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热电堆上会产生与瞬态本身斜率成比例的温度梯度
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揭开热电堆红外温度传感器的神秘面纱

作者:Habib Karaki,Vasco Polyzoev2019年2月26日上午12:00

部件传感器产品温度传感器

揭开热电堆红外温度传感器的神秘面纱

Habib Karaki和Vasco Polyzoev的传感器见解

 

热电堆温度或温度传感器提供了非接触式温度测量的优势,使其比标准的接触式温度传感器更受欢迎。热电堆传感器使用红外(IR)辐射和传导进行传热,这提供了独特的解决方案,在许多受限应用中实现了新的性能和可靠性水平。

 

长期以来,从事电子设备热管理的工程师一直享受着数字温度传感集成电路的简单和方便。市场上的新型集成热电堆传感器IC以同样方便的数字格式提供温度结果。其功率、尺寸和成本的不断降低为消费设备、医疗器械、办公设备和家用电器创造了机会。

 


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小型热电堆红外传感器最活跃的应用是笔记本电脑、平板电脑和智能手机等便携式设备。测量外壳温度是优化性能的关键输入。保持处理器在峰值功率下运行,同时保持用户舒适的外壳温度,是追求更小形状因子的更高处理能力的主要设计约束。

 

使用电路板上的接触式温度传感器将其温度与外壳温度关联起来,会产生非常不准确的结果。此外,它不考虑环境条件的任何变化,即在晴天或曲棍球场室外使用平板电脑。粘在外壳上的接触式温度传感器,用导线将其连接到电路板,可以解决这个问题。但这对制造业来说是一场噩梦,因为它涉及手动装配,可靠性较差。

 

热电堆红外温度传感器可以通过标准自动化过程安装到印刷电路板(PCB)上。它测量电路板和外壳温度,从而实现真正的反馈控制和优化。

 

红外温度传感器的另一个有吸引力的应用是对移动物体(如激光打印机中的加热辊)的温度监测和控制。在这些情况下,使用基于触点的温度传感器会带来许多倒退。例如,接触点在运动过程中因摩擦而磨损。通过对传感器施加法向力以实现良好的热接触,这种情况会加剧。此外,接触位置可能不在关注点。这为两个位置之间的热传递创建了一个时间常数,可能会影响控制系统的效率。红外温度传感器可以消除所有这些约束。

 

为了充分利用这项技术,必须解决热电堆红外温度传感器的一些特点。热电堆红外传感器具有多个串联的热电偶,其“热”结连接到薄红外吸收器,通常位于硅芯片上的微加工膜上(见图1、2和3)。

 

吸收器和它前面的物体之间的红外辐射交换使吸收器的温度上升或下降,这取决于它和物体之间的温差。这一过程受普朗克黑体辐射定律(图3)和斯特凡-玻尔兹曼辐射传热定律(图2)控制。吸收器的小质量提供了与物体的快速热平衡。较小的厚度提供了与芯片本体材料的隔热,导致吸收器中部和芯片本体之间的温度梯度。

 

图1:热电偶与热电堆。

图1:热电偶与热电堆。

图2:典型热电堆红外传感器示意图。

图2:典型热电堆红外传感器示意图。

图3:40°C至125°C温度下光谱辐射的普朗克定律。

图3:40°C至125°C温度下光谱辐射的普朗克定律。

热电偶的“冷”接头是散装的。内置温度传感器测量整体温度,作为计算的参考点。单个热电偶上产生的电压与两个结之间的温差成比例。比例系数称为塞贝克系数:来自描述热电偶工作原理的塞贝克效应。

 

热电堆的总电压等于所有单个热电偶上的电压之和。假使热电堆的总电压等于所有单个热电偶上的电压之和。在串联相同热电偶的情况下,是热电偶的数量乘以其中一个热电偶上的电压。根据传感器芯片温度、温度和热电堆输出电压的测量值计算物体温度。热电堆电压的简化公式由Stefan-Boltzmann定律和Seebeck效应通过等式1推导得出:

 

VTP=A•(TO4–TS4)

在等式1中,VTP是热电堆电压,TO是物体温度,TS是传感器温度。在A=RTH•N•S•ε•σ•F的情况下;RTH=热阻,N=热电偶数量,S=塞贝克系数,ε=净发射率,σ=斯特凡常数,F=视野(FOV)。

 

为了正确测量物体的温度,物体必须完全填满传感器的视野(FOV)。这确保了影响热电堆的红外辐射仅来自感兴趣的物体,而不是其背景。与ε=1的理想黑体相比,材料的发射率表示其发射红外辐射的能力。人类皮肤、玻璃、木材和油基涂料的发射率都非常好,均大于0.9,而抛光金属和石膏的发射率小于0.1。

 

发射率越低,物体反射率越高的物体发出的红外信号越低,因为反射率、透射率和吸光度/发射率的总和为1。这导致传感器测量反射物体的温度,而不是感兴趣的物体。因此,适当的红外温度测量需要物体的高发射率。将黑色胶带或油漆涂在低发射率物体的表面可以解决这个问题。

 

组合系数A需要进行校准,如果在最终系统上进行校准,则需要考虑发射率和视场不确定性。VTP和TS由传感器测量。更严格的考虑因素是内置温度传感器所在的吸收器与传感器本体温度。通常,差异在mK范围内,因此该近似值适用于大多数实际情况。物体温度可使用等式2推导:

 

TO=(TS4+VTP/A)1/4

该公式适用于绝缘良好的封装中的传感器,通常是金属罐,内部有惰性气体甚至真空,导致主要的热传递通过红外辐射发生。在最小版本的红外传感器中,例如晶片级芯片级封装(WCSP)中的TMP006,传感器和吸收膜直接暴露在环境中。与辐射传热相比,这使得传感器对传导和对流这两种传热机制更敏感。由此产生的影响是传感器的热电堆电压漂移作为传感器芯片温度的函数。根据等式3,总共使用三个系数来补偿该电压漂移:

 

VOS=b0+b1(TS–TREF)+b2(TS-TREF)2

在上面的等式3中,VOS是TO和TS相等时的偏移电压(例如,物体和传感器具有相同的温度),TREF是室温(+25°C或+298°K)。计算该偏移量,并从每个测量点的热电堆电压中减去,得出的物体温度计算电压由等式4得出:

 

f{VO}=(VTP–VOS)+c2(VTP–VOS)2

由于实际传感器的光谱范围有限,系数c2解释了与理想斯特凡-玻尔兹曼模型的偏差,并提供了二阶补偿。然后,物体温度计算公式如等式5所示:

 

TO=(TS4+f{VO}/A)1/4

传感器温度上的大瞬态也会影响测量精度。在PCB或环境温度快速变化时,隔离膜会在其温度和本体温度之间产生热滞后。“热”结通过传感器的热阻率与传感器的其余部分隔离。

 

当传感器的“冷”结温度通过外部热传导发生变化时,热结随之发生,但延迟了一个时间常数。这种效应可以用一阶RC滤波器建模,该滤波器相对于传感器基板温度延迟热结(见图4)。

 

图4:瞬态温度效应。

图4:瞬态温度效应。

在瞬态过程中,热电堆上会产生与瞬态本身斜率成比例的温度梯度。该梯度通过Seebeck效应产生误差电压,用等式6计算。

 

VERR=S•RTH•CTH•(-dTS/dt)=–α•(dTS/dt),其中α=S•RTH•CTH

该误差电压可以通过知道或校准α并跟踪传感器温度在任意点的斜率来计算。瞬态校正是通过从物体温度的f{VO}项中减去误差电压来完成的

 
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