WO2023128782A1 - Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры - Google Patents
Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры Download PDFInfo
- Publication number
- WO2023128782A1 WO2023128782A1 PCT/RU2021/000613 RU2021000613W WO2023128782A1 WO 2023128782 A1 WO2023128782 A1 WO 2023128782A1 RU 2021000613 W RU2021000613 W RU 2021000613W WO 2023128782 A1 WO2023128782 A1 WO 2023128782A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- thermocouple
- substrate
- membrane
- infrared
- situated
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 6
- 230000036039 immunity Effects 0.000 abstract description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000005459 micromachining Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
Definitions
- the invention relates to single-element infrared uncooled thermocouple sensors, that is, sensors with thermocouples as an element that converts the membrane temperature into an output signal.
- thermocouple sensors Amphenol Advanced Sensors ZTP138, Melexis Technologies NV MLX90614 [3, 4, 5]. These sensors are also made in the form of thin membranes, which are hung on heat-insulating consoles. The sensitive area of such sensors is made in the form of a thin membrane with a single sensitive element of a large area. Reading a signal from thermocouples is organized in sensors of this type in approximately the same way; the signal from the thermocouple sensor (thermocouples are connected in series) is fed to the amplification circuit, and then either to the output in analog sensors, or to an analog-to-digital converter in digital (figure 1).
- thermocouple sensors used to create matrices of uncooled receivers of thermal radiation in the form of an array of sensors [1, 2].
- various variants of silicon micromachining are used to form MEMS structures 14 in the form of thin membranes hung relative to the substrate on heat-insulating consoles.
- MEMS structures 14 In the manufacture of these sensors, various variants of silicon micromachining are used to form MEMS structures 14 in the form of thin membranes hung relative to the substrate on heat-insulating consoles.
- On the membrane and consoles there is a layer that absorbs IR radiation and one of the ends of one or more thermocouples (“hot junction”), and the other (“cold junction”) is located on a substrate with a stable temperature.
- Each row or column of such a matrix is connected to an amplification circuit, the output of which is connected to a low-pass filter 6.
- thermocouples Separate sensors are switched to the input of the amplification circuit multiplexers 21, 23 controlled by line generators 22 and vertical 24 to the input of the output amplifier 25 (Fig. 2).
- the sensitive area of each sensor has a relatively small area, and the number of thermocouples is limited to several thermocouples.
- thermocouple sensor described in the patent [6], containing a plurality of thermocouple sensitive elements 12, 16, each of which has an area sensitive to infrared radiation 16, located on a dielectric membrane 12, hung relative to the substrate on heat-insulating consoles, one end of which is fixed on the membrane, and the other - on the substrate.
- thermocouples 6 formed on the surface of the consoles, the "hot junction” of which is located on the membrane heated by IR radiation, and the "cold" contacts are located on the substrate.
- the signals of a plurality of thermocouple sensing elements are either combined by a serial circuit, a parallel circuit, or a combination of serial and parallel circuits to form an output signal, and the output signal is directly output to the output, or the signal of each of the thermocouple sensing elements is amplified by an individual preamplifier 19, and then the pre-amplified signal combined in an electrical summing circuit 20, such as a multiplexer and/or a microcontroller, to produce an output signal.
- an electrical summing circuit 20 such as a multiplexer and/or a microcontroller
- thermocouple signal • low noise immunity due to the use of a potential method for reading the thermocouple signal
- thermocouple sensor The main characteristic of the sensitivity of thermal radiation detectors is the noise equivalent temperature difference (NETD - Noise Equivalent Temperature Difference), which for a thermocouple sensor is written as [7]: where g t is the thermal conductivity of the thermocouple material; w and h t , are the width and thickness of the thermocouple, respectively, a L is the length of one thermocouple arm, equal, as a rule, to the length of the console on which this arm is formed; p t - specific electrical resistance of the thermocouple material; a is the Seebeck coefficient of the thermocouple; p is the absorption coefficient of IR radiation;
- Expression (1) illustrates the increase in NETD by pl/n times when using several thermocouples, which is associated with an increase in the resistance noise of thermocouples by a factor of y/n and thermal conductivity by n times. It was assumed that the heat flux from the membrane to the substrate is determined only by the thermal conductivity of thermocouples, which is justified for evacuated sensors, which is necessary for the operation of IR temperature sensors.
