熱電堆紅外傳感器的原理和結(jié)構(gòu)

熱電堆傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)化為電能的裝置，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、汽車工業(yè)、石油化工等領(lǐng)域，用來測量人體溫度、引擎溫度、燃?xì)饬髁康葦?shù)據(jù)。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技術(shù)的蓬勃發(fā)展開辟了一個(gè)全新的領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)了MEMS器件的批量生產(chǎn)與制備。采用該技術(shù)制造的硅基熱電堆紅外傳感器在體積、價(jià)格和性能各方面都取得了明顯的優(yōu)勢，從而推動(dòng)了MEMS熱電堆紅外探測器的研究與發(fā)展。

紅外熱電堆傳感器含義

任何物體只要在絕對(duì)零度以上時(shí)，都會(huì)以一定的波長向外輻射能量，只是在低溫段的輻射能量很弱。常溫下，自然界的所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，只是紅外輻射的波長不同。非接觸式紅外傳感器就是利用物體的輻射能量隨溫度而變化的原理制成的。紅外熱電堆傳感器是一種能夠?qū)⒓t外輻射轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的傳感器，其是一種溫度測量元件。

熱電堆是由多個(gè)熱電偶串聯(lián)而成的，每個(gè)熱電偶都會(huì)輸出熱電勢，并且這些熱電勢會(huì)互相疊加。因此，熱電堆可以用于測量微小的溫差或者求出平均溫度。其結(jié)構(gòu)是將輻射接收面分成若干塊，并且每塊接一個(gè)熱電偶，在將它們串聯(lián)起來。這樣，熱電偶就構(gòu)成了一個(gè)熱電堆。

熱電堆紅外傳感器原理

熱電堆是基于塞貝克效應(yīng)機(jī)理，采用硅基微加工工藝，在硅片支撐層上排布若干對(duì)、具有兩種具有不同塞貝克系數(shù)材料的熱電偶，把這些熱電偶串聯(lián)起來，就構(gòu)成熱電堆芯片。串聯(lián)交接處中溫度較高的一端通常被稱作“熱結(jié)”，較低的一端被稱作“冷結(jié)”，熱端與冷端之間形成一定的溫差ΔT，材料中載流子沿著溫度梯度降低的方向移動(dòng)，引起電荷積累在冷結(jié)處，此時(shí)回路中便有溫差電動(dòng)勢ΔV產(chǎn)生。此時(shí)，即可再通過電路將電動(dòng)勢轉(zhuǎn)換成被測物體的實(shí)際溫度。由于溫差電動(dòng)勢ΔV的大小只取決于材料種類與溫差，當(dāng)熱電偶的兩種材料都確定后，其大小只和熱電偶兩端的溫度差有關(guān)。

熱電堆紅外傳感器結(jié)構(gòu)

紅外熱電堆傳感器主要由四個(gè)部分組成：紅外吸收體、熱電堆、溫度補(bǔ)償電路、信號(hào)處理電路。其中，紅外吸收體負(fù)責(zé)將紅外輻射轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而產(chǎn)生溫度差。熱電堆則將溫度差轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，送人溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行校正，最終交由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、濾波和AD轉(zhuǎn)換，得到精準(zhǔn)的紅外輻射信號(hào)。

熱電堆紅外傳感器可采用金屬殼（TO）封裝，傳感器內(nèi)部除了最核心的熱電堆芯片外，還有用來校準(zhǔn)環(huán)境溫度的熱敏電阻元件。當(dāng)然，熱電堆傳感器也可以采用LGA等可以實(shí)現(xiàn)表面貼裝（SMD）的其它封裝形式。當(dāng)傳感器接收到紅外輻射時(shí)，熱電堆芯片上多對(duì)熱電偶的電壓疊加輸出，從而將待測溫度轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。輔以高精度熱敏電阻來測量熱電堆紅外傳感器所處的環(huán)境溫度，最后通過微處理器電路就可以計(jì)算得出最終測量溫度。

解決方案應(yīng)用領(lǐng)域

a、體溫計(jì)

傳統(tǒng)體溫計(jì)采用水銀材質(zhì)，價(jià)格便宜，測量準(zhǔn)確度高，被廣泛運(yùn)用于醫(yī)療和家庭領(lǐng)域。但是，水銀體溫計(jì)需要較長的測試時(shí)間，通常需要連續(xù)測量至少5分鐘才能獲得可靠的結(jié)果，并且還需要確保體溫計(jì)端與身體緊密接觸，否則會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。另外，水銀溫度計(jì)常是玻璃制的，且容易損壞并釋放出“汞”，從而對(duì)人體健康構(gòu)成了巨大危害。因此，越來越多的國家已經(jīng)開始禁止使用水銀體溫計(jì)。

紅外測溫傳感器在醫(yī)療保健行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景，可以實(shí)現(xiàn)精確的非接觸式溫度測量。這類采用小型封裝形式的紅外熱電堆傳感器無需接觸人體就可以測量額溫、耳溫或者人體表皮溫度。在對(duì)抗新冠疫情期間，包含此類溫度傳感器的檢測設(shè)備在寫字樓、商場及其他公共場合得到了廣泛應(yīng)用，從而可以測量人體溫度并對(duì)異常溫度進(jìn)行早期檢測。

b、可穿戴設(shè)備

近年來數(shù)字式溫度傳感器得到了大力發(fā)展，相比模擬溫度傳感器，其具有精度高、使用方便及易于集成的優(yōu)勢。隨著人們自我健康意識(shí)的不斷重視以及后疫情時(shí)代的推動(dòng)，可穿戴健身設(shè)備市場的崛起提高了數(shù)字溫度傳感器的需求。在此類傳感器的幫助下，可以在運(yùn)動(dòng)或休息時(shí)間，隨時(shí)隨地監(jiān)控體溫和身體狀況。

c、智能家居系統(tǒng)

非接觸熱電堆紅外傳感器還可以在供暖和制冷、通風(fēng)及家庭火災(zāi)檢測等應(yīng)用中大顯身手，有望開拓智能家居的市場前景。

敏芯股份解決方案

目前，敏芯股份紅外熱電堆傳感器已經(jīng)進(jìn)行了三個(gè)版本的迭代更新，在保持產(chǎn)品基本性能的基礎(chǔ)上，芯片尺寸小型化，實(shí)現(xiàn)了性價(jià)比的提升，同時(shí)提高了其EMC性能和產(chǎn)品穩(wěn)定性。敏芯股份可給客戶提供提供紅外熱電堆芯片或晶圓、TO-46金屬管殼封裝。

審核編輯：湯梓紅