一种红外热电容温度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种红外热电容温度传感器，涉及传感器技术领域。该传感器结构包括红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路、承载装置、电路基板、热敏电阻以及封装外壳。与传统非接触式热电堆温度传感器相比，本技术方案的红外热电容温度传感器也不需要与被测物体接触，而且由于对热辐射的响应更为敏感，可以实现更远距离的测温，用该原理制作的热电容温度传感器，被测物体微小的温度波动就会产生较大的热电容参数变化，尤其在集成有读出电路或单片机的智能型热电容温度传感器具有灵敏度高、线性良好、可以分辨最小0.1℃温差、可测上限高(200℃)、动态响应快、不破坏测温物体温度场、产品制作成本相对较低的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种红外热电容温度传感器
本专利技术涉及传感器
，具体为一种红外热电容温度传感器及其测温原理。
技术介绍
温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器，温度传感器是测温仪器的核心部分，品种繁多，按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，其中热电偶、热敏电阻、铂电阻(RTD)和温度IC是测试中最常用的接触式温度传感器。目前主流的非接触式红外温度传感器主要为薄膜式热电堆，由于采用了硅基MEMS工艺，其产品测温精度较高，其缺点是制作成本高。目前国内热电堆芯片制作工艺不完善而导致热电堆不良率居高不下，而且热电堆冷热结金属随时间容易发生氧化，容易产生温漂，需要反复校正。与传统非接触式热电堆测温传感器相比，本技术方案的红外热电容温度传感器也不需要与被测物体接触，而且由于对热辐射的响应更为敏感，可以实现相对更远距离的测温，用该原理制作的热电容温度传感器，被测物体微小的温度波动就会产生较大的热电容参数变化，尤其在集成有信号读出电路及单片机的智能型热电容温度传感器具有灵敏度高、线性良好、可以分辨最小0.1℃温差、可测上限高(200℃)、动态响应快、不破坏温度场、制作成本相对较低的优点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种红外热电容温度传感器，具备灵敏度高、线性良好、可以分辨较小的温度差(温度分辨率高)以及制作成本较低的优点，以解决传统的非接触式热电堆温度传感器存在的问题。该红外热电容温度传感器采用红外热辐射电容材料代替传统薄膜式热电堆，其主要特征是采用特殊的红外温度辐射探测材料，包括光电晶体、多晶陶瓷等，将上述材料制成超薄的片式结构或者溅射形成薄膜结构，在材料的上表面制作提高吸收红外热辐射能量的特殊金属材料，如铬、镍铬合金、康铜、镍、锑等金属材料，形成单元、多元或阵列图案组成串联、并联热电容电路，以提高辐射效率和线性输出要求。当目标物体表面辐射的红外线通过红外滤光片滤波进入传感器腔体后，辐射在敏感材料上的能量导致敏感材料表面(与环境温度相比)产生温度梯度，不同的温度梯度引起材料表面不同数量的电荷的聚集和迁移，迅速引起该电容器回路的电荷变化，从而对电容器进行充放电。由于热辐射能量不同，充放电的电荷量就不同，可以通过信号读出电路测得目标物体表面的相对温度变化，本专利技术巧妙利用了红外热辐射材料及平板电容的有机结合。利用该原理制作的非接触式红外热电容温度传感器，并且对目标物体表面温度的变化进行了探测，探测结果见实施例，到目前为止没有发现学术界及产业界报导的先例。更进一步说明，本专利技术的红外热电容核心材料：敏感元材料由红外辐射敏感材料组成，可以是晶体、多晶功能陶瓷，如LiTaO3、PbTiO3(简称PT)、PbZrO3/PbTiO3(简称PZT)等，可制作为薄片或薄膜式结构，这些敏感材料在吸收热辐射能量后，晶体结构将发生变化，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，引起材料的自发极化发生变化，从而引起材料表面吸附电荷的多寡变化，在这种敏感材料表面镀金属层，形成平板电容。通过调整材料的电容、电阻，调整敏感元的时间常数。更进一步，在超薄片或薄膜式结构的材料上表面沉积提高红外热辐射吸收的特殊金属或非金属材料，可以进一步提高测温的灵敏度和线性。由以上材料及敏感元构成热电容测温敏感电路，其敏感元等效电路见附图9所示。更进一步的说明，在以上等效电路中，R可以通过材料的配方组成及制作工艺进行调整，而电容量可以通过变化探测元的厚度和图案进行调整，从而调整敏感元的时间常数(t＝R*C)，本专利技术中热电容量的计算公式为：C＝Er*ε0*S/d其中：C为探测元的电容量，单位为F，Er为相对介电常数，ε0为真空介电常数，数值为8.854×10-12(F/m)，S为样品的有效面积，单位为m2，d为样品的厚度，单位为m。在热电容测温过程中，输出信号的强度Ui受被测物体温度、环境温度、探测距离、热电容容量，薄片厚度、热释电系数、材料介电损耗、吸收比等的影响。可以表达为多元函数：Ui＝f(Cp,d,tanδ,D,Tobj,Tamb,p,A,C,α)其中，Cp为探测元的电容量，d为探测元的厚度，tanδ为电容的损耗角正切，D为探测元至被探测物的距离，Tobj为被测物体的表面温度，Tamb为环境温度，p为热释电系数,A为探测元面积，C为敏感元的热容，α吸收系数。当优选的材料及传感器结构确定后，输出信号Ui可以进一步简化为Ui＝f(Tobj,Tamb,α)，其中Tobj为被探测物的表面温度，Tamb为环境温度，α为吸收系数。为了更好地检测环境温度变化对热电容温度传感器的影响，热电容温度传感器置入温度补偿热敏元件，例如热敏电阻NTC或PT100热电偶作为参考信号，并配合或置入适合的信号读出电路及单片机数字处理技术，即可将目标温度的变化转换为电信号或被测温度数值。热电容温度传感器等效电路见附图10所示。为实现灵敏度高、线性良好、高分辨以及制作成本较低的目的，本专利技术提供如下技术方案：一种红外热电容温度传感器，包括红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路，承载装置、电路基板，热敏电阻以及封装外壳。所述外壳由所述管帽和所述管座形成密闭的收纳空间，将所述红外热辐射电容、热敏元件、信号读出电路、承载装置、电路基板收纳在其中。所述管帽上有安装红外光学滤光片的窗口，所述管帽开窗口处安装红外长波通光学滤光片，典型透过波长为5-14um，所述红外热辐射电容、热敏电阻以及读出电路均置于所述电路基板上。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述红外热辐射电容的敏感元为单元或多元构成的串联、并联热电容电路，其上电极及下电极均为对称的等面积圆形或矩形图案。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述红外热辐射电容的敏感元可以为多元组成的阵列型热电容电路，其上电极为多个矩形、环形或曲别针形图案的一种，下电极为同种形状对称的等面积多个矩形、环形或曲别针图案的一种，组成阵列型串联、并联热电容电路。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述红外热辐射电容的敏感元材料可选晶体和多晶陶瓷中的一种，且所述的该图案为蒸镀、喷涂或印制有金黑/铬/镍/锑/康铜材料的感温电路。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述热敏元件为NTC热敏电阻、PT100测温元件，用来测量传感器所处的环境温度，作为器件参考温度。作为本专利技术的一种优选技术方案，按读出电路分为模拟输出、数字输出型，模拟输出型包括：场效应管FET、EMI电容、电阻等；数字型输出分别包括：运算放大器OP、EMI电容、电阻、模拟数字转换器ADC、单片机MCU等。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述读出电路是模拟数字混合ASIC芯片，其内集成有信号运算放大器OP、模拟数字转换器ADC、低通滤波电路等。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述读出电路是单片机MCU，其内也集成有信号运算放大器OP、模拟数字转换器ADC、微处理器DSP及接口电路等。作为本专利技术的一种优选技术方案，所述电路基板为表面印刷有电路的PCB板和陶瓷基板中的任意一种。作为本专利技术的一种优选技术方案，该红外热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外热电容温度传感器，其结构包括：红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路，承载装置、电路基板，热敏电阻以及封装外壳，所述封装外壳由所述管帽和所述管座形成密闭的收纳空间，将所述红外热辐射电容、热敏元件、信号读出电路、承载装置、电路基板收纳在其中。所述管帽上有安装红外光学滤光片的窗口，所述管帽开窗口处安装红外长波通光学滤光片，典型透过波长为5-14um，所述红外热辐射电容、热敏电阻以及信号读出电路均置于所述电路基板上。/n

