場合，傳統的紅外線溫度感測器是在熱電堆感測器的紅外線視窗上設置金屬遮擋片以限制垂直方向的感測視角。然而，此方法將大大降低熱電堆感測器的靈敏度。
此外，為了配合電源接頭(目標物T)的高度 (約13mm)，紅外線溫度感測器122的高度需設置於5-6mm處。然而，受到連接座11 (例如Micro USB連接座) 的限制，紅外線溫度感測器122設置於5-6mm的高度有一定程度的困難度。請參照圖2，現有調整紅外線溫度感測器122高度的作法是將紅外線溫度感測器122設置L型基板221，以避開連接座11的空間限制。圖2所示之作法雖然易於調整紅外線溫度感測器122的高度，但需佔用較大的主機板10的面積。
另需注意的是，非接觸式之紅外線溫度感測器的量測準確度容易因環境溫度不穩定而受到影響。舉例而言，主機之散熱風扇或冰箱之循環風扇間歇性啟動皆會造成環境溫度的大幅變化，進而造成紅外線溫度感測器的量測誤差。
有鑑於此，如何調整紅外線溫度感測器的感測視角並提升紅外線溫度感測器的量測準確度便是目前極需努力的目標。
本發明提供一種紅外線溫度感測器，其是以一紅外線反射器反射目標物所輻射之紅外線至一第一熱電堆感測元件以感測目標物之溫度。藉由適當設計紅外線反射器之反射面，可使紅外線溫度感測器之感測範圍的水平視角較大，而垂直視角較小。此外，本發明之紅外線溫度感測器包含一第二熱電堆感測元件，其可感測封裝結構之熱輻射，以校正補償封裝結構因環境溫度變化所造成的量測誤差，進而提高量測準確度。
本發明一實施例之紅外線溫度感測器包含一熱電堆感測器以及一紅外線反射器。熱電堆感測器包含一基板、一蓋體、至少一第一熱電堆感測元件、一第二熱電堆感測元件、一濾波片、一環境溫度感測器以及一信號處理器。蓋體設置於基板，且與基板定義出一容置空間，其中蓋體包含一視窗以及一遮蔽部。至少一第一熱電堆感測元件設置於容置空間內之基板，並與基板電性連接，其中第一熱電堆感測元件對應於蓋體之視窗，以接收外部之一目標物所輻射之一第一紅外線並產生一第一感測信號。第二熱電堆感測元件設置於容置空間內之基板，並與基板電性連接，其中第二熱電堆感測元件對應於蓋體之遮蔽部，以接收遮蔽部所輻射一第二紅外線並產生一第二感測信號。濾波片設置於視窗，以篩選特定波長範圍之第一紅外線。環境溫度感測器感測一環境溫度以產生一環境溫度感測信號。信號處理器與第一熱電堆感測元件、第二熱電堆感測元件以及環境溫度感測器電性連接，以處理第一感測信號、第二感測信號以及環境溫度感測信號。紅外線反射器設置於蓋體之視窗前端，以偏轉第一紅外線至至少一第一熱電堆感測元件，並定義至少一第一熱電堆感測元件之一感測視角，其中感測視角於一第一方向之視角大於或等於55度，於一第二方向之視角小於或等於35度，且第二方向垂直於第一方向。
以下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
以下將詳述本發明之各實施例，並配合圖式作為例示。除了這些詳細說明之外，本發明亦可廣泛地施行於其它的實施例中，任何所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本發明之範圍內，並以申請專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的瞭解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免對本發明形成不必要之限制。圖式中相同或類似之元件將以相同或類似符號來表示。特別注意的是，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，有些細節可能未完全繪出，以求圖式之簡潔。
請參照圖3以及圖4，本發明之一實施例之紅外線溫度感測器包含一熱電堆感測器32以及一紅外線反射器33。於圖3所示之實施例中，熱電堆感測器32設置於一電路板31，例如主機板，以感測目標物T (例如電源接頭) 之溫度。熱電堆感測器32之詳細結構容後說明。
