TW384395B - Thermopile sensor, and radiation thermometer and motion detector with the thermopile sensor - Google Patents

Description

經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _______B7 . 五、發明説明（1 ) 本發明係關於熱電堆感測器’及特別關於具有熱電堆感 測器之輻射溫度計及活動檢測器。 US-A-4,722,621揭示具有熱電堆裝置之紅外線溫度計。熱 電堆裝Ϊ安裝在一盤形絕緣.片上，熱接頭配置在片之中心 及被圓形冷接頭包圍。片拉伸在一環形導熱基質上，熱電 堆位於片上側及基質位於片下側。熱電堆之熱接合位於環 形基質之中心孔區域中，及熱電堆之冷接合位於片之被基 質支持之區域中。結果’已知熱電堆中，冷接合與基質之 熱電权遠佳於熱接合’因此具有超過熱接合達一倍數之熱 容量。 已知紅外線溫度計在可變周囲溫度狀況下使用時，紅外 線潘度計外殼與熱電堆感測器間之溫度差導致溫度計外殼 之熱輻射本身置於需加量計之熱輻射而破壞量計結果。此 外，溫度差然後亦發生在熱電堆感測器内部。因熱電堆感 測器外殼先遭受由於導熱及/或對流所致之溫度變化，然後 向内傳播至熱電堆。例如，熱電堆感測器外殼被紅外線溫 度計外殼加熱時，感測器外殼將熱電堆感測器内部之空氣 極迅速加熱，然而熱空氣僅藉對流將熱電堆熱接頭加熱。 已知熱電堆感測器中，冷接合與基質成良好熱耦合，基質 由於其高熱容量，實際不被空氣加熱。當然，基質及冷接 合亦被加熱，但此一情沉係藉熱電堆感測器外殼之導熱作 而較慢發生。因此，冷及熱接合之溫度以不同速率加熱， 亦即熱電堆内亦發生溫度梯度而導致溫度量計過程中之誤 差。爲補償此等誤差，已知紅外線溫度計包括相同結構之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐） ------ ------- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 五、發明説明（2 ) 工费，輩，擎^ '费今先爹零费薰管實聲董卿寶秀―鶄:鸳: 填袭1革•露菸t查計之麵#，二者成相反♦麟* .,荣糞寧♦一 1 #鱔魏羲t f,袭f康不％§，驀穸t攀# 構之熱t单感《«·本發明之另一目的爲提鸚對肩論瀘度 襯化不敏感而同樣具有鱗蓦結構之热電堆感測籌之鵪舭瀛 度計。 根據本發明，此等目的藉熱電堆之構型達成，構型使熱 電堆之冷及熱接合在周園溫度變化時以相同速率加熱或冷 卻。達成此一情況之原因爲配置於支持結構物上之冷與熱 接合間之熱容量差藉與外殼相關之冷與熱接合間之熱絕緣 差予以補償，亦即在熱接合區之熱容量與導熱率比約相當 於冷接合區中熱容量與導熱率比。因此，自感測器外殼之 熱轉移達成冷與熱接合之一致溫度變化，阻止熱電堆内發 生破壞量計過程之溫度梯度。外殼與熱電堆間之熱轉移係 藉沿熱電堆支持結構物之熱傳導以及對流與輻射進行。熱 及冷接合之熱容量一方面由各接合之質量舆材料決定之部 份及另一方面由與支持結構物相關之部份構成。 本發明之熱電堆感測器之優點爲省略耦合於高熱容量等 溫碰之複雜熱穩定作用’亦不需要例如與第一熱電堆成串 聯對立之第二熱電堆形式之精細連接裝置。結果，此熱電 堆感測器能製成極小且簡單探針末端，例如用以在耳部量 計人體溫之輻射溫度計。本發明之熱電堆感測器特別適用 於不具有光波導或具有一短光波導或與溫度計外殼一禮成 形裝成之輻射溫度計。 «I···— -·—.— -m In nfr f Jiv (諸一鼻^^面之注項再填寫本頁)

