專利名稱：紅外傳感器以及用以補償其溫度的方法
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償，以及涉及一種用以補償其溫度的方法。
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)動物體，移動物體，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。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?？傊?，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，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，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，因為在Stefan-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，其可用以檢測并補償傳感器溫度，或?qū)⑵浞胖迷诤銣厥抑?，以便保持傳感器溫度恒定。目前，廣泛使用的是電路補償。
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，溫度補償元件13，用以檢測測量物體周圍的環(huán)境溫度，溫度補償部分14，用以放大來自溫度補償元件13的信號，加法放大器15，用以將傳感器放大部分12和溫度補償部分14的信號加在一起，和恒定電壓源16，用以將電源提供給傳感器放大部分12，溫度補償部分14和加法放大器15。溫度補償元件13是由熱敏電阻或二極管構(gòu)成。因此，通過補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，用于溫度補償?shù)碾娐肥菑?fù)雜的，并且成本高。
其次，靈敏度應(yīng)有意識地降低，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被檢測。
因此，本發(fā)明涉及一種紅外傳感器以及用于補償其溫度的方法，其消除了因相關(guān)技術(shù)的限制和缺點而存在的一個或多個問題。
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)明的另一個目的是提供一種紅外傳感器，以及一種用以補償其溫度的方法，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，并且其部分將通過描述而更加清楚，或通過實施發(fā)明而知曉。本發(fā)明的目的和優(yōu)點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)而實現(xiàn)和獲得。
為了實現(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，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)選實施例的紅外傳感器。
優(yōu)選實施例的詳細(xì)說明。
現(xiàn)將參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的說明，該實施例示于附圖中。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和用以補償溫度的熱電偶傳感器24的每個包括熱電偶偶，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還形成在用以補償溫度的熱電偶傳感器24上，用以使由補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傳感器23和24串聯(lián)連接，所以用以補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”表示完成溫度補償?shù)妮敵鎏匦?，與“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)的溫度補償部分和加法放大器。
本發(fā)明的紅外傳感器以及補償其溫度的方法具有下列優(yōu)點。
首先，由于由紅外傳感器本身的溫度補償就不需要任何附加的溫度補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電子株式會社