紅外線反射器33用以反射目標物T所輻射之紅外線至熱電堆感測器32。舉例而言，紅外線反射器33之反射面331設置於熱電堆感測器32之前端，即可將目標物T所輻射之紅外線反射至熱電堆感測器32。需注意的是，透過適當設計之反射面331之結構即可定義紅外線反射器33之感測視角。舉例而言，紅外線反射器33之反射面331可為一凸面，以使熱電堆感測器32之感測視角於一第一方向(例如水平方向) 之視角θ1較大，而於一第二方向(例如垂直方向) 之視角θ2較小，且第二方向垂直於第一方向。舉例而言，感測視角於第一方向之視角θ1大於或等於55度，於一實施例中，感測視角於第一方向之視角θ1大於或等於90度；感測視角於第二方向之視角θ2小於或等於35度。於一實施例中，第一方向平行熱電堆感測器32之基板321 (如圖6所示) 之一表面。可以理解的是，依據應用場合或目標物T之外型，反射面331之結構可適當修改，使第一方向不平行於熱電堆感測器32之基板321。
請再參照圖3，可以理解的是，透過紅外線反射器的反射，目標物T至熱電堆感測器32之光軸形成一夾角θ3。透過調整夾角θ3，本發明之紅外線溫度感測器即可感測不同高度之目標物T之溫度。
於一實施例中，紅外線反射器33之反射面331包含一金屬層。舉例而言，可於反射面331鍍上鋁、鎳、鉻、金或以上組合之合金之金屬層，以提升紅外線之反射率。
可以理解的是，凸面之反射面331將造成熱電堆感測器32接收端之紅外線強度分佈變化，例如中央區域之紅外線強度較強，遠離中央區域之紅外線強度較弱，如此將導致溫度感測的誤差。於一實施例中，可將反射面331之中央區域粗糙化處理，以使反射面331之中央區域的表面粗糙度大於中央區域外圍之周圍區域的表面粗糙度。依據此結構，可降低反射面331之中央區域之反射效果，以均勻化熱電堆感測器32接收端之紅外線強度分佈。於一實施例中，反射面331之中央區域的表面粗糙度小於或等於3μm；反射面331之周圍區域的表面粗糙度小於或等於0.1μm。
請再參照圖3，紅外線反射器33包含一頂面332，其為一平面，並平行熱電堆感測器32之基板321 (如圖6所示)。生產設備可利用頂面332吸取紅外線反射器33進行定位、黏著等製程，而易於實現自動化生產。
請參照圖5以及圖6，以說明本發明之熱電堆感測器32之結構。熱電堆感測器包含一基板321、一蓋體322、至少一第一熱電堆感測元件323a、一第二熱電堆感測元件323b、一濾波片324、一環境溫度感測器325以及一信號處理器326。於一實施例中，基板321之材料可為雙馬來亞醯胺三嗪(Bismaleimide Triazine，BT)樹脂或陶瓷。可以理解的是，基板321包含多個導電接點以及適當的導電跡線以電性連接相對應之導電接點，以供基板321上之電子元件與基板321電性連接，並將所產生之感測信號經由導電接點321a輸出至外部。基板321之詳細結構為本領域的技術人員所熟知，故在此不再贅述。
第一熱電堆感測元件323a以及第二熱電堆感測元件323b設置於基板321上，並與基板321電性連接。第一熱電堆感測元件323a用以接收一第一紅外線以產生一第一感測信號。第二熱電堆感測元件323b用以接收一第二紅外線以產生一第二感測信號。於圖5以及圖6所示之實施例中，第一熱電堆感測元件323a以及第二熱電堆感測元件323b整合於單一晶片323。於一實施例中，晶片323是以導熱膠固設於基板321上。導熱膠可降低基板321至晶片323間之熱阻，有利感測環境溫度。
環境溫度感測器325用以感測一環境溫度以產生一環境溫度感測信號。於一實施例中，環境溫度感測器325亦可與第一熱電堆感測元件323a以及第二熱電堆感測元件323b整合於單一晶片323。舉例而言，環境溫度感測器325可為一矽基溫度感測器。於一實施例中，矽基溫度感測器包含多個串接之蕭特基二極體。於一實施例中，環境溫度感測器325可為一獨立元件，舉例而言，其可為一熱敏電阻設置於基板321上，並與基板321電性連接，並輸出相對應的環境溫度感測信號。
信號處理器326設置於基板321上，並與第一熱電堆感測元件323a、第二熱電堆感測元件323b以及環境溫度感測器325電性連接。信號處理器326處理第一熱電堆感測元件323a、第二熱電堆感測元件323b以及環境溫度感測器325所輸出之第一感測信號、第二感測信號以及環境溫度感測信號，以計算目標物T之溫度。於一實施例中，第一熱電堆感測元件323a以及第二熱電堆感測元件323b可反向串接，並輸出第一感測信號以及第二感測信號之一差值，以簡化信號處理器326的處理。於一實施例中，信號處理器326可與第一熱電堆感測元件323a、第二熱電堆感測元件323b以及環境溫度感測器325整合於單一晶片323。
