一种热电堆温度传感器及其封装方法、测温设备与流程

1.本发明涉及温度传感器技术领域，尤其涉及一种热电堆温度传感器及其封装方法、测温设备。


背景技术：

2.热电堆温度传感器作为一种热释红外线传感器，广泛应用于耳式体温计、放射温度计、食品温度检测等领域中。
3.传统的热电堆温度传感器在测温时，当外界环境温度发生突变后，热电堆芯片敏感区域的温度变化不能及时跟上外界环境温度的变化，致使热电堆敏感区域存在因外界环境温度变化而产生的噪声电压，从而引起测量精度差的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种热电堆温度传感器及其封装方法、测温设备，用于解决热电堆敏感区域存在因外界环境温度变化而产生的噪声电压，从而引起测量精度差的问题。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种热电堆温度传感器，包括：热电堆芯片、与热电堆芯片电连接的调理组件以及用于封装热电堆芯片和调理组件的封装结构。
7.热电堆芯片包括隔热结构和热电堆敏感结构，热电堆敏感结构分布在隔热结构内。调理组件用于检测封装结构的温度，并对热电堆芯片的输出信号进行调理。调理组件以及封装结构还分别与外部控制电路电连接。当调理组件检测的封装结构的温度发生变化时，外部控制电路用于控制封装结构调整自身的温度，以使封装结构的温度保持恒定。
8.与现有技术相比，本发明提供的热电堆温度传感器中，热电堆芯片包括隔热结构和热电堆敏感结构，热电堆敏感结构分布在隔热结构内，基于此，在对目标对象进行测温时，热电堆敏感结构不会直接与封装结构内的环境以及封装结构外的外界环境直接接触，能够降低外界环境与热电堆敏感结构的换热速度，可实现通过隔热结构与热电堆敏感结构的换热速率以及通过封装结构内部气体与热电堆敏感结构的换热速率的同步，在一定程度上减少外界环境温度对热电堆敏感结构的温度影响，从而使得热电堆敏感结构的噪声电压的输出为零。调理组件用于实时检测封装结构的温度。调理组件以及封装结构还分别与外部控制电路电连接。基于此，调理组件能够检测封装结构的温度，并将检测到的封装结构的温度信号传输至外部控制电路中。当外界环境温度降低时，外部控制电路控制封装结构进行升温，以避免封装结构的温度在外界环境的影响下降低，使得封装结构自身的温度以及热电堆敏感结构的温度能够保持恒定；当外界环境温度升高时，外部控制电路控制封装结构进行升温，使得封装结构自身的温度以及热电堆敏感结构的温度可以随着外界的环境温度同步升高，以减少封装结构内外的温度差异，最终使得封装结构自身的温度以及热电堆敏感结构的温度重新达到恒定，以进一步减少外界环境温度变化对热电堆敏感结构的温度
的影响，从而在没有目标对象进行测温的情况下，使得热电堆敏感结构没有明显的噪声电压输出。此外，调理组件还与热电堆芯片电连接，用于对热电堆芯片的输出信号进行调理，能够将热电堆芯片输出的模拟电压信号转化为温度数字信号并传输至外部控制电路，进而实现对目标对象的测温。由此可知，本发明提供的热电堆敏感结构减少了外界环境温度变化对热电堆敏感区域的温度变化的影响，避免了热电堆敏感结构因此产生的噪声电压，进而避免了对测量精度的影响。
9.第二方面，本发明还提供一种测温设备，包括上述第一方面技术方案所述的热电堆温度传感器。
10.与现有技术相比，本发明提供的测温设备的有益效果与上述第一方面技术方案所述热电堆温度传感器的有益效果相同，此处不做赘述。
11.第三方面，本发明还提供一种热电堆温度传感器的封装方法，热电堆温度传感器为上述第一方面技术方案所述的热电堆温度传感器，包括：
12.将热电堆敏感结构置于隔热结构内，以获得热电堆芯片；
13.将热电堆芯片与调理组件电连接；
14.将调理组件以及封装结构与外部控制电路电连接；
15.将热电堆芯片以及调理组件共同置于封装结构内，且将热电堆芯片以及调理组件与封装结构固定连接。
16.与现有技术相比，本发明提供的热电堆温度传感器的封装方法的有益效果与上述第一方面技术方案所述热电堆温度传感器的有益效果相同，此处不做赘述。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
18.图1为本发明实施例中提供的一种热电堆温度传感器的结构示意图；
19.图2为本发明实施例中提供的另一种热电堆温度传感器的结构示意图；
20.图3为本发明实施例中提供的封装基板的俯视图；
21.图4为本发明实施例中提供的热电堆芯片的俯视图；
22.图5为本发明实施例中提供的热电堆芯片的原理示意图。
23.附图标记：
24.1-热电堆芯片，
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11-热电堆敏感结构，
25.111-热端，
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112-冷端，
