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特普生在“热管理研究院”科普:入门不同温度传感器(下)

特普生科技 特普生科技 2023-11-22 14 283

温度传感器应用广泛,种类繁多,但常见的主要类型有:热电偶、 热电阻、热电堆、电阻温度检测器、IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出传感器和数字输出传感器两种类型。按照温度传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。

热电堆温度传感器

一、热电堆的概念

一种温度测量元件。热电堆是由多个热电偶串联而成的,每个热电偶都会输出热电势,并且这些热电势会互相叠加。因此,热电堆可以用于测量微小的温差或者求出平均温度。其结构是将辐射接收面分成若干块,并且每块接一个热电偶,在将它们串联起来。这样,热电偶就构成了一个热电堆。

实用的热电堆可以根据用途的不同制成多种类型,包括细丝型、薄膜型、多通道型和阵列型器件等。对于红外探测器来说,其响应率是一个重要的参数,该参数受多种因素影响,如红外吸收效率、探测器热导率、热电偶对数等。其中,红外吸收效率由吸收面积决定,面积越大,转化红外辐射为热能的效率越高,从而使探测器响应率更高。

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二、热电堆的原理

红外热电堆探测器的工作原理为塞贝克效应(Seebeckeffect)。早先的红外热电堆探测器是利用掩膜真空镀膜的方法,将热电偶材料沉积到塑料或陶瓷衬底上获得的,但器件的尺寸较大,且不易批量生产。

随着 MEMS 技术的应用,出现了微机械红外热电堆探测器。K.D.Wise 等人,最先利用 MEMS 技术于 20 世纪80 年代初制造获得了硅基红外热电堆探测器。

目前,常规的热电堆红外探测器采用单层 MEMS(Micro—electromechanicalSystems,微机电系统)的悬空结构,在衬底上包括含有多对 n 型硅和 p 型硅的热电偶 101 悬空部件,热电偶围绕在吸热区 102外边缘,热电偶的冷端 103 与衬底相连,热端 104 与吸热区 102 相连。吸热区吸收的红外辐射传导到热电偶,转化成热电偶热端与冷端的电势。其中,吸热区102 采用金黑涂层、银黑涂层以及其他的材料作为吸收材料,来提高器件的红外吸收率。


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从热电堆红外传感器的俯视图可以看出,有 2 对热电偶的热电堆探测器,被热电偶包围的吸热区 102 占整个传感器表面积的比例约 1/4。

实际上,为了让热电堆探测器更敏锐地捕捉红外信号,科研人员通常会使用包含多对热电偶的热电堆红外探测器。不过,现有的结构在增加热电偶对数时,会导致吸热区面积缩小。这样一来,探测器的红外吸收能力会降低,从而影响其吸收率提高。为了解决这一问题,一些热电堆探测器采用金黑涂层、银黑涂层等材料作为吸收材料,以提高器件的红外吸收率。这些措施有助于提高探测器的响应率,从而更加精准地捕获红外信号。但是,金黑涂层、银黑涂层一般采用电阻加热真空蒸镀法制作,这种工艺与 IC(IntegratedCircuit,集成电路)工艺不兼容。

热电材料:

目前用于热电堆型非致冷红外焦平面阵列的热电偶有 P 型多晶硅和金(Au)热电偶、Si 外延层有 P 型扩散区和铝(Al)热电偶、P 型(Bi1~x~Sbx)2Te3"和 N 型 Bi1~x~Sbx 薄膜热电偶、N 型和 P 型多晶硅热电偶。其中 N 型和 P型多晶硅热电偶是当前研究得比较深也是最有前途的探测材料。

ETH 的LENGGENHAGER 和 Baltea 等人 1993 年报道了用 N 型和 P 型多晶硅(PS)为热电偶的单个热电堆红外探测器。读出电路由 CMOS 制作,获得的灵敏度为 150V/W。霍尼韦尔公司 Wood 等人 1995 年报道了 120 元的线阵热电堆红外摄像传感器。ISI公司已将其用于成像辐射计中。日本防卫厅和日本电气公司 Kanno 等人1994 年报道了 128*128 元的热电堆非致冷红外焦平面阵列。用 N 型和 P 型多晶硅作热电偶,获得的灵敏度为 1550V/W。它是目前热电堆型非致冷红外焦平面阵列的代表。

三、热电堆的发展方向

目前热电堆的主流生产工艺是 MEMS 工艺,考虑到提高探测灵敏度及微型化的需要,已经有越来越多的研究往堆叠式方向前进。如:埃赛力达(原铂金公司)加拿大有限公司的在申请发明专利“垂直堆叠式热电堆”,申请号 2011800234244。