蓋體322設置於基板321上，且與基板321定義出一容置空間，使第一熱電堆感測元件323a、第二熱電堆感測元件323b、環境溫度感測器325以及信號處理器326設置於蓋體322以及基板321間之容置空間。於一實施例中，蓋體322是以導熱膠固設於基板321上。透過導熱膠可降低蓋體322至基板321間之熱阻，使基板321容易隨著環境溫度變化而變化。
接續上述說明，蓋體322包含一視窗322a以及一遮蔽部322b。視窗322a對應於第一熱電堆感測元件323a設置，使第一熱電堆感測元件323a可透過視窗322a接收外部之熱輻射，例如目標物T所輻射之第一紅外線。遮蔽部322b則對應於第二熱電堆感測元件323b設置，使第二熱電堆感測元件323b只能接收到遮蔽部322b所輻射之第二紅外線。於圖6所示之實施例中，遮蔽部322b是由蓋體322所構成，但不限於此。舉例而言，蓋體322可包含對應於第二熱電堆感測元件323b之另一視窗，對應於第二熱電堆感測元件323b之視窗一側可設置遮蔽元件以遮蔽外部熱源之熱輻射亦可達到相同的效果。於一實施例中，遮蔽元件包含一基材以及設置於基材表面之一遮蔽層。舉例而言，遮蔽層可為金屬層以遮蔽外部熱輻射。
濾波片324設置於視窗322a之一端，以篩選特定波長範圍之紅外線通過。於一實施例中，濾波片324是以導熱膠固設於蓋體322上。導熱膠可降低蓋體32至濾波片324間之熱阻，使濾波片324容易隨著蓋體322的溫度變化而變化。舉例而言，濾波片324可包含一基材以及設置於基材上之一濾波層，其中基材可為一矽基材。於一實施例中，濾波片324設置於蓋體322之一內側，且延伸至第二熱電堆感測元件323b以及遮蔽部322b之間。依據此結構，濾波片324所產生之熱輻射可透過第二熱電堆感測元件323b所輸出之第二感測信號進行校正補償。
依據上述結構，第一熱電堆感測元件323a透過蓋體322之視窗322a感測外部熱源之熱輻射，而第二熱電堆感測元件323b則感測蓋體322之遮蔽部322b(即封裝結構)之熱輻射，以作為校正補償之依據。因此，在環境溫度不穩定的情況下，例如伺服器之散熱風扇或冰箱之循環風扇選擇性啟動所造成的環境溫度變化，本發明之紅外線溫度感測器仍可快速校正補償封裝結構因環境溫度變化所造成的量測誤差，以提高量測準確度。
於一實施例中，熱電堆感測器可包含多個第一熱電堆感測元件323a，蓋體322則包含相對應之多個濾波片，以作為多通道之紅外線溫度感測器。於一實施例中，對應不同第一熱電堆感測元件323a的多個濾波片所篩選的特定波長範圍相異，如此可感測不同紅外線波段之強度以精準量測不同紅外線輻射率之目標物溫度。
請參照圖7，於一實施例中，信號處理器326包含多工器326a、326c、一可程式放大器326b、一緩衝放大器326d、一類比至數位轉換器326e、一數位濾波器326f、一暫存器326g、一通訊界面326h、一非揮發性記憶體326i以及一程序控制器326j。第一熱電堆感測元件323a以及第二熱電堆感測元件323b的感測信號輸出至多工器326a，經多工器326a選擇後再經由可程式放大器326b予以放大並後饋至多工器326c。環境溫度感測器325的環境溫度感測信號則輸出至緩衝放大器326d，經緩衝放大器326d予以放大並後饋至多工器326c。多工器326c選擇輸出第一熱電堆感測元件323a以及第二熱電堆感測元件323b的感測信號或環境溫度感測器325的感測信號至類比至數位轉換器326e，經類比至數位轉換器326e轉換成數位信號，再經由數位濾波器326f處理後將結果儲存於暫存器326g。於一實施例中，類比至數位轉換器326e可為Sigma-Delta型式之類比至數位轉換器，例如16至24位元之Sigma-Delta型式之高精度類比至數位轉換器。
接續上述說明，通訊界面326h與外部控制器CU經由第一通訊埠進行通訊，以儲存或讀取暫存器326g或非揮發性記憶體326i中的資料(例如紅外線溫度感測器之校正參數以及獨特之位址資料)，以及選擇信號通道並觸發程序控制器326j的動作。於一實施例中，第一通訊埠為一匯流排結構，外部控制器CU則與本發明之紅外線溫度感測器經由第一通訊埠選擇性進行廣播(broadcast)通訊或單播(unicast)通訊。此外，程序控制器326j另經由第二通訊埠與外部控制器CU或另一紅外線溫度感測器，使多個紅外線溫度感測器串接至外部控制器CU並進行通訊，以進行位址管理。舉例而言，外部控制器CU經由第二通訊埠指定給每一紅外線溫度感測器相對應之一位址資料。位址管理之詳細說明請參照台灣專利公告第M607216號。於一實施例中，非揮發性記憶體326i可為一電子可抹除可規劃唯讀記憶體(EEPROM)、快閃記憶體(Flash)或可多次寫入(Multiple-Times Programmable，MTP)記憶體。以上的信號處理器326的電路設計為本領域的技術人員所熟知，故在此不再贅述。
