[發明專利]一種紅外熱電容溫度傳感器

在審

• 申請號: 202010550972.3
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111595467A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 單森林
• 申請（專利權）人: 森霸傳感科技股份有限公司
• 主分類號: G01J5/34
• 分類號: G01J5/34
• 代理公司: 北京力量專利代理事務所(特殊普通合伙) 11504
• 代理人: 何東明

本發明公開了一種紅外熱電容溫度傳感器，涉及傳感器技術領域。該傳感器結構包括紅外熱輻射電容、紅外濾光片、讀出電路、承載裝置、電路基板、熱敏電阻以及封裝外殼。與傳統非接觸式熱電堆溫度傳感器相比，本技術方案的紅外熱電容溫度傳感器也不需要與被測物體接觸，而且由于對熱輻射的響應更為敏感，可以實現更遠距離的測溫，用該原理制作的熱電容溫度傳感器，被測物體微小的溫度波動就會產生較大的熱電容參數變化，尤其在集成有讀出電路或單片機的智能型熱電容溫度傳感器具有靈敏度高、線性良好、可以分辨最小0.1℃溫差、可測上限高(200℃)、動態響應快、不破壞測溫物體溫度場、產品制作成本相對較低的優點。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，具體為一種紅外熱電容溫度傳感器及其測溫原理。

背景技術

溫度傳感器是指能感受溫度并轉換成可用輸出信號的傳感器，溫度傳感器是測溫儀器的核心部分，品種繁多，按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類，其中熱電偶、熱敏電阻、鉑電阻(RTD)和溫度IC是測試中最常用的接觸式溫度傳感器。

目前主流的非接觸式紅外溫度傳感器主要為薄膜式熱電堆，由于采用了硅基MEMS工藝，其產品測溫精度較高，其缺點是制作成本高。目前國內熱電堆芯片制作工藝不完善而導致熱電堆不良率居高不下，而且熱電堆冷熱結金屬隨時間容易發生氧化，容易產生溫漂，需要反復校正。

與傳統非接觸式熱電堆測溫傳感器相比，本技術方案的紅外熱電容溫度傳感器也不需要與被測物體接觸，而且由于對熱輻射的響應更為敏感，可以實現相對更遠距離的測溫，用該原理制作的熱電容溫度傳感器，被測物體微小的溫度波動就會產生較大的熱電容參數變化，尤其在集成有信號讀出電路及單片機的智能型熱電容溫度傳感器具有靈敏度高、線性良好、可以分辨最小0.1℃溫差、可測上限高(200℃)、動態響應快、不破壞溫度場、制作成本相對較低的優點。

發明內容

本發明提供了一種紅外熱電容溫度傳感器，具備靈敏度高、線性良好、可以分辨較小的溫度差(溫度分辨率高)以及制作成本較低的優點，以解決傳統的非接觸式熱電堆溫度傳感器存在的問題。

該紅外熱電容溫度傳感器采用紅外熱輻射電容材料代替傳統薄膜式熱電堆，其主要特征是采用特殊的紅外溫度輻射探測材料，包括光電晶體、多晶陶瓷等，將上述材料制成超薄的片式結構或者濺射形成薄膜結構，在材料的上表面制作提高吸收紅外熱輻射能量的特殊金屬材料，如鉻、鎳鉻合金、康銅、鎳、銻等金屬材料，形成單元、多元或陣列圖案組成串聯、并聯熱電容電路，以提高輻射效率和線性輸出要求。當目標物體表面輻射的紅外線通過紅外濾光片濾波進入傳感器腔體后，輻射在敏感材料上的能量導致敏感材料表面(與環境溫度相比)產生溫度梯度，不同的溫度梯度引起材料表面不同數量的電荷的聚集和遷移，迅速引起該電容器回路的電荷變化，從而對電容器進行充放電。由于熱輻射能量不同，充放電的電荷量就不同，可以通過信號讀出電路測得目標物體表面的相對溫度變化，本發明巧妙利用了紅外熱輻射材料及平板電容的有機結合。利用該原理制作的非接觸式紅外熱電容溫度傳感器，并且對目標物體表面溫度的變化進行了探測，探測結果見實施例，到目前為止沒有發現學術界及產業界報導的先例。

更進一步說明，本發明的紅外熱電容核心材料：敏感元材料由紅外輻射敏感材料組成，可以是晶體、多晶功能陶瓷，如LiTaO₃、PbTiO₃(簡稱PT)、PbZrO₃/PbTiO₃(簡稱PZT)等，可制作為薄片或薄膜式結構，這些敏感材料在吸收熱輻射能量后，晶體結構將發生變化，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，引起材料的自發極化發生變化，從而引起材料表面吸附電荷的多寡變化，在這種敏感材料表面鍍金屬層，形成平板電容。通過調整材料的電容、電阻，調整敏感元的時間常數。更進一步，在超薄片或薄膜式結構的材料上表面沉積提高紅外熱輻射吸收的特殊金屬或非金屬材料，可以進一步提高測溫的靈敏度和線性。由以上材料及敏感元構成熱電容測溫敏感電路，其敏感元等效電路見附圖9所示。