四、热电堆的应用分析

热电堆为实现非接触、定点、定向测温的电子元器件,在各种测温环境中得到广泛应用。

MEMS 热电堆的测温范围一般在-20℃-100℃之间,精度一般0.1℃-0.2℃。热电堆技术被广泛应用于测量物体的相对温度,即物体与其周围环境温度的差值。不过,要计算得出物体的实际温度,热电堆自身的温度必须经过热敏电阻标定或电路补偿。目前,热电堆技术在民用和工业两个领域都有重要的应用价值。在民用领域,它被广泛应用于电子体温计、家电(如照明、冰箱、微波炉和空调)的节能控制。而在工业领域,热电堆技术则被应用于建筑、办公场所的节能系统、安防设备、以及机械设备关键发热部件的温度监测和控制等方面。

体温计

传统体温计采用水银材质,价格便宜,测量准确度高,被广泛运用于医疗和家庭领域。但是,水银体温计需要较长的测试时间,通常需要连续测量至少5分钟才能获得可靠的结果,并且还需要确保体温计端与身体紧密接触,否则会影响测量结果的准确性。另外,水银温度计常是玻璃制的,且容易损坏并释放出“汞”,从而对人体健康构成了巨大危害。因此,越来越多的国家已经开始禁止使用水银体温计。但是,不用担心,市场上已经出现了替代性的电子体温计,它们的价格从便宜的一元钱到高档的几十、上百元不等。此外,根据测量方式的不同,电子体温计可划分为接触式和非接触式两种。为了保障您和家人的健康,我们强烈建议使用电子体温计。

接触式体温计

使用热电偶原理,外观与传统水银温度计类似,结构亦分为测温端和显示端两部分,测温时间大概 30 秒左右,精度较高,市场售价根据外观、做工和品牌不同,一般为 10-50 元之间,统计淘宝平均售价为 25 元(统计 40 个样本)。

体温计

非接触式体温计

使用热电堆原理,测量时间仅需 1-2 秒,非常适合为多动的婴儿测温,可分为额温计和耳温计两类。市场价格也较高,国外品牌(德国博朗 BRAUN)淘宝价格为310 元左右(国外官方售价 40 美金),国产品牌价格在 100-150 元之间。通过对比产品描述,国产品牌此类温度计可能发生较大误差,需要通过使用者对比水银温度计示数进行手动调整,国外品牌温度计可靠性更高,不存在此类现象。

非接触式体温计

另有医用热电堆温度计,可靠性更高,德国博朗的两个型号售价分别为 200 和 250美金。热电堆测温对方向性要求很高,方向发生偏差对结果会有较大影响。节能型家电、建筑、办公场所的节能系统、安防设备此类应用主要是弥补传统热释电红外传感器的不足。

传统 PIR 能够实现动态的人体检测,无法检测出静止的人。使用热电堆可通过温度感应检测出静止的人。另外,热电堆做成阵列后,便可对整个空间温度进行全面监控,便于打造最舒适的生活环境。

日本欧姆龙于 2012 年 7 月在日本东京国际展览中心举办的“第 23 届微机械/MEMS 展”中推出了其制造的“热电堆阵列感应模块”,分为 4*4 和 1*8 两款,在同一个探头内形成热电堆阵列,配合球面透镜,对一定区域的温度进行监测。测温范围 5-50℃,精度 0.14℃,功耗约 30 毫瓦。

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网上小批量(50pcs 以上小批量)售价为 340 元/pcs(4*4)、305 元/pcs(1*8),2013 年度目标销售 20 亿日元(1.2 亿人民币)。该模块可以直接应用于各种测温、温控、人体感应等电器或系统。

入门热电堆 | 温度传感器之二

入门热电堆 | 温度传感器之二

在工业中,机械设备的关键发热部件的温度监测和控制至关重要。为了实现精确的温度监测和自动控制,越来越多的企业开始采用热电堆技术。相比于普通的温度传感器,热电堆不需要接触到固定位置就可以测定一定区域内的温度,极大地提高了检测效率和精度。当设备出现故障时,热电堆能够迅速检测到异常温度并自动停止生产线,避免灾害发生。因此,热电堆正逐渐成为工业生产中不可或缺的重要工具。

如今,工业界对热电堆的精度和测温范围有着更高的要求,而这些参数比民用热电堆更加严格。由于热电堆的测量方式是非接触式的,只需要保持热电堆周围环境的温度稳定,就可以遥控监测高温对象,为工业生产提供一种准确、可靠且高效的解决方案。

