热电堆红外传感器的原理和结构

热电堆传感器是一种将温度变化转化为电能的装置，被广泛应用于医疗、汽车工业、石油化工等领域，用来测量人体温度、引擎温度、燃气流量等数据。MEMS（Micro-Electro-Mechanical System）技术的蓬勃发展开辟了一个全新的领域和产业，实现了MEMS器件的批量生产与制备。采用该技术制造的硅基热电堆红外传感器在体积、价格和性能各方面都取得了明显的优势，从而推动了MEMS热电堆红外探测器的研究与发展。

红外热电堆传感器含义

任何物体只要在绝对零度以上时，都会以一定的波长向外辐射能量，只是在低温段的辐射能量很弱。常温下，自然界的所有物体都是红外辐射的发射源，只是红外辐射的波长不同。非接触式红外传感器就是利用物体的辐射能量随温度而变化的原理制成的。红外热电堆传感器是一种能够将红外辐射转化成电信号的传感器，其是一种温度测量元件。

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。

热电堆红外传感器原理

热电堆是基于塞贝克效应机理，采用硅基微加工工艺，在硅片支撑层上排布若干对、具有两种具有不同塞贝克系数材料的热电偶，把这些热电偶串联起来，就构成热电堆芯片。串联交接处中温度较高的一端通常被称作“热结”，较低的一端被称作“冷结”，热端与冷端之间形成一定的温差ΔT，材料中载流子沿着温度梯度降低的方向移动，引起电荷积累在冷结处，此时回路中便有温差电动势ΔV产生。此时，即可再通过电路将电动势转换成被测物体的实际温度。由于温差电动势ΔV的大小只取决于材料种类与温差，当热电偶的两种材料都确定后，其大小只和热电偶两端的温度差有关。

热电堆红外传感器结构

红外热电堆传感器主要由四个部分组成：红外吸收体、热电堆、温度补偿电路、信号处理电路。其中，红外吸收体负责将红外辐射转化为热能，进而产生温度差。热电堆则将温度差转化为电压信号，送人温度补偿电路进行校正，最终交由信号处理电路进行放大、滤波和AD转换，得到精准的红外辐射信号。

热电堆红外传感器可采用金属壳（TO）封装，传感器内部除了最核心的热电堆芯片外，还有用来校准环境温度的热敏电阻元件。当然，热电堆传感器也可以采用LGA等可以实现表面贴装（SMD）的其它封装形式。当传感器接收到红外辐射时，热电堆芯片上多对热电偶的电压叠加输出，从而将待测温度转化成电压信号。辅以高精度热敏电阻来测量热电堆红外传感器所处的环境温度，最后通过微处理器电路就可以计算得出最终测量温度。

解决方案应用领域

a、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。

红外测温传感器在医疗保健行业具有广阔的应用前景，可以实现精确的非接触式温度测量。这类采用小型封装形式的红外热电堆传感器无需接触人体就可以测量额温、耳温或者人体表皮温度。在对抗新冠疫情期间，包含此类温度传感器的检测设备在写字楼、商场及其他公共场合得到了广泛应用，从而可以测量人体温度并对异常温度进行早期检测。

b、可穿戴设备

近年来数字式温度传感器得到了大力发展，相比模拟温度传感器，其具有精度高、使用方便及易于集成的优势。随着人们自我健康意识的不断重视以及后疫情时代的推动，可穿戴健身设备市场的崛起提高了数字温度传感器的需求。在此类传感器的帮助下，可以在运动或休息时间，随时随地监控体温和身体状况。

c、智能家居系统

非接触热电堆红外传感器还可以在供暖和制冷、通风及家庭火灾检测等应用中大显身手，有望开拓智能家居的市场前景。

敏芯股份解决方案

目前，敏芯股份红外热电堆传感器已经进行了三个版本的迭代更新，在保持产品基本性能的基础上，芯片尺寸小型化，实现了性价比的提升，同时提高了其EMC性能和产品稳定性。敏芯股份可给客户提供提供红外热电堆芯片或晶圆、TO-46金属管壳封装。

审核编辑：汤梓红