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專利名稱：紅外傳感器以及用以補(bǔ)償其溫度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外傳感器，特別是涉及一種傳感器，其中溫度可以得到補(bǔ)償，以及涉及一種用以補(bǔ)償其溫度的方法。
通常，檢測溫度與我們每天的生活是密切相關(guān)的，如空調(diào)和烹飪以及工業(yè)。溫度檢測是通過接觸型或非接觸型來進(jìn)行的，其中普遍采用的是接觸型的，非接觸型的只是在接觸型不可能的情況下用作輔助裝置。例如，非接觸型的使用只限于檢測接觸型的不能很容易進(jìn)行檢測的物體，如轉(zhuǎn)動(dòng)物體，移動(dòng)物體，高溫物體等。由于非接觸型傳感器很貴并且難以操作，所以接觸型傳感器的使用要比非接觸型傳感器更加廣泛。然而，對于非接觸型傳感器的需求正在日益增加，特別是對于簡單而且低成本輻射型傳感器，其可在相對低溫度下約0-300℃進(jìn)行測量。由于這些非接觸、輻射型傳感器可以由簡單的電路而構(gòu)成，并且其所使用的紅外傳感器可以在目前低成本下獲得，所以從成本的觀點(diǎn)來看，輻射型傳感器要比接觸型傳感器更為適用。在紅外傳感器中，存在光電型傳感器，其可用以光電效應(yīng)或光導(dǎo)電效應(yīng)，和溫度型傳感器，如輻射熱測量器，熱電偶傳感器和光電傳感器，其采用的是由入射輻射的電子激發(fā)而引起的傳感器電性能的變化，通常在所選擇的波段內(nèi)具有優(yōu)異的靈敏度和快速響應(yīng)能力。然而，光電型傳感器具有的缺點(diǎn)在于，工藝技術(shù)還沒有完全建立，并且傳感器成本較高，并且必須在低于液氮的溫度下進(jìn)行操作才能獲得所需的紅外靈敏性。因此，為了將紅外傳感器用于商業(yè)和工業(yè)的目的，需要傳感器可靠并且無須冷卻。
目前，對于溫度型傳感器的研究正在迅速發(fā)展，其可以滿足上述需要。該研究的結(jié)果，已經(jīng)開發(fā)出各種傳感器，其可以提供不能從外觀圖象中獲知的物體的有用信息，其可以使用在許多場合中，如生產(chǎn)檢查，工藝監(jiān)測，以及非接觸性和非破壞性試驗(yàn)。在用于這些傳感器的傳感器材料中，即使最優(yōu)異的材料為(Hg，Cd)Te，由于工藝技術(shù)還不成熟，所以提供的均質(zhì)襯底還存在問題。因此，對于熱電偶傳感器的研究正在進(jìn)行，其可以解決上述問題，同時(shí)其可以由半導(dǎo)體工藝來制成。熱電偶傳感器是一種使用塞貝克效應(yīng)來檢測溫度的傳感器，其中兩種不同的材料一端相接另一端打開，其可產(chǎn)生與接觸端和打開端之間溫差成正比的熱電偶功率。熱電偶傳感器具有的優(yōu)點(diǎn)在于，其表現(xiàn)出與DC輻射穩(wěn)定響應(yīng)的特性，響應(yīng)寬范圍的紅外頻譜，并且不需要偏壓或偏流。熱電偶傳感器的操作原理基于Stefan-Boltzmann定律，即“每個(gè)物體輻射出的能量正比于物體絕對溫度的四次方”。也就是說，P∝∈σT4，其中T是物體的絕對溫度，P是由物體所輻射出的能量，以及∈是輻射率。總之，熱電偶傳感器可檢測正比于T4的能量，用以檢測溫度。


圖1表示入射到背景技術(shù)熱電偶傳感器的能量。如圖所示，在入射到熱電偶傳感器1的能量中，有從測量物體2所輻射的能量A，有從測量物體2周圍物體所輻射的能量B，其在測量物體2上反射并入射到熱電偶傳感器上，有在環(huán)境溫度下由傳感器封裝體3所輻射的能量C，其入射到熱電偶傳感器1上，通過傳感器封裝體3熱傳導(dǎo)的能量D，和由熱電偶傳感器1本身所輻射的能量E。因此，在測量高溫下的物體時(shí)，熱電偶傳感器可按照上述等式P∝∈σT4提供正比于測量物體溫度T四次方的數(shù)值。然而，當(dāng)測量低溫下的物體時(shí)，熱電偶傳感器將不能按照上述等式P∝∈σT4提供正比于測量物體溫度T四次方的數(shù)值，因?yàn)樵赟tefan-Bpltzmann定律下，不僅存在由測量物體2入射到熱電偶傳感器上的能量A，而且在相同定律下存在由熱電偶傳感器1本身所輻射的能量E。這可以表示為P∝σ(∈T4+RTs4-To4)，其中To表示熱電偶傳感器本身的溫度，Ts表示在測量物體周圍的環(huán)境溫度，和R是反射率。也就是說，在高溫范圍內(nèi)，其中測量物體2的溫度T大大高于熱電偶本身的溫度To(T》To)，在上式中的To4可以被忽略，以便測量所測物體2的溫度，而在低溫范圍內(nèi)，To4不能被忽略，因此所測物體2的溫度就不能精確地加以測量。因此，為了補(bǔ)償成分即To4，背景技術(shù)的熱電偶傳感器可帶有一電路，其可用以檢測并補(bǔ)償傳感器溫度，或?qū)⑵浞胖迷诤銣厥抑校员惚３謧鞲衅鳒囟群愣āＤ壳埃瑥V泛使用的是電路補(bǔ)償。
