消除微型傳感器IC中外部熱擾動(dòng)的方案設(shè)計(jì)

隨著人們對(duì)健康和環(huán)境越來(lái)越密切的關(guān)注，溫度感應(yīng)顯得日益重要。很多設(shè)備都添加了溫度感應(yīng)功能，如醫(yī)用體溫計(jì)和智能可穿戴設(shè)備等健康檢測(cè)設(shè)備。

非接觸式溫度感應(yīng)可檢測(cè)在紅外 （IR） 波長(zhǎng)范圍內(nèi)發(fā)射的能量。每個(gè)物體都以這種方式發(fā)射能量，因此我們可以通過(guò)測(cè)量能量來(lái)計(jì)算物體的溫度。但是，隨著傳感器件尺寸越來(lái)越小，它們更容易受到熱沖擊的影響，這可能會(huì)引起測(cè)量誤差和熱噪聲。

在本篇技術(shù)文章中，Melexis 將探討非接觸式溫度感應(yīng)背后的原理，以及盡可能減輕熱沖擊影響的方法。本文還將探討消除微型傳感器 IC 中外部熱擾動(dòng)影響的全新智能方案。

集成 MEMS 熱電堆技術(shù)

熱電堆是一個(gè)可以將熱能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子傳感器，其工作原理是一切物體都會(huì)發(fā)射熱遠(yuǎn)紅外 （FIR） 輻射。熱電堆就是一個(gè)可將熱能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的電子傳感器，其工作原理是一切物體都會(huì)發(fā)射熱遠(yuǎn)紅外 （FIR） 輻射。

圖 1：MEMS 熱電堆傳感器 IC 的基本構(gòu)造

從電子角度來(lái)說(shuō)，一個(gè)熱電堆由多個(gè)串聯(lián)的熱電偶組成。這些熱電偶所產(chǎn)生的電壓與兩點(diǎn)之間的溫差成比例，通過(guò)溫差則可以用來(lái)測(cè)量相對(duì)溫度。

MEMS 熱電堆傳感器 IC 采用熱隔離薄膜。由于該熱薄膜 具有低熱容，因此可以通過(guò)快速加熱進(jìn)入的熱流，進(jìn)而產(chǎn)生熱電堆可報(bào)告的溫差。將參考熱敏電阻整合到 MEMS 系統(tǒng)后，即可生成絕對(duì)溫度測(cè)量值。

這種測(cè)量技術(shù)的核心是斯特藩-玻爾茲曼定律，即一個(gè)黑體表面單位面積輻射出的能量與黑體本身溫度的四次方成正比。通常用斯特藩-玻爾茲曼方程表示為：

其中：

J = 黑體的輻射度 ［W/m2］

η = 輻射系數(shù)（表面性質(zhì)）

σ = 5.67e-8 ［W/m2/K?］，斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)

T = 絕對(duì)表面溫度 ［K］

合理假設(shè)非金屬材料的輻射系數(shù) （η） 約為 1，則表面溫度與輻射能量直接相關(guān)。

穩(wěn)定性挑戰(zhàn)

溫度感應(yīng)在各種應(yīng)用中的作用越來(lái)越大，因此很多設(shè)備都增加了此功能，包括健康監(jiān)控器和可穿戴設(shè)備，如智能眼鏡、智能手環(huán)和耳內(nèi)設(shè)備，即“聽(tīng)戴式裝置”。然而，接觸式溫度計(jì)解決方案經(jīng)常出現(xiàn)與目標(biāo)區(qū)域熱接觸不良的問(wèn)題。遵循FIR原理的非接觸式溫度感應(yīng)非常適合這類(lèi)新應(yīng)用，但是在尺寸上需要縮減溫度傳感器的尺寸。

為了將 FIR 溫度傳感器集成到可穿戴設(shè)備，技術(shù)上必須實(shí)現(xiàn)小型化。雖然小型化有許多好處，但同時(shí)也面臨自身的挑戰(zhàn)。對(duì)于這種傳感器，小型化會(huì)對(duì)溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度產(chǎn)生負(fù)面影響。

如上所述，傳感器芯片會(huì)接收來(lái)自多個(gè)熱源的輻射，從而造成熱梯度或熱沖擊，進(jìn)而影響 FIR 溫度傳感器 IC，但實(shí)際上，這種輻射中只有有限的一部分真正來(lái)自被測(cè)物體。傳感器 IC 自身的封裝也是熱能來(lái)源，這意味著生成的信號(hào)中僅有一部分是有用的，而另一些則是寄生信號(hào)。在等溫條件下，膜溫度與包裝溫度一致，因此不會(huì)產(chǎn)生寄生信號(hào)，并且熱電堆技術(shù)的差分特性可抵銷(xiāo)封裝輻射的影響。然而，在許多應(yīng)用中，讓傳感器 IC 處于等溫條件幾乎是不可能的。