26.12-隔热结构，
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121-芯片基底，
27.122-隔热膜，
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123-红外反射件，
28.21-调理芯片，
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22-调理电路，
29.3-封装结构，
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31-封装基板，
30.311-基板本体，
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312-加热件，
31.32-封装管帽，
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33-滤波片，
32.34-第一导热胶体，
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35-第二导热胶体，
33.36-焊盘。
具体实施方式
34.为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
35.需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。
36.本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b的情况，其中a，b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
37.热电堆温度传感器作为一种热释红外线传感器，广泛应用于耳式体温计、放射温度计、食品温度检测等领域中。
38.传统的热电堆温度传感器在测温时，当外界环境温度发生突变后，热电堆芯片敏感区域的温度变化不能及时跟上外界环境温度的变化，致使热电堆敏感区域存在因外界环境温度变化而产生的噪声电压，从而引起测量精度差的问题。
39.为了解决上述问题，如图1及图2所示，本发明实施例提供一种热电堆温度传感器，包括：热电堆芯片1、与热电堆芯片1电连接的调理组件以及用于封装热电堆芯片1和调理组件的封装结构3。
40.热电堆芯片1包括隔热结构12和热电堆敏感结构11，热电堆敏感结构11分布在隔热结构12内。调理组件用于检测封装结构3的温度，并对热电堆芯片1的输出信号进行调理。调理组件以及封装结构3还分别与外部控制电路电连接。当调理组件检测的封装结构3的温度发生变化时，外部控制电路用于控制封装结构3调整自身的温度，以使封装结构3的温度保持恒定。
41.具体实施时：热电堆敏感结构11分布在隔热结构12内，以在对目标对象进行测温时，减少外界环境对热电堆敏感结构11的影响。调理组件检测封装结构3的温度，并将检测到的温度传输至外部控制电路中，当封装结构3的温度在外界环境的影响下变化时，外部控制电路控制封装结构3调整自身的温度，以使封装结构3的温度保持恒定。
42.通过上述热电堆温度传感器实施过程以及具体结构可知：热电堆芯片1包括隔热结构12和热电堆敏感结构11，热电堆敏感结构11分布在隔热结构12内，基于此，在对目标对象进行测温时，热电堆敏感结构11不会直接与封装结构3内的环境以及封装结构3外的外界环境直接接触，能够降低外界环境与热电堆敏感结构11的换热速度，可实现通过隔热结构12与热电堆敏感结构11的换热速率以及通过封装结构3内部气体与热电堆敏感结构11的换
热速率的同步，在一定程度上减少外界环境温度对热电堆敏感结构11的温度影响，从而使得热电堆敏感结构11的噪声电压的输出为零。调理组件用于检测封装结构3的温度。调理组件以及封装结构3还分别与外部控制电路电连接。基于此，调理组件能够检测封装结构3的温度，并将检测到的封装结构的温度信号传输至外部控制电路中。当外界环境温度降低时，外部控制电路控制封装结构3进行升温，以避免封装结构的温度在外界环境的影响下降低，使得封装结构3自身的温度以及热电堆敏感结构11的温度能够保持恒定；当外界环境温度升高时，外部控制电路控制封装结构3进行升温，使得封装结构3自身的温度以及热电堆敏感结构11的温度可以随着外界的环境温度同步升高，减少封装结构内外的温度差异，最终使得封装结构3自身的温度以及热电堆敏感结构11的温度重新达到恒定，以进一步减少外界环境温度变化对热电堆敏感结构11的温度的影响，从而在没有目标对象进行测温的情况下，使得热电堆敏感结构11没有明显的噪声电压。此外，调理组件还与热电堆芯片1电连接，用于对热电堆芯片1的输出信号进行调理，能够将热电堆芯片1输出的模拟电压信号转化为温度数字信号并传输至外部控制电路，进而实现对目标对象的测温。由此可知，本发明实施例提供的热电堆敏感结构11减少了外界环境温度变化对热电堆敏感区域的温度变化的影响，避免了热电堆敏感结构11因此产生的噪声电压，进而避免了对测量精度的影响。
