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消除微型传感器IC中外部热扰动的方案设计

跟着人们对康健和情况越来越亲昵的关注,温度感应显得日益紧张。很多设备都添加了温度感应功能,如医用体温计和智能可穿着设备等康健检测设备。

非打仗式温度感应可检测在红外 (IR) 波长范围内发射的能量。每个物体都以这种要领发射能量,是以我们可以经由过程丈量能量来谋略物体的温度。然则,跟着传感器件尺寸越来越小,它们更轻易受到热冲击的影响,这可能会引起丈量偏差和热噪声。

在本篇技巧文章中,Melexis 将探究非打仗式温度感应背后的道理,以及尽可能减轻热冲击影响的措施。本文还将探究打消微型传感器 IC 中外部热扰动影响的全新智能规划。

集成 MEMS 热电堆技巧

热电堆是一个可以将热能转换为电旌旗灯号的电子传感器,其事情道理是统统物体都邑发射热远红外 (FIR) 辐射。热电堆便是一个可将热能转换为电旌旗灯号的电子传感器,其事情道理是统统物体都邑发射热远红外 (FIR) 辐射。

图 1:MEMS 热电堆传感器 IC 的基础构造

从电子角度来说,一个热电堆由多个串联的热电偶组成。这些热电偶所孕育发生的电压与两点之间的温差成比例,经由过程温差则可以用来丈量相对温度。

MEMS 热电堆传感器 IC 采纳热隔离薄膜。因为该热薄膜 具有低热容,是以可以经由过程快速加热进入的热流,进而孕育发生热电堆可申报的温差。将参考热敏电阻整合到 MEMS 系统后,即可天生绝对温度丈量值。

这种丈量技巧的核心是斯特藩-玻尔兹曼定律,即一个黑体外面单位面积辐射出的能量与黑体本身温度的四次方成正比。平日用斯特藩-玻尔兹曼方程表示为:

此中:

J = 黑体的辐射度 [W/m²]

η = 辐射系数(外面性子)

σ = 5.67e-8 [W/m²/K⁴],斯特藩-玻尔兹曼常数

T = 绝对外面温度 [K]

合理假设非金属材料的辐射系数 (η) 约为 1,则外面温度与辐射能量直接相关。

稳定性寻衅

温度感应在各类利用中的感化越来越大年夜,是以很多设备都增添了此功能,包括康健监控器和可穿着设备,如智能眼镜、智妙手环和耳内设备,即“听戴式装配”。然而,打仗式温度计办理规划常常呈现与目标区域热打仗不良的问题。遵照FIR道理的非打仗式温度感应异常得当这类新利用,然则在尺寸上必要缩减温度传感器的尺寸。

为了将 FIR 温度传感器集成到可穿着设备,技巧上必须实现小型化。虽然小型化有许多好处,但同时也面临自身的寻衅。对付这种传感器,小型化会对温度丈量的准确度孕育发生负面影响。

如上所述,传感器芯片会接管来自多个热源的辐射,从而造成热梯度或热冲击,进而影响 FIR 温度传感器 IC,但实际上,这种辐掷中只有有限的一部分真正来自被测物体。传感器 IC 自身的封装也是热能滥觞,这意味着天生的旌旗灯号中仅有一部分是有用的,而另一些则是寄生旌旗灯号。在等温前提下,膜温度与包装温度同等,是以不会孕育发生寄生旌旗灯号,并且热电堆技巧的差分特点可抵销封装辐射的影响。然而,在许多利用中,让传感器 IC 处于等温前提险些是弗成能的。

假如将小型 FIR 传感器 IC 安装在 PCB 上,则可能将其裸露于来自相近发烧组件(如微处置惩罚器或功率晶体管)的热能中。FIR 传感器 IC 制造商试图经由过程将传感元件置于大年夜型金属罐(例如 TO 罐封装)中来降服这一问题。金属的显明蓄热性和高导热性确凿能在必然程度上应对快速热梯度和冲击的影响,但在热特点动态变更的情况中,这种措施并不能发挥多大年夜感化。当然,另一寻衅在于 TO 罐尺寸相对较大年夜,并不得当可穿着设备和听戴式装配等小型设备。

热梯度主动补偿

显然,TO 罐办理规划不得当下一代康健监控设备,仅出于这一缘故原由,我们就不得不放弃 TO 罐办理规划,探求一种可以更好地应对应用小型 FIR 传感器 IC 寻衅的办理规划。

经由过程对多种场景进行建模和表征,并将此数据运用于繁杂的补偿算法中,我们终于可以对今世小型 FIR 传感器 IC 的输出做出改动,大年夜幅减弱热冲击对其造成的影响。

Melexis 的小型 MLX90632 FIR 传感器 IC 是此中一款最新上市的芯片。这是一款采纳小型 SMD QFN 封装的非打仗式红外温度传感器 IC,针对 -20 °C 至 85 °C 的情况温度进行出厂校准。

该产品供给商用和医用级版本。医用级版本针对人体温度进行优化,可达到 ±0.2 °C 的精度。商用级版本精度略低(平日为 ±1.0 °C),但颠末优化后已可用于更大年夜的物体温度范围(-20 °C 至 200 °C)。

丈量的温度值是传感器 50 度视野 (FOV) 范围内所有物体外面的匀称温度,使用该丈量值以及校准常数和繁杂的板载补偿算法,可以谋略出情况温度和物体温度。

为证实主动补偿的效果,Melexis 进行了一项实验,应用 MLX90632 传感器 IC 和先辈的(TO 罐封装)传感器 IC 分手丈量温度在 40 °C 阁下的稳定参考源。在丈量历程中,这两个传感器 IC 相近均放有强热源,结果如图 2 所示。

图 2:MLX90632 热冲击测试的结果

图中显示,在实验之初,参考源温度实际为 40.05°C,传感器 IC 温度在 2°C 阁下。施加热量后,传感器 IC 受到热冲击(约为 60°C/分)的影响,我们监测了输出。在全部测试历程中,MLX90632 的温度读数误差未跨越 0.25°C,注解机能异常稳定。这要归功于先辈的补偿算法。TO 罐传感器 IC 显示显着偏差,注解这类装配在此种富有寻衅性的前提下体现不佳。

图 3:MLX90632 红外温度传感器 IC 的框图

传感器 IC 内部布局

超小型传感器 IC 包孕可捕获物体辐射能量的热电堆,以及可丈量传感器 IC 本身温度的元件。在热电堆传感元件电压旌旗灯号存储在板载 RAM 之前,其已颠末放大年夜、数字化和数字过滤。板载参考温度传感器 IC 的读数也以相同的要领处置惩罚和存储。

状态机械可节制传感器 IC 的时序和功能,每次丈量和转换的结果可经由过程 I2C 通信接口供给给更广泛的系统(如微节制器)。

温度(物体和内部传感器 IC)可以应用简单的微节制器基于原始数据谋略。

总结

温度丈量的利用日益广泛,分外是经由过程智妙手机和可穿着设备等便携设备丈量体温已成为家庭照料护士的一部分。然则,温度丈量仍旧面临两大年夜寻衅。

第1, 传感器 IC 元件必须尺寸足够小才可利用于各类利用中,第二,传感器 IC 元件必须安装在大年夜型金属外壳中以供给足够的热容量,从而减轻快速热冲击的影响。

Melexis 的 MLX90632 基于热电堆传感技巧,足以应对看似弗成能完成的寻衅。MLX90632 采纳超小型 SMD 封装,可经由过程采纳板载主动补偿和繁杂的算法,在最严苛的前提下供给准确的温度丈量。

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