【技术特征摘要】
1.一种红外热电容温度传感器，其结构包括：红外热辐射电容、红外滤光片、读出电路，承载装置、电路基板，热敏电阻以及封装外壳，所述封装外壳由所述管帽和所述管座形成密闭的收纳空间，将所述红外热辐射电容、热敏元件、信号读出电路、承载装置、电路基板收纳在其中。所述管帽上有安装红外光学滤光片的窗口，所述管帽开窗口处安装红外长波通光学滤光片，典型透过波长为5-14um，所述红外热辐射电容、热敏电阻以及信号读出电路均置于所述电路基板上。


2.根据权利要求1所述的一种红外热电容温度传感器，其特征在于：所述红外热辐射电容的敏感元为单元或多元构成的串联、并联热电容电路，其上电极及下电极均为对称的等面积圆形或矩形图案。


3.根据权利要求2所述的一种红外热电容温度传感器，进一步其特征在于：所述红外热辐射电容的敏感元可以为多元组成的阵列型热电容电路，其上电极为多个矩形、环形或曲别针形图案的一种，下电极为同种形状对称的等面积多个矩形、环形或曲别针图案的一种，组成阵列型串联、并联热电容电路。


4.根据权利要求2或3所述的一种红外热电容温度传感器敏感元，进一步其特征在于：所述红外热辐射电容的敏感元材料可选晶体和多晶陶瓷中的一种，而且所述的该图案为蒸镀、喷涂或印制有金黑/铬/镍/锑/康铜材料的感温电路。


5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：单森林，
申请(专利权)人：森霸传感科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41