43.可以理解的是，外部控制电路在获取调理组件检测的封装结构3的温度后，可以根据封装结构3的温度与外界环境温度之间的温度差，从而控制封装结构3加热时施加的电压大小。例如，为了避免封装结构3的温度随着外界环境温度降低，当外界环境温度降低了5℃时，需要维持封装结构3的35℃的恒温状态，此时施加的电压可以记为v1，当外界环境温度降低了10℃度时，需要维持封装结构3的35℃的恒温状态，此时施加的电压可以记为v2。由于5℃小于10℃，根据两者温度差的不同，施加的电压v1也小于v2。
44.此外，在实际应用中，还可以直接设置封装结构3的恒温状态为35℃，当检测到封装结构3的温度降低时，外部控制电路控制封装结构3进行升温，当调理组件检测到封装结构3的温度达到35℃后，外部控制电路直接关断对封装结构3施加的电压，使得封装结构3结束加热。
45.应注意，若外界环境温度升高后达到38℃，超过了35℃时，为了减少封装结构3内外的温度差异，外部控制电路需要控制封装结构3继续升温，使得封装结构3以及热电堆敏感结构11可以同步升温，直至到达38℃后，维持恒定状态。
46.在一种可能的实现方式中，如图1所示，当调理组件包括调理芯片21时，调理芯片21与热电堆芯片1通过引线键合。基于此，调理芯片21以及热电堆芯片1均被封装在封装结构3内，且调理芯片21与热电堆芯片1分别与封装结构3固定连接。调理芯片21的引线还通过焊盘36与封装结构3电连接，以检测封装结构3的温度，并将封装结构3的温度信号传输至外部控制电路。
47.在一种可能的实现方式中，如图2所示，当调理组件包括调理电路22时，调理电路22与热电堆敏感结构11集成在热电堆芯片1上。基于此，调理电路22以及热电堆敏感结构11都被集成在热电堆芯片1上，调理电路22和热电堆敏感结构11实现了单片集成。此时，由于调理电路22被集成在热电堆芯片1上，则仅有热电堆芯片1被封装在封装结构3内，热电堆芯片1与封装结构3固定连接，调理电路22的引线还通过焊盘36与封装结构3电连接，以检测封装结构3的温度，并将封装结构3的温度信号传输至外部控制电路。
48.在一种可能的实现方式中，如图1及图2所示，封装结构3包括封装基板31、封装管帽32以及滤波片33。封装基板31通过第一导热胶体34与封装管帽32固定连接，封装管帽32远离封装基板31的一侧具有开口，滤波片33覆盖在开口上，且通过第一导热胶体34与封装管帽32固定连接，滤波片33用于对外界环境中的光线进行过滤。热电堆芯片1以及调理组件通过第二导热胶体35固定在封装基板31与封装管帽32形成的封装腔体中。其中，第一导热胶体34的热导率大于第二导热胶体35的热导率。封装基板31还与外部控制电路电连接，用于在外部控制电路的控制下，调整封装结构3的温度。
49.在使用热电堆温度传感器进行测温时，目标对象的辐射光线可以通过开口向热电堆芯片1内辐照，滤波片33滤除外界环境中的光线后，热电堆芯片1在光照下产生电动势能，根据电动势能产生的电压，并将该电压模拟信号传输至调理芯片21或调理电路22，调理芯片21或者调理电路22将该电压模拟信号转换为温度数字信号后，将温度数字信号发送至外部控制电路，从而测得目标对象的温度。
50.在封装基板31调整封装结构3内温度时，热量可以通过封装基板31快速传递至封装管帽32，再由封装管帽32传递至滤波片33，最终热量逸散至封装结构3内部，从而提高封装结构3的内部环境温度。与此同时，封装基板31还与热电堆芯片1固定连接，热量也可以通过封装基板31传递至热电堆芯片1。但由于第一导热胶体34的热导率比第二导热胶体35的热导率高，使得封装基板31在对封装结构3的温度进行调整时，可以同步调整热电堆芯片1的温度，避免热电堆芯片1在外界环境温度的影响下，产生噪声电压，从而导致测量精度差。
51.在上述实施例中，第一导热胶体34包括纳米银浆料、金铟焊料或金锡焊料中的一种或几种。第二导热胶体35包括纳米银浆料、树脂胶或聚丙烯胶中的一种或几种。基于此，为了使热电堆芯片1的温度变化速度与封装结构3的温度变化速度相匹配，封装基板31、封装管帽32以及滤波片33之间可以通过热导率更高的纳米银浆料、金铟焊料或金锡焊料等粘合在一起，使得热量在封装基板31、封装管帽32以及滤波片33之间的传输速率更快。热电堆芯片1通过热导率低的纳米银浆料、树脂胶或聚丙烯胶与封装基板31固定连接，以在封装基板31加热封装结构3的温度时，减缓热电堆芯片1的温度变化速度，当第二导热胶体35为树脂胶时，可以是天然树脂胶，也可以是合成树脂胶，例如环氧树脂胶等，本发明实施例对此不做限定。