圖2和3分別示出了方框圖和電路圖，用以表示具有溫度補(bǔ)償?shù)谋尘凹夹g(shù)的熱電偶傳感器。
參見圖2和3，具有溫度補(bǔ)償?shù)谋尘凹夹g(shù)的熱電偶傳感器具有熱電偶傳感器11，用以檢測測量物體的溫度，傳感器放大部分12，用以放大來自熱電偶傳感器11的信號(hào)，溫度補(bǔ)償元件13，用以檢測測量物體周圍的環(huán)境溫度，溫度補(bǔ)償部分14，用以放大來自溫度補(bǔ)償元件13的信號(hào)，加法放大器15，用以將傳感器放大部分12和溫度補(bǔ)償部分14的信號(hào)加在一起，和恒定電壓源16，用以將電源提供給傳感器放大部分12，溫度補(bǔ)償部分14和加法放大器15。溫度補(bǔ)償元件13是由熱敏電阻或二極管構(gòu)成。因此，通過補(bǔ)償測量物體周圍的環(huán)境溫度，就可以測量待測量物體的溫度。
然而，具有溫度補(bǔ)償?shù)谋尘凹夹g(shù)的熱電偶傳感器存在下列問題。
首先，用于溫度補(bǔ)償?shù)碾娐肥菑?fù)雜的，并且成本高。
其次，靈敏度應(yīng)有意識(shí)地降低，以防止測量物體周圍的物體的溫度，包括測量物體的溫度，在熱電偶傳感器具有高靈敏度時(shí)被檢測。
因此，本發(fā)明涉及一種紅外傳感器以及用于補(bǔ)償其溫度的方法，其消除了因相關(guān)技術(shù)的限制和缺點(diǎn)而存在的一個(gè)或多個(gè)問題。
本發(fā)明的目的是提供一種紅外傳感器，以及一種用以補(bǔ)償其溫度的方法，其具有簡單的系統(tǒng)和低的成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種紅外傳感器，以及一種用以補(bǔ)償其溫度的方法，其可解決有意降低的靈敏度。
下面將進(jìn)一步描述本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，并且其部分將通過描述而更加清楚，或通過實(shí)施發(fā)明而知曉。本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將通過說明書的描述和權(quán)利要求的限定以及附圖中所指出的特定結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)和獲得。
為了實(shí)現(xiàn)所描述和限定的本發(fā)明的目的以及這些和其他的優(yōu)點(diǎn)，紅外傳感器包括襯底，在襯底上形成的薄膜，在薄膜的區(qū)域上形成的第一熱電偶傳感器，其用以檢測由測量物體所發(fā)出的紅外輻射和由測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射；在薄膜區(qū)域上形成的并與第一熱電偶傳感器相連的第二熱電偶傳感器，用以檢測由測量物體以外所發(fā)出的紅外輻射；殼體，其用以保護(hù)包含第一和第二熱電偶傳感器的襯底正面；在殼體中位于第一和第二熱電偶傳感器上的紅外濾波器，用以傳遞紅外輻射；和反射器，用以將由測量物體所發(fā)出的紅外輻射反射到第一熱電偶傳感器上。
紅外傳感器具有第一和第二熱電偶傳感器，其同極性相互串聯(lián)而連接。
紅外傳感器具有第一和第二熱電偶傳感器，其以對稱形式而形成。
本發(fā)明的另一方面，提供一種用以補(bǔ)償紅外傳感器溫度的方法，其包括下列步驟使測量物體的紅外輻射對準(zhǔn)第一熱電偶傳感器，并使測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射對準(zhǔn)第一和第二熱電偶傳感器，分別檢測在所述第一和第二熱電偶傳感器中的紅外輻射，并且通過第一和第二熱電偶傳感器本身對測量物體以外區(qū)域的紅外輻射進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以便只提供測量物體的溫度成分。
應(yīng)當(dāng)知道，上述的一般描述和下述的詳細(xì)描述是典型的實(shí)例，其試圖提供對所要求保護(hù)的本發(fā)明作進(jìn)一步的解釋。
表示本發(fā)明實(shí)施例并與說明書一起來說明本發(fā)明原理的附圖部分是用以提供對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，其包含在說明書中并構(gòu)成說明書的一部分，其中圖1表示入射到背景技術(shù)的熱電偶傳感器中的能量；圖2是一框圖，其表示具有溫度補(bǔ)償?shù)谋尘凹夹g(shù)的熱電偶傳感器；圖3是電路圖，其表示具有溫度補(bǔ)償?shù)谋尘凹夹g(shù)的熱電偶傳感器；圖4是平面和截面圖，其分別表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的紅外傳感器的結(jié)構(gòu)；圖5表示本發(fā)明紅外傳感器封裝的截面；圖6是曲線圖，其表示本發(fā)明與背景技術(shù)的紅外傳感器的比較；圖7是框圖，其表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的紅外傳感器；和圖8是電路圖，其表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的紅外傳感器。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明。
