熱電堆紅外傳感器的原理和結構

熱電堆傳感器是一種將溫度變化轉化為電能的裝置，被廣泛應用于醫療、汽車工業、石油化工等領域，用來測量人體溫度、引擎溫度、燃氣流量等數據。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技術的蓬勃發展開辟了一個全新的領域和產業，實現了MEMS器件的批量生產與制備。采用該技術制造的硅基熱電堆紅外傳感器在體積、價格和性能各方面都取得了明顯的優勢，從而推動了MEMS熱電堆紅外探測器的研究與發展。

紅外熱電堆傳感器含義

任何物體只要在絕對零度以上時，都會以一定的波長向外輻射能量，只是在低溫段的輻射能量很弱。常溫下，自然界的所有物體都是紅外輻射的發射源，只是紅外輻射的波長不同。非接觸式紅外傳感器就是利用物體的輻射能量隨溫度而變化的原理制成的。紅外熱電堆傳感器是一種能夠將紅外輻射轉化成電信號的傳感器，其是一種溫度測量元件。

熱電堆是由多個熱電偶串聯而成的，每個熱電偶都會輸出熱電勢，并且這些熱電勢會互相疊加。因此，熱電堆可以用于測量微小的溫差或者求出平均溫度。其結構是將輻射接收面分成若干塊，并且每塊接一個熱電偶，在將它們串聯起來。這樣，熱電偶就構成了一個熱電堆。

熱電堆紅外傳感器原理

熱電堆是基于塞貝克效應機理，采用硅基微加工工藝，在硅片支撐層上排布若干對、具有兩種具有不同塞貝克系數材料的熱電偶，把這些熱電偶串聯起來，就構成熱電堆芯片。串聯交接處中溫度較高的一端通常被稱作“熱結”，較低的一端被稱作“冷結”，熱端與冷端之間形成一定的溫差ΔT，材料中載流子沿著溫度梯度降低的方向移動，引起電荷積累在冷結處，此時回路中便有溫差電動勢ΔV產生。此時，即可再通過電路將電動勢轉換成被測物體的實際溫度。由于溫差電動勢ΔV的大小只取決于材料種類與溫差，當熱電偶的兩種材料都確定后，其大小只和熱電偶兩端的溫度差有關。

熱電堆紅外傳感器結構

紅外熱電堆傳感器主要由四個部分組成：紅外吸收體、熱電堆、溫度補償電路、信號處理電路。其中，紅外吸收體負責將紅外輻射轉化為熱能，進而產生溫度差。熱電堆則將溫度差轉化為電壓信號，送人溫度補償電路進行校正，最終交由信號處理電路進行放大、濾波和AD轉換，得到精準的紅外輻射信號。

熱電堆紅外傳感器可采用金屬殼（TO）封裝，傳感器內部除了最核心的熱電堆芯片外，還有用來校準環境溫度的熱敏電阻元件。當然，熱電堆傳感器也可以采用LGA等可以實現表面貼裝（SMD）的其它封裝形式。當傳感器接收到紅外輻射時，熱電堆芯片上多對熱電偶的電壓疊加輸出，從而將待測溫度轉化成電壓信號。輔以高精度熱敏電阻來測量熱電堆紅外傳感器所處的環境溫度，最后通過微處理器電路就可以計算得出最終測量溫度。

解決方案應用領域

a、體溫計

傳統體溫計采用水銀材質，價格便宜，測量準確度高，被廣泛運用于醫療和家庭領域。但是，水銀體溫計需要較長的測試時間，通常需要連續測量至少5分鐘才能獲得可靠的結果，并且還需要確保體溫計端與身體緊密接觸，否則會影響測量結果的準確性。另外，水銀溫度計常是玻璃制的，且容易損壞并釋放出“汞”，從而對人體健康構成了巨大危害。因此，越來越多的國家已經開始禁止使用水銀體溫計。

紅外測溫傳感器在醫療保健行業具有廣闊的應用前景，可以實現精確的非接觸式溫度測量。這類采用小型封裝形式的紅外熱電堆傳感器無需接觸人體就可以測量額溫、耳溫或者人體表皮溫度。在對抗新冠疫情期間，包含此類溫度傳感器的檢測設備在寫字樓、商場及其他公共場合得到了廣泛應用，從而可以測量人體溫度并對異常溫度進行早期檢測。

b、可穿戴設備

近年來數字式溫度傳感器得到了大力發展，相比模擬溫度傳感器，其具有精度高、使用方便及易于集成的優勢。隨著人們自我健康意識的不斷重視以及后疫情時代的推動，可穿戴健身設備市場的崛起提高了數字溫度傳感器的需求。在此類傳感器的幫助下，可以在運動或休息時間，隨時隨地監控體溫和身體狀況。

c、智能家居系統

非接觸熱電堆紅外傳感器還可以在供暖和制冷、通風及家庭火災檢測等應用中大顯身手，有望開拓智能家居的市場前景。

敏芯股份解決方案

目前，敏芯股份紅外熱電堆傳感器已經進行了三個版本的迭代更新，在保持產品基本性能的基礎上，芯片尺寸小型化，實現了性價比的提升，同時提高了其EMC性能和產品穩定性。敏芯股份可給客戶提供提供紅外熱電堆芯片或晶圓、TO-46金屬管殼封裝。

審核編輯：湯梓紅