例如 MEAS(精量电子(深圳)有限公司)TSEV01 型号测温范围可达到 0℃-300℃,精度 0.1℃,甚至有能够测量高达 1700℃的热电堆传感器。

入门热电堆 | 温度传感器之二

电阻温度传感器

一、电阻温度传感器的概念

电阻温度检测器(RTD)是一种用于测量温度的传感器,也被称为电阻温度计。其原理是通过利用电阻与温度之间的关系,其中电阻随着温度的升高而升高,反之亦然。因此,通过测量电阻值的变化,可以得到相应的温度值。
RTD最早是在19世纪末期开发出来的,起初主要用于科学研究。在20世纪初期,RTD开始应用于工业控制和精度温度测量领域,成为一种常见的温度传感器。

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RTD的应用范围非常广泛,包括汽车、军事、医疗、化工、食品加工等领域。它们通常被用来测量需要高精度温度控制的场合,例如生产加热器、空调、烤箱、热水器以及热处理设备等。由于其操作稳定、精确度高,因此广泛应用于许多各种工业应用场合。
总的来说,RTD作为一种高精度的温度传感器,被广泛应用于工业生产、实验室研究等方面,使得生活和生产更为方便和高效。

二、电阻温度传感器的发展

除了基本的概念、原理和应用,以下是RTD的进一步发展和一些额外的应用方面的信息:

1、发展:随着技术的发展,RTD的精度和响应时间得到了改善。传感器的材料也发展了许多,包括铂、镍、铜等。铂是最常用的材料,因为它具有很好的稳定性、可靠性和温度范围。

2、温度范围:RTD适用于广泛的温度范围,通常从-200°C到+850°C。在低温应用中,超导材料也可以作为RTD的替代品。

3、精确度:RTD具有较高的精确度,通常在0.1°C到0.01°C的范围内。这使得它们非常适合需要高精度温度测量的应用场合。

4、线性特性:与其他温度传感器相比,RTD具有较好的线性特性,这意味着能够通过简单的数学计算将电阻值转换为对应的温度值。

5、自校准:一些RTD传感器具有自校准能力,可以在使用过程中自动进行校准。这样可以提高系统的准确性,并减少对人工校准的需求。

6、多点测量:在某些应用中,可以使用多个RTD传感器进行多点温度测量,以获取更广泛区域的温度数据。

三、电阻温度传感器的技术

除了RTD传感器本身的特点,还有一些相关的考虑因素需要注意:

1、电路设计:针对不同的应用,电路设计可能需要不同的抗干扰、放大和滤波操作。一些应用中,可使用数字RTD接口进行信号处理。

2、线性化:RTD的响应曲线可能是非线性的,这需要进行线性化处理。其中一种方法是使用电路或软件算法进行线性化处理,以将非线性的响应曲线转换为线性的温度输出。

3、环境因素:RTD的准确性可能会受到环境因素的影响,如噪声、震动、湿度和尘埃等。因此,在安装和使用时,需要考虑这些因素以及如何最小化它们的影响。

4、校准:需要定期对RTD进行校准,以确保其测量精度。校准可以通过标准参考温度源进行,也可以在实际操作中验证其准确性。

三、电阻温度传感器的应用

RTD传感器是温度测量的高精度解决方案,广泛应用于许多不同的行业和应用。在实际使用中,需要综合考虑电路设计、环境因素、线性化和校准等因素,以确保其准确性和可靠性。RTD还广泛用于科学研究、航空航天、医疗设备、食品加工和环境监测等领域。总的来说,RTD是一种可靠、准确且广泛应用的温度传感器,为各行各业提供了关键的温度测量解决方案。


IC温度传感器

IC温度传感器是一种将温度传感器集成在一个芯片上的专用IC,可完成温度测量及信号输出功能。它利用物质的物理性质随温度变化的规律,把温度转换为电信号输出。

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IC温度传感器具有体积小、重量轻、响应快、精度高、稳定性好等特点,因此在各种领域得到广泛应用,如工业控制、电子体温计、智能家居等。

随着技术的不断发展,IC温度传感器的性能也在不断提升。目前,市场上的IC温度传感器大多采用数字输出方式,具有更高的精度和更快的响应速度。同时,随着物联网技术的不断发展,IC温度传感器在智能家居、智能农业等领域的应用也越来越广泛。

总的来说,IC温度传感器是一种非常重要的温度传感器,具有广泛的应用前景。

特普生,成立于2011年,是国家高新技术、专精特新企业。主要研制NTC芯片热敏电阻温度传感器储能线束储能CCS集成采集母排储能模组铝巴等温度采集产品系列。一体化研制、一致性品质的特普生,竞争力优势明显:自主研制NTC芯片核心技术及实现医用0.3%精度;专利百项,保留不公开技术2项;为全球新能源产品、大消费品与工业品提供了定制化的温度采集技术。

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