現(xiàn)將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的說明，該實(shí)施例示于附圖中。圖4分別是平面圖和截面圖，其表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的紅外傳感器的結(jié)構(gòu)。
參照圖4，紅外傳感器包括在硅襯底21的區(qū)域上的薄膜，熱電偶傳感器23，用以測量紅外輻射，和熱電偶傳感器24，用以補(bǔ)償溫度，其對稱地形成在薄膜22上。用以測量紅外輻射的熱電偶傳感器23和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24的每個(gè)包括熱電偶偶，其具有第一熱電偶材料25和第二熱電偶材料26，它們串聯(lián)連接在襯底21和薄膜22上，墊片27在襯底21上并與熱電偶偶連接，和在薄膜22上的黑體28，其是第一熱電偶偶材料25和第二熱電偶偶材料26的結(jié)，用以吸收紅外輻射。第一和第二熱電偶偶材料25和26是由相反極性大熱電偶功率的不同材料制成。并且，用以檢測紅外輻射的熱電偶傳感器23和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24則將相同極性串聯(lián)連接。也就是說，或是用以檢測紅外輻射的熱電偶傳感器23的第一熱電偶偶材料25和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器23的第一熱電偶偶材料25，或是用以檢測紅外輻射的熱電偶傳感器23的第二熱電偶偶材料26和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器23的第二熱電偶偶材料26，其相同極性進(jìn)行連接，用以提供相反極性的傳感器23和24。
圖5表示本發(fā)明紅外傳感器封裝的截面圖。
參見圖5，紅外傳感器封裝包括殼體29，用以保護(hù)襯底21的正面，其上對稱地形成有用以測量紅外輻射的熱電偶傳感器23和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24，在殼體29中在用以測量紅外輻射的熱電偶傳感器23和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24上具有紅外濾波器30，和反射器31，用以將由測量物體所發(fā)出的紅外輻射向用以測量紅外輻射的熱電偶傳感器23反射。紅外濾波器30還形成在用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24上，用以使由補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24所發(fā)出的紅外輻射本身透射到殼體外。
下面將描述本發(fā)明上述紅外傳感器的操作。
由測量物體所發(fā)出的紅外輻射適于在反射器31上反射，其只反射到用以測量紅外輻射的熱電偶傳感器23上，由測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射(由測量物體周圍溫度以及通過封裝的熱傳導(dǎo)所發(fā)出的能量)適于射向用以測量紅外輻射的熱電偶傳感器23和用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24。然后，傳感器23和24分別檢測入射的紅外輻射，以便補(bǔ)償測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射，其只提供測量物體的溫度成分。也就是說，由于相反極性的兩個(gè)傳感器23和24串聯(lián)連接，所以用以補(bǔ)償溫度的熱電偶傳感器24的數(shù)值可從用以測量紅外發(fā)射的熱電偶傳感器23的數(shù)值中減去，其只顯示出測量物體的溫度成分作為最終的輸出。
圖6是曲線圖，其表示本發(fā)明與背景技術(shù)的紅外傳感器的比較，其中“A”是一條曲線，其表示本發(fā)明的紅外傳感器的輸出，而“B”和“C”是兩條曲線，其均表示背景技術(shù)的紅外傳感器的輸出。“B”表示低靈敏度傳感器的情況，而“C”表示高靈敏度傳感器的情況。