52.可以理解的是，根据纳米银浆料内部掺杂的银纳米颗粒的含量不同，其热导率也不相同，当掺杂的银纳米颗粒含量更高时，其热导率更高，当掺杂的银纳米颗粒含量更低时，其热导率也更低，本发明实施例中，第一导热胶体34中的纳米银浆料中银纳米颗粒的含量高于第二导热胶体35中的纳米银浆料中银纳米颗粒的含量。
53.在一些实施例中，如图3所示，封装基板31包括基板本体311以及加热件312。加热件312位于基板本体311内部，且与外部控制电路电连接，用于在外部控制电路的控制下，调整封装结构3的温度。
54.在具体实施时，加热件312可以直接镶嵌在基板本体311内部，当加热件312为加热电阻时，外部控制电路通过控制施加在加热电阻上的电压，加热电阻将电能转化为热能，从而调整封装结构3的温度。当封装结构3的温度达到恒温状态或者达到目标温度时，外部控制电路停止向加热电阻提供电压。
55.在一种可能的实现方式中，如图4和图5所示，隔热结构12包括隔热膜122、芯片基
底121以及红外反射件123，热电堆敏感结构11集成在隔热膜122内，隔热膜122支撑在芯片基底12上，用于对热电堆敏感结构11进行支撑和隔热。红外反射件123覆盖于隔热膜122上，且呈中心对称分布，用于将辐照至热电堆敏感结构11的部分红外线反射至热电堆温度传感器外部。
56.基于此，隔热膜122支撑在芯片基底121上后，热电堆敏感结构11集成在隔热膜122内部，隔热膜122还覆盖在热电堆敏感结构11上，将热电堆敏感结构11与芯片基底121分离，且使其与封装结构3内的环境分隔，也就是说，热电堆敏感结构11不会直接与芯片基底121以及封装结构3内部环境接触。且当外界环境温度发生变化时，在加热件312对封装结构3的温度进行加热前，热电堆敏感结构11被封装在隔热结构12内部，可以最大程度的避免外界环境温度对热电堆敏感结构11的温度影响。当封装结构3的温度在外界环境温度的影响下变化时，加热件312对封装结构3进行加热，此时热电堆敏感结构11没有直接与芯片基底121以及封装结构3内部环境接触，则热电堆敏感结构11的温度变化也相对缓慢，避免产生噪声电压，从而影响测量精度。
57.如图4所示，红外反射件123覆盖在隔热膜122的外部，用于反射透过滤波片33的红外线，使得红外反射件123的正投影所在的区域内热电堆敏感结构11不会吸收到红外线的热量，而没有覆盖红外反射件123的区域的热电堆敏感结构11吸收到红外线的热量后，将热能转换为电能，继而根据辐照强度向调理芯片21或者调理电路22输出电压模拟信号，最终实现对目标对象的测温。
58.具体的，红外反射件123可以是金属制成的红外反射板，例如铝制红外反射板，或者也可以是表面喷涂或者涂覆了反射材料的其他材质制成的反射板，本发明实施例对此不做具体限定。
59.在一种可能的实现方式中，如图4和图5所示，热电堆敏感结构11为轴对称结构，和/或，热电堆敏感结构11包括冷端112以及与冷端112电连接的热端111，冷端112以及热端111均位于隔热膜122内。
60.示例性的，热电堆敏感结构11可以为如图4所示的左右对称结构，自左至右依次为第一热端、第一冷端、第二冷端以及第二热端，热电堆敏感结构11在受到热度冲击时，如图5所示，热电堆敏感结构11中的第一热端和第一冷端产生的噪声电压会被第二热端以及第二冷端产生的噪声电压抵消，由此，热电堆敏感结构11在受到热度冲击时，不会产生额外的输出电压，进一步提高了热电堆温度传感器的测量精度。
61.本发明实施例还提供一种测温设备，包括上述实施例中提供的热电堆温度传感器。
62.在实际应用中，上述实施例中的外部控制电路可以与测温设备中的控制装置集成在一起。例如，可以将外部控制电路的控制端设置在测温设备的外部，用户可以通过控制端获取调理组件检测到的封装结构3的温度，从而选择是否需要对热电堆传感器中的封装结构3进行加热，以及根据封装结构3的温度与外界环境温度之间的差值，选择需要施加的电压大小。
63.与现有技术相比，本发明实施例提供的测温设备的有益效果与上述实施例中提供的热电堆温度传感器的有益效果相同，此处不做赘述。
64.本发明实施例还提供一种热电堆温度传感器的封装方法，热电堆温度传感器为上
述实施例中提供的热电堆温度传感器，包括：
65.将热电堆敏感结构11置于隔热结构12内，以获得热电堆芯片1；
66.将热电堆芯片1与调理组件电连接；
67.将调理组件以及封装结构3与外部控制电路电连接；
68.将热电堆芯片1以及调理组件共同置于封装结构3内，且将热电堆芯片1以及调理组件与封装结构3固定连接。
69.与现有技术相比，本发明实施例提供的热电堆温度传感器的封装方法的有益效果与上述实施例中提供的热电堆温度传感器的有益效果相同，此处不做赘述。
70.尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
71.尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。