- the thermal relaxation time of the sensor in this case is: cAL trsm n 7 ( )
- thermocouple temperature sensor From the analysis of expressions (1, 2) it follows that the only way to increase the speed of a single-element thermocouple temperature sensor while maintaining a sufficiently high sensitivity is to divide the region sensitive to IR radiation L into N independent subregions m of a smaller area, the sum of which is equal to A. Then, when summing the signals of individual sensitive elements, the value of the total output signal will remain without changes, and the noise, due to the independence of individual sensitive elements, will decrease by V / V times, therefore, NETD sm will also decrease by / V times.
- the thermal time constant will be determined by the heat capacity of a cell of a smaller area A N , that is, it will decrease by A / A N times compared to a sensitive element of a large area.
- the aim of the present invention is to increase the sensitivity, decrease the thermal time constant of a large area single-element infrared thermocouple sensor, and improve noise immunity.
- thermocouple sensor a large area of the sensitive element is divided into N independent sensitive elements of a smaller area, and the signals of each of the individual sensitive elements 1, instead of preamplifiers, are converted into current by voltage-to-current converters 2, the outputs of which are connected to the input of a multi-input integrator on switched capacitors 3 (figure 4).
- FIG. 1 illustrates the well-known design of the TMP007 thermocouple temperature sensor
- FIG. 2 is a block diagram of an array thermocouple sensor from US Pat. No. 8,592,765 B2,
- the figure 3 shows an embodiment of the invention according to the PRC patent CN 109313079 A, consisting in the use of pre-amplifiers 19 and electronic summing elements 20 or multiplexers / microcontrollers.
- FIG. 4 illustrates the essence of the present invention
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к одноэлементным инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам. Предложен инфракрасный одноэлементный термопарный датчик температуры, содержащий множество термопарных чувствительных элементов, каждый из которых имеет область чувствительную к инфракрасному излучению, расположенную на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке, и, по крайней мере, одну термопару, сформированную на поверхности консолей, «горячий спай» которой расположен на мембране, нагреваемой ИК-излучением, а «холодные» контакты расположены на подложке, отличающийся тем, что каждый из чувствительных элементов содержит преобразователи напряжение-ток, выходы которых соединены с входами многовходового интегратора на переключаемых конденсаторах. Технический результат заключается в увеличенной чувствительности, уменьшенной тепловой постоянной времени одноэлементного инфракрасного термопарного сенсора большой площади и повышенной помехозащищенности.
Description
ИНФРАКРАСНЫЙ ОДНОЭЛЕМЕНТНЫЙ ТЕРМОПАРНЫЙ СЕНСОР ТЕМПЕРАТУРЫ
Изобретение относится к одноэлементным инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам, то есть сенсорам с термопарами в качестве элемента, преобразующего температуру мембраны в выходной сигнал.
Известны термопарные сенсоры Amphenol Advanced Sensors ZTP138, Melexis Technologies NV MLX90614 [3, 4, 5]. Данные сенсоры также изготавливаются в виде тонких мембран, которые вывешиваются на теплоизолирующих консолях. Чувствительная область таких сенсоров выполняется в виде тонкой мембраны с одиночным чувствительным элементом большой площади. Считывание сигнала с термопар организовано в сенсорах такого типа примерно одинаково; сигнал с термопарного сенсора (термопары соединены последовательно) поступает на схему усиления, а затем либо на выход в аналоговых датчиках, либо на аналогово-цифровой преобразователь в цифровых (фиг.1).