綜合上述，本發明之紅外線溫度感測器是以一紅外線反射器反射目標物所輻射之紅外線至一第一熱電堆感測元件以感測目標物之溫度。藉由適當設計紅外線反射器之反射面，可使紅外線溫度感測器之感測範圍的水平視角較大，而垂直視角較小。此外，本發明之紅外線溫度感測器包含一第二熱電堆感測元件，其可感測封裝結構之熱輻射，以校正補償封裝結構因環境溫度變化所造成的量測誤差，進而提高量測準確度。
以上所述之實施例僅是為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。
10:主機板
11:連接座
121:基板
122:紅外線溫度感測器
221:L型基板
31:電路板
32:熱電堆感測器
321:基板
321a:導電接點
322:蓋體
322a:視窗
322b:遮蔽部
323:晶片
323a:第一熱電堆感測元件
323b:第二熱電堆感測元件
324:濾波片
325:環境溫度感測器
326:信號處理器
326a、326c:多工器
326b:可程式放大器
326d:緩衝放大器
326e:類比至數位轉換器
326f:數位濾波器
326g:暫存器
326h:通訊界面
326i:非揮發性記憶體
326j:程序控制器
33:紅外線反射器
331:反射面
332:頂面
CU:外部控制器
T:目標物
θ1:視角
θ2:視角
θ3:夾角
圖1為一示意圖，顯示傳統之紅外線溫度感測器量測主機板之電源接頭之溫度。
圖2為一示意圖，顯示另一傳統之紅外線溫度感測器設置於主機板。
圖3為一示意圖，顯示本發明一實施例之紅外線溫度感測器之剖面結構。
圖4為一示意圖，顯示本發明一實施例之紅外線溫度感測器之俯視結構。
圖5為一示意圖，顯示本發明一實施例之熱電堆感測器不含蓋體以及濾波片之俯視結構。
圖6為一示意圖，顯示本發明一實施例之熱電堆感測器沿圖5之AA線之剖面結構。
圖7為一示意圖，顯示本發明一實施例之紅外線溫度感測器之信號處理器。
31:電路板
32:熱電堆感測器
33:紅外線反射器
331:反射面
332:頂面
T:目標物
θ2:視角
θ3:夾角
Claims (17)
- 一種紅外線溫度感測器，包含： 一熱電堆感測器，其包含： 一基板； 一蓋體，其設置於該基板，且與該基板定義出一容置空間，其中該蓋體包含一視窗以及一遮蔽部； 至少一第一熱電堆感測元件，其設置於該容置空間內之該基板，並與該基板電性連接，其中該第一熱電堆感測元件對應於該蓋體之該視窗，以接收外部之一目標物所輻射之一第一紅外線並產生一第一感測信號； 一第二熱電堆感測元件，其設置於該容置空間內之該基板，並與該基板電性連接，其中該第二熱電堆感測元件對應於該蓋體之該遮蔽部，以接收該遮蔽部所輻射一第二紅外線並產生一第二感測信號； 一濾波片，其設置於該視窗，以篩選特定波長範圍之該第一紅外線； 一環境溫度感測器，其感測一環境溫度以產生一環境溫度感測信號；以及 一信號處理器，其與該第一熱電堆感測元件、該第二熱電堆感測元件以及該環境溫度感測器電性連接，以處理該第一感測信號、該第二感測信號以及該環境溫度感測信號；以及 一紅外線反射器，其設置於該蓋體之該視窗前端，以偏轉該第一紅外線至該至少一第一熱電堆感測元件，並定義該至少一第一熱電堆感測元件之一感測視角，其中該感測視角於一第一方向之視角大於或等於55度，於一第二方向之視角小於或等於35度，且該第二方向垂直於該第一方向。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該第一方向平行該基板之一表面。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該紅外線反射器之一反射面為一凸面，且該目標物經由該紅外線反射器至該第一熱電堆感測元件之光軸具有一夾角。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該紅外線反射器之一反射面包含一中央區域以及位於該中央區域外圍之一周圍區域，其中該中央區域之表面粗糙度大於該周圍區域之表面粗糙度。