參見圖6，可以知道，“A”表示完成溫度補(bǔ)償?shù)妮敵鎏匦裕c“B”和“C”相比，其與測量物體以外區(qū)域上所出現(xiàn)的溫度變化無關(guān)。
圖7和8分別是框圖和電路圖，其均表示根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的紅外傳感器，由其可以清楚地知道，與背景技術(shù)的紅外傳感器相比，紅外傳感器包括傳感器放大部分，和恒定電壓源，其只是不需要背景技術(shù)的溫度補(bǔ)償部分和加法放大器。
本發(fā)明的紅外傳感器以及補(bǔ)償其溫度的方法具有下列優(yōu)點(diǎn)。
首先，由于由紅外傳感器本身的溫度補(bǔ)償就不需要任何附加的溫度補(bǔ)償電路或加法放大器電路，所以電路可以簡化，并且成本可以降低。
其次，在相同的芯片上形成了紅外輻射檢測傳感器和溫度補(bǔ)償傳感器，使本發(fā)明的紅外傳感器可保持高輸出電壓，并具有優(yōu)異的補(bǔ)償特性，由此解決了傳感器靈敏度減低的背景技術(shù)的問題。
對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通專業(yè)人員來說，在本發(fā)明的紅外傳感器以及補(bǔ)償其溫度的方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行各種變形和改型將是明顯的，其均不會(huì)脫離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明試圖覆蓋發(fā)明的各種改型和變形以及等價(jià)物，使其落入本發(fā)明權(quán)利要求的限定范圍。
權(quán)利要求
1.一種紅外傳感器，其包括襯底；在襯底上所形成的薄膜；在薄膜的區(qū)域上所形成的第一傳感器，用以檢測由測量物體所發(fā)出的紅外輻射和由測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射；和在薄膜區(qū)域上所形成的第二傳感器，其與第一傳感器連接，用以檢測由測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射。
2.如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中第一和第二傳感器兩者均是熱電偶偶傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中第一和第二傳感器是將相同極性相互串聯(lián)連接的。
4.如權(quán)利要求1所述的紅外傳感器，其中第一和第二傳感器是對稱形成的。
5.一種紅外傳感器，其包括襯底；在襯底上所形成的薄膜；在薄膜的區(qū)域上所形成的第一熱電偶傳感器，用以檢測由測量物體所發(fā)出的紅外輻射和由測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射；在薄膜的區(qū)域上所形成的第二熱電偶傳感器，其與第一熱電偶傳感器連接，用以檢測由測量物體以外區(qū)域所發(fā)出的紅外輻射；殼體，用以保護(hù)包括第一和第二熱電偶傳感器的襯底正面；在殼體中的紅外濾波器，其位于第一和第二熱電偶傳感器上，用以傳遞紅外輻射；和反射器，用以將由測量物體所發(fā)出的紅外輻射反射到第一熱電偶傳感器上。
6.如權(quán)利要求5所述的紅外傳感器，其中第一和第二熱電偶傳感器是將相同極性相互串聯(lián)連接的。
7.如權(quán)利要求5所述的紅外傳感器，其中第一和第二傳感器是對稱形成的。
8.一種用以補(bǔ)償紅外傳感器溫度的方法，其傳感器在相同襯底上形成有第一和第二熱電偶傳感器，該方法包括下列步驟使測量物體的紅外輻射射向第一熱電偶傳感器，并使測量物體以外區(qū)域的紅外輻射射向第一和第二熱電偶傳感器；在所射向的第一和第二熱電偶傳感器中分別檢測紅外輻射；和通過第一和第二熱電偶傳感器本身為測量物體以外區(qū)域的紅外輻射進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以便只提供測量物體的溫度成分。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種紅外傳感器,其自身進(jìn)行溫度補(bǔ)償其包括:襯底;在襯底上所形成的薄膜;在薄膜的區(qū)域上所形成的第一熱電偶傳感器,和第二熱電偶傳感器,在殼體中的紅外濾波器;和反射器。
文檔編號(hào)G01J5/08GK1197925SQ9810047
公開日1998年11月4日 申請日期1998年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月14日
發(fā)明者金寅式, 金泰潤, 沈映助, 李準(zhǔn)培 申請人:Lg電子株式會(huì)社