如果將小型 FIR 傳感器 IC 安裝在 PCB 上，則可能將其暴露于來(lái)自附近發(fā)熱組件（如微處理器或功率晶體管）的熱能中。FIR 傳感器 IC 制造商試圖通過(guò)將傳感元件置于大型金屬罐（例如 TO 罐封裝）中來(lái)克服這一問(wèn)題。金屬的顯著蓄熱性和高導(dǎo)熱性確實(shí)能在一定程度上應(yīng)對(duì)快速熱梯度和沖擊的影響，但在熱特性動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，這種方法并不能發(fā)揮多大作用。當(dāng)然，另一挑戰(zhàn)在于 TO 罐尺寸相對(duì)較大，并不適合可穿戴設(shè)備和聽(tīng)戴式裝置等小型設(shè)備。

熱梯度主動(dòng)補(bǔ)償

顯然，TO 罐解決方案不適合下一代健康監(jiān)控設(shè)備，僅出于這一原因，我們就不得不放棄 TO 罐解決方案，尋找一種可以更好地應(yīng)對(duì)使用小型 FIR 傳感器 IC 挑戰(zhàn)的解決方案。

通過(guò)對(duì)多種場(chǎng)景進(jìn)行建模和表征，并將此數(shù)據(jù)運(yùn)用于復(fù)雜的補(bǔ)償算法中，我們終于可以對(duì)現(xiàn)代小型 FIR 傳感器 IC 的輸出做出修改，大幅減弱熱沖擊對(duì)其造成的影響。

Melexis 的小型 MLX90632 FIR 傳感器 IC 是其中一款最新上市的芯片。這是一款采用小型 SMD QFN 封裝的非接觸式紅外溫度傳感器 IC，針對(duì) -20 °C 至 85 °C 的環(huán)境溫度進(jìn)行出廠(chǎng)校準(zhǔn)。

該產(chǎn)品提供商用和醫(yī)用級(jí)版本。醫(yī)用級(jí)版本針對(duì)人體溫度進(jìn)行優(yōu)化，可達(dá)到 ±0.2 °C 的精度。商用級(jí)版本精度略低（通常為 ±1.0 °C），但經(jīng)過(guò)優(yōu)化后已可用于更大的物體溫度范圍（-20 °C 至 200 °C）。

測(cè)量的溫度值是傳感器 50 度視野 （FOV） 范圍內(nèi)所有物體表面的平均溫度，利用該測(cè)量值以及校準(zhǔn)常數(shù)和復(fù)雜的板載補(bǔ)償算法，可以計(jì)算出環(huán)境溫度和物體溫度。

為證明主動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч?，Melexis 進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，使用 MLX90632 傳感器 IC 和先進(jìn)的（TO 罐封裝）傳感器 IC 分別測(cè)量溫度在 40 °C 左右的穩(wěn)定參考源。在測(cè)量過(guò)程中，這兩個(gè)傳感器 IC 附近均放有強(qiáng)熱源，結(jié)果如圖 2 所示。

圖 2：MLX90632 熱沖擊測(cè)試的結(jié)果

圖中顯示，在實(shí)驗(yàn)之初，參考源溫度實(shí)際為 40.05°C，傳感器 IC 溫度在 2°C 左右。施加熱量后，傳感器 IC 受到熱沖擊（約為 60°C/分）的影響，我們監(jiān)測(cè)了輸出。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，MLX90632 的溫度讀數(shù)偏差未超過(guò) 0.25°C，表明性能非常穩(wěn)定。這要?dú)w功于先進(jìn)的補(bǔ)償算法。TO 罐傳感器 IC 顯示明顯誤差，表明這類(lèi)裝置在此種富有挑戰(zhàn)性的條件下表現(xiàn)不佳。

圖 3：MLX90632 紅外溫度傳感器 IC 的框圖

傳感器 IC 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

超小型傳感器 IC 包含可捕獲物體輻射能量的熱電堆，以及可測(cè)量傳感器 IC 本身溫度的元件。在熱電堆傳感元件電壓信號(hào)存儲(chǔ)在板載 RAM 之前，其已經(jīng)過(guò)放大、數(shù)字化和數(shù)字過(guò)濾。板載參考溫度傳感器 IC 的讀數(shù)也以相同的方式處理和存儲(chǔ)。

狀態(tài)機(jī)器可控制傳感器 IC 的時(shí)序和功能，每次測(cè)量和轉(zhuǎn)換的結(jié)果可通過(guò) I2C 通信接口提供給更廣泛的系統(tǒng)（如微控制器）。

溫度（物體和內(nèi)部傳感器 IC）可以使用簡(jiǎn)單的微控制器基于原始數(shù)據(jù)計(jì)算。

總結(jié)

溫度測(cè)量的應(yīng)用日益廣泛，特別是通過(guò)智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備等便攜設(shè)備測(cè)量體溫已成為家庭護(hù)理的一部分。但是，溫度測(cè)量仍然面臨兩大挑戰(zhàn)。

第1， 傳感器 IC 元件必須尺寸足夠小才可應(yīng)用于各種應(yīng)用中，第二，傳感器 IC 元件必須安裝在大型金屬外殼中以提供足夠的熱容量，從而減輕快速熱沖擊的影響。

Melexis 的 MLX90632 基于熱電堆傳感技術(shù)，足以應(yīng)對(duì)看似不可能完成的挑戰(zhàn)。MLX90632 采用超小型 SMD 封裝，可通過(guò)采用板載主動(dòng)補(bǔ)償和復(fù)雜的算法，在最嚴(yán)苛的條件下提供準(zhǔn)確的溫度測(cè)量。