- 如請求項4所述之紅外線溫度感測器，其中該中央區域之表面粗糙度小於或等於3μm，該周圍區域之表面粗糙度小於或等於0.1μm。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該紅外線反射器之一反射面包含一金屬層。
- 如請求項6所述之紅外線溫度感測器，其中該金屬層包含鋁、鎳、鉻、金或以上組合之合金。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該紅外線反射器包含一頂面，其為平行該基板之一平面。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該第一熱電堆感測元件以及該第二熱電堆感測元件整合於單一晶片。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該第一熱電堆感測元件以及該第二熱電堆感測元件反向串接，以輸出該第一感測信號以及該第二感測信號之一差值。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該濾波片設置於該蓋體之一內側，且延伸至該第二熱電堆感測元件以及該遮蔽部之間。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該第一熱電堆感測元件以及該濾波片為多個，且該多個濾波片所篩選的特定波長範圍相異。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該環境溫度感測器為一熱敏電阻，其設置於該容置空間內，或為一矽基溫度感測器，其與該第一熱電堆感測元件以及該第二熱電堆感測元件整合於單一晶片。
- 如請求項13所述之紅外線溫度感測器，其中該矽基溫度感測器包含多個串接之蕭特基二極體。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該第一熱電堆感測元件、該第二熱電堆感測元件、該環境溫度感測器以及該信號處理器整合於單一晶片。
- 如請求項1所述之紅外線溫度感測器，其中該信號處理器包含： 一第一通訊埠，其為一匯流排結構，且一外部控制器與該紅外線溫度感測器經由該第一通訊埠選擇性進行廣播通訊或單播通訊；以及 一第二通訊埠，其用以串接多個該紅外線溫度感測器至該外部控制器，以接收該外部控制器指定給每一該紅外線溫度感測器之一位址資料。
- 如請求項16所述之紅外線溫度感測器，其中該信號處理器包含一非揮發性記憶體，其儲存該紅外線溫度感測器之該位址資料以及一校正參數。
Priority Applications (3)
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| TW110111999A TW202240132A (zh) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | 紅外線溫度感測器 |
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Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| TW110111999A TW202240132A (zh) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | 紅外線溫度感測器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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| TW110111999A TW202240132A (zh) | 2021-03-31 | 2021-03-31 | 紅外線溫度感測器 |
Country Status (3)
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2021
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-
2022
- 2022-02-11 CN CN202210128669.3A patent/CN115144083A/zh active Pending
Also Published As
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