Недостатком указанных устройств является:
Достаточно большая площадь мембраны сенсоров с одиночным элементом (от 330x330 до 700x700 мкм2), что приводит к увеличению тепловой постоянной времени сенсора (до нескольких десятков и даже сотен миллисекунд);
- Достаточно малая величина быстродействия, зависящая от тепловой постоянной времени сенсора.
Ограниченность области применения сенсоров в связи с невысоким быстродействием сенсора.
Известны кремниевые неохлаждаемые термопарные сенсоры, используемые для создания матриц неохлаждаемых приемников теплового излучения в виде массива сенсоров [1, 2]. При изготовлении этих сенсоров используются различные варианты микрообработки кремния для формирования МЭМС-структур 14 в виде тонких мембран, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях. На мембране и консолях расположен слой, поглощающий ИК-излучение и один из концов одной или нескольких термопар («горячий спай»), а другой («холодный спай») - расположен на подложке, имеющей стабильную температуру. Каждая строка или столбец такой матрицы подключены к схеме усиления, выход которой подключен к фильтру нижних частот 6. Отдельные сенсоры коммутируются на вход схемы усиления
мультиплексорами 21, 23, управляемыми генераторами строчной 22 и кадровой 24 развертки на вход выходного усилителя 25 (фиг. 2). При этом чувствительная область каждого сенсора имеет относительно небольшую площадь, а количество термопар ограничено несколькими термопарами.
Недостатком указанных устройств является:
Малую чувствительность из-за малой площади слоя, поглощающего ИК- излучение;
Быстродействие ограничено временем опроса всех элементов матрицы;
- Возникают избыточные шумы, связанные с перезарядкой коммутируемых шин.
Наиболее близким по схемотехническим признакам к предлагаемому изобретению является термопарный сенсор, описанный в патенте [6], содержащий множество термопарных чувствительных элементов 12, 16, каждый из которых имеет область чувствительную к инфракрасному излучению 16, расположенную на диэлектрической мембране 12, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На консолях расположены несколько термопар 6, сформированных на поверхности консолей, «горячий спай» которых расположён на мембране, нагреваемой ИК-излучением, а «холодные» контакты расположены на подложке. При этом сигналы множества термопарных чувствительных элементов или объединяются последовательной схемой, параллельной схемой или комбинацией последовательной и параллельной схем для формирования выходного сигнала, а выходной сигнал напрямую выводится на выход, или сигнал каждого из термопарных чувствительных элементов усиливается индивидуальным предусилителем 19, а затем предварительно усиленный сигнал объединяется в электрической суммирующей схеме 20, такой как, мультиплексор и/или микроконтроллер для получения выходного сигнала.
К недостаткам такого термопарного сенсора следует отнести:
• Малая чувствительность из-за применения нескольких термопар на' ячейку;
• малая помехозащищенность из-за применения потенциального метода считывания сигнала термопар;
• Сложная схема суммирования потенциальных сигналов.
Эти недостатки легко объяснить, воспользовавшись результатами работы [7], в которой выполнен анализ предельных параметров термопарных чувствительных элементов. Основной характеристикой чувствительности тепловых приемников излучения является эквивалентная шуму разность температур (NETD - Noise Equivalent Temperature Difference), которая для термопарного сенсора записывается в виде [7]:
где gt - удельная теплопроводность материала термопары; w и ht, - ширина и толщина термопары соответственно, a L - длина одного плеча термопары, равная, как правило, длине консоли, на которой это плечо сформировано; pt - удельное электрическое сопротивление материала термопары; а - коэффициент Зеебека термопары; р — коэффициент поглощения ИК излучения;
Д/ш — шумовая полоса;
А - площадь чувствительного слоя; с - удельная теплоемкость чувствительного к ИК излучению слоя; п — количество термопар в ячейке.