，1T ο----- 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 A7 B7 五、發明説明P ) 較佳者，冷及熱接合與熱電堆感測器之熱絕緣品質基本 上同樣良好，各接合連同各自之支持結構物顯示基本上相 同之熱電容。藉冷及熱接合就外殼之對稱式配置，以持別 簡單方式產生所需之熱絕緣品質。 本發明之熱電堆感測器之一較佳具體實例中，支持結構 物包括具有適宜低熱容量之低導熱率之一膜片及支持膜片 之一框架。冷及熱接合均配置於膜片上，但在膜片上之位 置均在不接觸框架之一區域中。如此，膜片亦達成冷及熱 接合與外殼間之絕熱功能。 本發明之熱電堆感測器中，熱接合曝露於需加量計輻射 之程度高於冷接頭，或反道行之。此一情況可藉例如用一 膜遮蔽輻射路徑中冷接合，或在冷接合提供一熱反射層， 同時在熱接合提供一熱吸收層而達成。另一方面，冷及熱 接合在熱電堆感測器外殼内成不對稱式配置，使入射在感 測器上之輻射經一輻射入口孔而實際僅到達熱接合。然而 ，較佳者，冷及熱接合對稱式配置於熱電堆感測器外殼内 ，同時輻射入口孔則爲不對稱式。 本發明之輻射溫度計利用前文簡短説明之熱電堆感測器 。熱電堆感測器配置於輕射溫度計之輕射路徑中，使熱接 合曝露於需加量計輻射之程度大於冷接合，或反道行之。 此較佳具體實例之特點爲輻射溫度計包括遮蔽輻射溫度計 之輻射路徑中之冷接合。此舉可藉例如一膜達成。其他具 體實例中，熱電堆感測器不對稱式配置於輻射溫度計之輻 射路徑中。 -6- 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（2丨0X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) V Tt n I —L. /L· \—/ 第87103506號專利申請案 中文說明書修正頁(Μ年8月） A7 B7 五、發明説明（ ----— 4! (請先閱讀背面之注$項再4寫本頁 本發明將參照附圖所示熱電堆感測器及紅外線溫度計之 具體實例加以說明。其他具體實例及活動檢測器說明於下 文之說明中。 圖1為根據本發明之第一種熱電堆感測器元件之概圖。 圖2為圖1之感測器元件之斷面圖。 圖3為根據本發明之第二種熱電堆感測器元件之概圖^ 囷4為圖3之感測器元件之斷面圖· 圖5為根據本發明之紅外線溫度計之概圖。 參考圏號說明： 1 熱電堆感測器元件 14 Γ 另一種熱電堆感測器元件 15 2 框架 18 3 薄膜片 19 4 外界溫度感測器 20 10 熱電堆 40 11 冷接合 41 12 熱接合 42 13 導線 43 终端點 ， ] 吸收層 ί 外殼 訂 窗 肋條元件 輻射溫度計 外殼 Cl 窗 1 光波導 1 經濟部中央樣窣局負工消费合作社印装 圖1及2概略顯示之熱電堆感測器元件1包括框架2及固定 於框架之薄膜片3。熱電堆1〇安裝於膜片上，亦即各具有 一冷接合11及一熱接合12之一組熱電耦。冷接合與框架之 間隔約與熱接合之距離相同，冷接合1丨位於一串膜片上及 熱接合12位於另一半膜片上。至少在冷及熱接合區域，之 本紙張尺度適用中國國家標牟（CNS ) A4规格（2丨0 X 297公兼） 第87103506號專利申請案 中文說明書修正頁(88年8月）

半體分別覆蓋一吸收層15或一層導熱片，使冷接合丨丨在― 層下及熱接合12在另一層下，此等層加強感測元件之敏感 度。各熱耦成串聯電連接，及經二等長度導線丨3連接於框 架2上終端點14。一周圍溫度感測器4以導熱片方式固定於 框架2。 吸收層15改善熱電堆之輻射吸收作用。本發明之熱電堆 感測器元件之另一種具體實例中，僅熱接合12覆蓋一吸收 層，及再另一種具體實例中，熱接合12覆蓋一吸收層及冷 接合1 1覆蓋一熱反射層》 圖中未顯示之本發明之熱電堆感測器元件之一種具醴實 例中，各熱電耦均勻分配在膜片之全部表面面積上，亦即 I n i i -1. ^^1 n m - -. - - - 1^1 · i請先w讀背面之注$項再球寫本頁)

IT------G 經濟部中央樣準局貝工消费合作社印«.

7a- I 本紙張尺度適用中國國家搮準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央樣準扃貝工消費合作社印聚 A7 B7 五、發明説明（5 ) 熱及冷接合成並列緊密近接配置。此舉使特定大數目熱電 耦能容纳於一較小膜片上，因其使冷與熱接合間之連接導 鍾具有極短長度。各熱接合單獨覆蓋一熱吸收層，或數並 列熱接合覆蓋一共同熱吸收層，同時各冷接合單獨覆蓋一 熱反射層，或數並列冷接合覆蓋一共同熱反射層。 較佳者，除具有低電容量外，膜片爲不良熱導體材料製 成。由於冷及熱接合在膜片上之對稱式配置，框架之加熱 作用因膜片本身之低導熱率而導致冷及熱接合一致加熱， 故完全由於根據本發明之冷及熱接合之配置，使熱電堆之 熱耦内最多能發生極小溫度梯度。 膜片3宜薄於l#m，及主要由二氧化矽及四氮化之矽或 氧氮化矽（silicon Oxinitude)製成。熱電核由例如聚矽/鋁 (polysilicon/alusuiunm)或 p-聚矽 /η-聚矽（p-p〇lysilicon/n-polyslicon)製成。框架2宜爲矽製成。因此，框架可用作電 子構件之基質；例如，可在框架上提供放大熱電堆信號輸 出之放大器。因此等放大器產生若干廢熱，故配置成與框 架上熱電堆對稱，以防止廢熱導致熱電堆熱梯度。 圈3及4概略顯示與圖1及2所示熱電堆感測器元件1不同 之本發明之另一種熱電堆感測器元件1·。不同處爲設有在冷 與熱接合間位於膜片3下之肋條元件20。肋條元件20以導 熱方式連接框架2或爲框架2之一部份。肋條元件減少冷與 熱接合間之導熱量，以改善感測器之動態反應《此外，肋 條元件20藉在中點支持膜片3而補強其機械穗定性。 另一方面，前文説明之熱電堆感測器元件之冷及/或熱接 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐） ----------Q-----^—1T------OT (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 A7 £7__ 五、發明説明（6 ) 合之光度均大於連接導體，以加強敏感性》 概略示於圈5之輻射溫度計40包括具有供輻射透過之窗 42之外殼41 ,及自窗延伸入外殼41内部至一熱電堆感測器 之光波導43。特別有利情況爲光波導43直接到達熱電堆感 測器，故後者僅看到光波導43。此舉可避免與熱電堆感測 器溫度不同之外殼部份所發射之輻射導致量計誤差。此外 ’光導波43之發射率可藉例如嫂金予以減小。 熱電堆感測器包括外殼18，外殼具有窗19，輻射通過窗 至内部之熱電堆感測器元件1、1，。需加檢測之輻射導至熱 電堆感測器元件1、1'，使大部份輻射射在熱電堆之熱接接 合，產生熱電堆之熱與冷接合間之一溫度差而產生對應之 感測器輸出信號。爲達成此目的，熱電堆感測器設有覆蓋 熱電堆之冷接合之適宜裝置（未示於圈5)，或另一種方式， 熱電堆感測器元件1、1'在窗19後不對稱或配置於外殼18中 ，亦即偏至側邊，故進入之輻射不能到達。另一方面，熱 電堆感測器成不對稱式配置，亦即在光導波43之末端偏置 於側邊。 使用前文説明之熱電堆感測器元件時，可達成輻射溫度 計之輻射路徑之完全對稱性，其中熱接合用與冷接合不同 之層覆蓋。特別有利之情況爲熱接合設有一吸收層，及冷 接合設有一反射層。 未示於圖中之活動檢測器中，熱電堆感測器元件設有膜 及/或聚焦元件，故移動通過窗之一熱或冷物體被感測器元 件之冷及熱接合交替檢測，導致產生對應之感測器輸出信 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公嫠） · . 、?τ— (請先聞讀背面之注$項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（ 號。基本結構及功能模式相當於具有二串聯熱電堆感測器 元件之活動檢測器。然而，根據本發明之感測器較簡單及 較低廉，且二感測器半體之敏感度相同。 ----------Q-----^—II------OT (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. S84385 第871〇35〇6號專利申請案 试 中文申請專利範面命正本(88年8々）g| i^~~ ; 六、申請專利範圍 i補充本把年押^ L 一種熱電堆感測器，具有一外殼、有至少一冷择合及至 少一熱接合之一熱電堆、及冷與熱接合之一支持結構物 ;特點為熱接合（12)及冷接合（11)與外殼之熱絕緣品質 同樣良好，及各接合與各自之支持結構物顯示本質上相 同熱容量。 2. 根據申請專利範面第1項之熱電堆感測器，特點為該支持 結構物包括其上配置冷及熱接合之一膜片（3)，及膜片具 有低熱容量及低導熱率。 3. 根據申請專利範圍第2項之熱電堆感測器，特點為該支持 結構物包括支持膜片（3)之一框架（2)，及冷及熱接合位 於膜片（3)之不接觸框架（2)之區域中。 ， 4. 根據申請專利範圍第3項之熱電堆感測器，特點為冷接合 (11)與熱接合（12)之間設有一受熱器（20)，受熱器以導 熱方式連接於框架（2)或為框架（2)之一部份。 5. 根據申請專利範圍第3或4項之熱電堆感測器，特點為該 膜片（3)主要為二氧化矽及四氮化三矽或氧氮化矽 (silicone oxiaitride)製成，框架（2)實質上為矽製成，及 電子電路尤其放大器置於框架（2)上。 6. 根據申請專利範圍第1或2項之熱電堆感測器，特點為一 熱吸收層或一層導熱井加於熱接合（12) » 7·根據申請專利範圍第1或2項之_電堆感測器，特點為一 熱反射層加於冷接合（1 1)。 8.根據申請專利範圍第1或2項之熱電堆感測器，特點為冷 及熱接合對稱式配置於外殼内。 本纸張尺度逋用中國國家揉準（CNS > Α4规格（210X297公釐） LI. ----------QH (請先《讀背面之注f項再«寫本篾) 01. 經濟部中央標率局Λ工消费合作社印*. A8 __ i 一^ . _瞧 ^__ _f . 六、申請專利範圓 9·根據申請專利範圍第1或2項之熱電堆感測器，特點為冷 及熱接合或一輻射入口窗不對稱式配置於外殼中。 10. 根據申請專利範園第9項之熱電堆感測器，特點為一熱吸 收層或一層導熱井加於冷接合（11)。 11. 根據申請專利範圍第1或2項之熱電堆感測器，特點為一 周圍溫度感測器（4)以導熱方式連接於支持結構物。 12. —種輻射溫度計，具有根據申請專利範圍第1或2項之熱 電堆感測器。 13. 根據申請專利範園第丨2項之輻射溫度計，特點為該熱電 堆感測器配置於輻射溫度計之輻射路徑中，使熱接合曝 露於需加量計之福射之程度大於冷接合，或反向行之。 14. 根據申請專利範圍第13項之輻射溫度計，特點為設有覆 蓋輻射溫度計之輻射路徑中冷接合之裝置。 15. 根據中請專利範圍第13項之輕射溫度計，特點為該熱電 堆感測器不對稱式配置於輻射溫度計之輻射路徑中。 16. —種活動檢測器，具有根據申請專利範圍第1或2項之至 少一熱電堆感測器。 (褚先Μ1*背面之注f項存壤寫本霣) ύ. 訂 經濟部中央揉率局*?工消費合作社印装 本紙張尺度逍用中國國家揉率（CNS ) A4规格（210X297公釐）