Выражение (1) иллюстрирует увеличение NETD в пл/п раз при использовании нескольких термопар, что связано с увеличением шума сопротивления термопар в у/п раз и теплопроводности п раз. При этом полагалось, что тепловой поток с мембраны на подложку определяется только теплопроводностью термопар, что оправдано для вакуумированных сенсоров, что является необходимым для работы ИК датчиков температуры. Время тепловой релаксации сенсора в этом случае равно: cAL trsm n 7 ( )
2gtwhtn
Из анализа выражений (1, 2) следует, что единственной возможностью увеличения быстродействия одноэлементного термопарного сенсора температуры при сохранении достаточно высокой чувствительности является разбиение области чувствительной к ИК излучению Л на N независимых подобластей м меньшей площади, сумма которых равна А. Тогда при суммировании сигналов отдельных чувствительных элементов величина суммарного выходного сигнала останется без
изменения, а шум в силу независимости отдельных чувствительных элементов уменьшится в V/V раз, следовательно, и NETDsm уменьшится в /V раз. Тепловая же постоянная времени будет определяться теплоемкостью ячейки меньшей площади AN, то есть уменьшится в А/ AN раз по сравнению с чувствительным элементом большой площади.
Задачей настоящего изобретения является увеличение чувствительности, уменьшение тепловой постоянной времени одноэлементного инфракрасного термопарного сенсора большой площади и повышение помехозащищенности.
Задача изобретения решается за счет того, что в предлагаемом термопарном сенсоре большая площадь чувствительного элемента разбивается на N независимых чувствительных элементов меньшей площади, а сигналы каждого из отдельных чувствительных элементов 1, вместо предусилителей, преобразуются в ток преобразователями напряжение-ток 2, выходы которых соединены с входом многовходового интегратора на переключаемых конденсаторах 3 (фиг.4).
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.
Фигура 1 иллюстрирует известную конструкцию термопарного датчика температуры ТМР007,
Фигура 2 представляет структурную схему матричного термопарного сенсора из патента США US 8,592,765 В2,
На фигуре 3 показаны вариант осуществления изобретения по патенту КНР CN 109313079 А состоящего в использовании предварительных усилителей 19 и электронных суммирующих элементов 20 или мультиплексоров / микроконтроллеров.
Фигура 4 иллюстрирует сущность данного изобретения
1 - отдельные чувствительные элементы, 2 - преобразователи напряжение-ток каждого чувствительного элемента, 3 - многовходовый интегратор тока на переключаемых конденсаторах.
Источники информации
1. Патент США US 8,592,765 В2
2. Патент США US 2016/0025571 А1 3. ZTP138 Datasheet PDF Amphenol Advanced Sensors
4. NV MLX90614 Datasheet PDF Melexis Technologies
5. TMP007 Datasheet PDF Texas Instruments
6. Патент КНР CN 109313079A
7. Krupnov Y. A., Oreshkin G.L, Rygalin D.B., Larchikov A.V., Analysis Of Manufacturing Features Of MEMS Thermoelectrical IR Detectors, International Journal of
Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562 Vol. 10 No.5 (2015) pp. 3979-3982.
Claims
1. Инфракрасный одноэлементный термопарный датчик температуры, содержащий множество термопарных чувствительных элементов, каждый из которых имеет область чувствительную к инфракрасному излучению, расположенную на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке, и, по крайней мере, одну термопару, сформированную на поверхности консолей, «горячий спай» которой расположен на мембране, нагреваемой ИК- излучением, а «холодные» контакты расположены на подложке, отличающийся тем, что каждый из чувствительных элементов содержит преобразователи напряжение-ток, выходы которых соединены с входами многовходового интегратора на переключаемых конденсаторах.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2021/000613 WO2023128782A1 (ru) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2021/000613 WO2023128782A1 (ru) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2023128782A1 true WO2023128782A1 (ru) | 2023-07-06 |
Family
ID=86999856
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2021/000613 WO2023128782A1 (ru) | 2021-12-29 | 2021-12-29 | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2023128782A1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8592765B2 (en) * | 2010-01-18 | 2013-11-26 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor by monolithic silicon micromachining |
| US20160025571A1 (en) * | 2012-02-16 | 2016-01-28 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor structure with a high filling level |
| RU2671295C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2018-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Ячейка термопарного приемника ик изображения |
| CN109313079A (zh) * | 2016-06-21 | 2019-02-05 | 海曼传感器有限责任公司 | 用于测量温度和检测气体的热电堆红外单个传感器 |
-
2021
- 2021-12-29 WO PCT/RU2021/000613 patent/WO2023128782A1/ru unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8592765B2 (en) * | 2010-01-18 | 2013-11-26 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor by monolithic silicon micromachining |
| US20160025571A1 (en) * | 2012-02-16 | 2016-01-28 | Heimann Sensor Gmbh | Thermopile infrared sensor structure with a high filling level |
| CN109313079A (zh) * | 2016-06-21 | 2019-02-05 | 海曼传感器有限责任公司 | 用于测量温度和检测气体的热电堆红外单个传感器 |
| RU2671295C1 (ru) * | 2017-08-17 | 2018-10-30 | Общество с ограниченной ответственностью "ГрафИмпресс" | Ячейка термопарного приемника ик изображения |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| KHAFIZOV R Z, ORESHKIN G I, TIMOFEEV A E, BELIN M A: "Numerical simulation of IR MEMS thermopile sensors", INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED ENGINEERING RESEARCH (NEW DELHI), RESEARCH INDIA PUBLICATIONS, IN, 1 January 2016 (2016-01-01), IN , pages 3979 - 3984, XP093078130, ISSN: 0973-4562 * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Wood | Monolithic silicon microbolometer arrays | |
| EP0611443B1 (en) | Thin film pyroelectric imaging array | |
| Noda et al. | A new type of dielectric bolometer mode of detector pixel using ferroelectric thin film capacitors for infrared image sensor | |
| US5288147A (en) | Thermopile differential thermal analysis sensor | |
| Eminoglu et al. | Low-cost uncooled infrared detectors in CMOS process | |
| JP2843049B2 (ja) | 熱放射検出装置 | |
| US10739201B2 (en) | High-resolution thermopile infrared sensor array | |
| Ramakrishna et al. | Highly sensitive infrared temperature sensor using self-heating compensated microbolometers | |
| KR101949524B1 (ko) | 공간 잡음에 대해 낮은 민감도를 가지는 전자기 방사 검출 기기 | |
| US20010003356A1 (en) | Electromagnetic radiation detection device | |
| WO2023128782A1 (ru) | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры | |
| RU215680U1 (ru) | Инфракрасный одноэлементный термопарный сенсор температуры | |
| EP4105757A1 (en) | Analog-to-digital converter and thermopile array | |
| JP3495309B2 (ja) | 熱型赤外線撮像素子 | |
| Eminoglu et al. | A low-cost 64/spl times/64 uncooled infrared detector array in standard CMOS | |
| Quilligan et al. | Thermal radiometer signal processing using radiation hard CMOS application specific integrated circuits for use in harsh planetary environments | |
| Hwang et al. | High performance read-out IC design for IR image sensor applications | |
| Thomas et al. | Signal calibration and stability in an uncooled integrated bolometer array | |
| Benford et al. | Design and fabrication of a two-dimensional superconducting bolometer array for SAFIRE | |
| Noda et al. | New type of dielectric bolometer mode of detector pixel using ferroelectric thin film capacitors for an infrared image sensor | |
| Makinwa et al. | Thermopile design for a CMOS wind-sensor | |
| Eminoglu et al. | Low-cost uncooled infrared detector arrays in standard CMOS | |
| Benford et al. | Design and fabrication of two-dimensional superconducting bolometer arrays | |
| Druzhynin et al. | A Measuring System Based on Sensors of Magnetic Field and Temperature with Digital Signal Processing | |
| Eminoglu et al. | A LOW-COST 64χ64 UNCOOLED INFRARED DETECTOR ARRAY IN STANDARD CMOS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 21970115 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |