红外线温度感测器的制作方法

1.本发明是有关一种温度感测器，特别是一种非接触式的红外线温度感测器。


背景技术：

2.在工业安全的应用中，许多场合需要监控设备的工作温度。当设备温度异常时可提供警示或是采取断电等必要的处置。举例而言，服务器或电竞主机的电源接头常因大电流发热老化，导致导点接点温度过高而烧毁甚至起火。上述应用场合中，需要温度监控的范围是水平方向视角较大，而垂直方向视角较小。于另一个应用场合中，冰箱冷藏室的分层大多为水平方向较宽，而垂直方向较窄的设计，因此，需要温度监控的范围也是水平方向视角较大，而垂直方向视角较小。
3.请参照图1，以传统的红外线温度感测器量测主机板的电源接头的温度为例作说明。目标物t(例如电源接头)设置于主机板10上，红外线温度感测器122设置于基板121上，且基板121插接于主机板10上邻近目标物t的连接座11而与主机板10电连接，红外线温度感测器122即可量测目标物t的温度。由于电源接头(目标物t)的高度较低(约13mm)，因此，红外线温度感测器122的垂直视角不能太大(例如10-20度)，而电源接头(目标物t)的宽度较大(例如35mm)，因此，红外线温度感测器122的水平视角较大(例如40-90度)。为了符合上述应用场合，传统的红外线温度感测器是在热电堆感测器的红外线视窗上设置金属遮挡片以限制垂直方向的感测视角。然而，此方法将大大降低热电堆感测器的灵敏度。
4.此外，为了配合电源接头(目标物t)的高度(约13mm)，红外线温度感测器122的高度需设置于5-6mm处。然而，受到连接座11(例如micro usb连接座)的限制，红外线温度感测器122设置于5-6mm的高度有一定程度的困难度。请参照图2，现有调整红外线温度感测器122高度的作法是将红外线温度感测器122设置l型基板221，以避开连接座11的空间限制。图2所示的作法虽然易于调整红外线温度感测器122的高度，但需占用较大的主机板10的面积。
5.另需注意的是，非接触式的红外线温度感测器的量测准确度容易因环境温度不稳定而受到影响。举例而言，主机的散热风扇或冰箱的循环风扇间歇性启动皆会造成环境温度的大幅变化，进而造成红外线温度感测器的量测误差。
6.有鉴于此，如何调整红外线温度感测器的感测视角并提升红外线温度感测器的量测准确度便是目前极需努力的目标。


技术实现要素：

7.本发明提供一种红外线温度感测器，其是以一红外线反射器反射目标物所辐射的红外线至一第一热电堆感测元件以感测目标物的温度。通过适当设计红外线反射器的反射面，可使红外线温度感测器的感测范围的水平视角较大，而垂直视角较小。此外，本发明的红外线温度感测器包含一第二热电堆感测元件，其可感测封装结构的热辐射，以校正补偿封装结构因环境温度变化所造成的量测误差，进而提高量测准确度。
8.本发明一实施例的红外线温度感测器包含一热电堆感测器以及一红外线反射器。热电堆感测器包含一基板、一盖体、至少一第一热电堆感测元件、一第二热电堆感测元件、一滤波片、一环境温度感测器以及一信号处理器。盖体设置于基板，且与基板定义出一容置空间，其中盖体包含一视窗以及一遮蔽部。至少一第一热电堆感测元件设置于容置空间内的基板，并与基板电连接，其中第一热电堆感测元件对应于盖体的视窗，以接收外部的一目标物所辐射的一第一红外线并产生一第一感测信号。第二热电堆感测元件设置于容置空间内的基板，并与基板电连接，其中第二热电堆感测元件对应于盖体的遮蔽部，以接收遮蔽部所辐射一第二红外线并产生一第二感测信号。滤波片设置于视窗，以筛选特定波长范围的第一红外线。环境温度感测器感测一环境温度以产生一环境温度感测信号。信号处理器与第一热电堆感测元件、第二热电堆感测元件以及环境温度感测器电连接，以处理第一感测信号、第二感测信号以及环境温度感测信号。红外线反射器设置于盖体的视窗前端，以偏转第一红外线至至少一第一热电堆感测元件，并定义至少一第一热电堆感测元件的一感测视角，其中感测视角于一第一方向的视角大于或等于55度，于一第二方向的视角小于或等于35度，且第二方向垂直于第一方向。
9.以下通过具体实施例配合所附的附图详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
10.图1为一示意图，显示传统的红外线温度感测器量测主机板的电源接头的温度。
11.图2为一示意图，显示另一传统的红外线温度感测器设置于主机板。
12.图3为一示意图，显示本发明一实施例的红外线温度感测器的剖面结构。
13.图4为一示意图，显示本发明一实施例的红外线温度感测器的俯视结构。
14.图5为一示意图，显示本发明一实施例的热电堆感测器不含盖体以及滤波片的俯视结构。
15.图6为一示意图，显示本发明一实施例的热电堆感测器沿图5的aa线的剖面结构。
16.图7为一示意图，显示本发明一实施例的红外线温度感测器的信号处理器。
17.【符号说明】
18.10
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主机板
19.11
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连接座
20.121
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基板
21.122
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红外线温度感测器
22.221
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l型基板
23.31
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电路板
24.32
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热电堆感测器
25.321
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基板
26.321a
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导电接点
27.322
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盖体
28.322a
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视窗
29.322b
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遮蔽部
30.323
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芯片
31.323a
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第一热电堆感测元件
32.323b
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第二热电堆感测元件
33.324
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滤波片
34.325
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环境温度感测器
35.326
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信号处理器
36.326a、326c
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多工器
37.326b
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可编程放大器
38.326d
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缓冲放大器
39.326e
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模拟数字转换器
40.326f
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数字滤波器
41.326g
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暂存器
42.326h
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通讯界面
43.326i
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非易失性存储器
44.326j
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程序控制器
45.33
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红外线反射器
46.331
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反射面
47.332
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顶面
48.cu
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外部控制器
49.t
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目标物
50.θ1
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视角
51.θ2
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视角
52.θ3
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夹角
具体实施方式
53.以下将详述本发明的各实施例，并配合附图作为例示。除了这些详细说明之外，本发明也可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以权利要求为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。附图中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，附图仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求附图的简洁。
54.请参照图3以及图4，本发明的一实施例的红外线温度感测器包含一热电堆感测器32以及一红外线反射器33。于图3所示的实施例中，热电堆感测器32设置于一电路板31，例如主机板，以感测目标物t(例如电源接头)的温度。热电堆感测器32的详细结构容后说明。
55.红外线反射器33用以反射目标物t所辐射的红外线至热电堆感测器32。举例而言，红外线反射器33的反射面331设置于热电堆感测器32的前端，即可将目标物t所辐射的红外线反射至热电堆感测器32。需注意的是，通过适当设计的反射面331的结构即可定义红外线反射器33的感测视角。举例而言，红外线反射器33的反射面331可为一凸面，以使热电堆感
测器32的感测视角于一第一方向(例如水平方向)的视角θ1较大，而于一第二方向(例如垂直方向)的视角θ2较小，且第二方向垂直于第一方向。举例而言，感测视角于第一方向的视角θ1大于或等于55度，于一实施例中，感测视角于第一方向的视角θ1大于或等于90度；感测视角于第二方向的视角θ2小于或等于35度。于一实施例中，第一方向平行热电堆感测器32的基板321(如图6所示)的一表面。可以理解的是，依据应用场合或目标物t的外型，反射面331的结构可适当修改，使第一方向不平行于热电堆感测器32的基板321。
56.请再参照图3，可以理解的是，通过红外线反射器的反射，目标物t至热电堆感测器32的光轴形成一夹角θ3。通过调整夹角θ3，本发明的红外线温度感测器即可感测不同高度的目标物t的温度。
57.于一实施例中，红外线反射器33的反射面331包含一金属层。举例而言，可于反射面331镀上铝、镍、铬、金或以上组合的合金的金属层，以提升红外线的反射率。
58.可以理解的是，凸面的反射面331将造成热电堆感测器32接收端的红外线强度分布变化，例如中央区域的红外线强度较强，远离中央区域的红外线强度较弱，如此将导致温度感测的误差。于一实施例中，可将反射面331的中央区域粗糙化处理，以使反射面331的中央区域的表面粗糙度大于中央区域外围的周围区域的表面粗糙度。依据此结构，可降低反射面331的中央区域的反射效果，以均匀化热电堆感测器32接收端的红外线强度分布。于一实施例中，反射面331的中央区域的表面粗糙度小于或等于3μm；反射面331的周围区域的表面粗糙度小于或等于0.1μm。
59.请再参照图3，红外线反射器33包含一顶面332，其为一平面，并平行热电堆感测器32的基板321(如图6所示)。生产设备可利用顶面332吸取红外线反射器33进行定位、粘着等工艺，而易于实现自动化生产。
60.请参照图5以及图6，以说明本发明的热电堆感测器32的结构。热电堆感测器包含一基板321、一盖体322、至少一第一热电堆感测元件323a、一第二热电堆感测元件323b、一滤波片324、一环境温度感测器325以及一信号处理器326。于一实施例中，基板321的材料可为双马来亚酰胺三嗪(bismaleimide triazine，bt)树脂或陶瓷。可以理解的是，基板321包含多个导电接点以及适当的导电迹线以电连接相对应的导电接点，以供基板321上的电子元件与基板321电连接，并将所产生的感测信号通过导电接点321a输出至外部。基板321的详细结构为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
61.第一热电堆感测元件323a以及第二热电堆感测元件323b设置于基板321上，并与基板321电连接。第一热电堆感测元件323a用以接收一第一红外线以产生一第一感测信号。第二热电堆感测元件323b用以接收一第二红外线以产生一第二感测信号。于图5以及图6所示的实施例中，第一热电堆感测元件323a以及第二热电堆感测元件323b整合于单一芯片323。于一实施例中，芯片323是以导热胶固设于基板321上。导热胶可降低基板321至芯片323间的热阻，有利感测环境温度。
62.环境温度感测器325用以感测一环境温度以产生一环境温度感测信号。于一实施例中，环境温度感测器325也可与第一热电堆感测元件323a以及第二热电堆感测元件323b整合于单一芯片323。举例而言，环境温度感测器325可为一硅基温度感测器。于一实施例中，硅基温度感测器包含多个串接的肖特基二极管。于一实施例中，环境温度感测器325可为一独立元件，举例而言，其可为一热敏电阻设置于基板321上，并与基板321电连接，并输
出相对应的环境温度感测信号。
63.信号处理器326设置于基板321上，并与第一热电堆感测元件323a、第二热电堆感测元件323b以及环境温度感测器325电连接。信号处理器326处理第一热电堆感测元件323a、第二热电堆感测元件323b以及环境温度感测器325所输出的第一感测信号、第二感测信号以及环境温度感测信号，以计算目标物t的温度。于一实施例中，第一热电堆感测元件323a以及第二热电堆感测元件323b可反向串接，并输出第一感测信号以及第二感测信号的一差值，以简化信号处理器326的处理。于一实施例中，信号处理器326可与第一热电堆感测元件323a、第二热电堆感测元件323b以及环境温度感测器325整合于单一芯片323。
64.盖体322设置于基板321上，且与基板321定义出一容置空间，使第一热电堆感测元件323a、第二热电堆感测元件323b、环境温度感测器325以及信号处理器326设置于盖体322以及基板321间的容置空间。于一实施例中，盖体322是以导热胶固设于基板321上。通过导热胶可降低盖体322至基板321间的热阻，使基板321容易随着环境温度变化而变化。
65.接续上述说明，盖体322包含一视窗322a以及一遮蔽部322b。视窗322a对应于第一热电堆感测元件323a设置，使第一热电堆感测元件323a可通过视窗322a接收外部的热辐射，例如目标物t所辐射的第一红外线。遮蔽部322b则对应于第二热电堆感测元件323b设置，使第二热电堆感测元件323b只能接收到遮蔽部322b所辐射的第二红外线。于图6所示的实施例中，遮蔽部322b是由盖体322所构成，但不限于此。举例而言，盖体322可包含对应于第二热电堆感测元件323b的另一视窗，对应于第二热电堆感测元件323b的视窗一侧可设置遮蔽元件以遮蔽外部热源的热辐射也可达到相同的效果。于一实施例中，遮蔽元件包含一基材以及设置于基材表面的一遮蔽层。举例而言，遮蔽层可为金属层以遮蔽外部热辐射。
66.滤波片324设置于视窗322a的一端，以筛选特定波长范围的红外线通过。于一实施例中，滤波片324是以导热胶固设于盖体322上。导热胶可降低盖体32至滤波片324间的热阻，使滤波片324容易随着盖体322的温度变化而变化。举例而言，滤波片324可包含一基材以及设置于基材上的一滤波层，其中基材可为一硅基材。于一实施例中，滤波片324设置于盖体322的一内侧，且延伸至第二热电堆感测元件323b以及遮蔽部322b之间。依据此结构，滤波片324所产生的热辐射可通过第二热电堆感测元件323b所输出的第二感测信号进行校正补偿。
67.依据上述结构，第一热电堆感测元件323a通过盖体322的视窗322a感测外部热源的热辐射，而第二热电堆感测元件323b则感测盖体322的遮蔽部322b(即封装结构)的热辐射，以作为校正补偿的依据。因此，在环境温度不稳定的情况下，例如服务器的散热风扇或冰箱的循环风扇选择性启动所造成的环境温度变化，本发明的红外线温度感测器仍可快速校正补偿封装结构因环境温度变化所造成的量测误差，以提高量测准确度。
68.于一实施例中，热电堆感测器可包含多个第一热电堆感测元件323a，盖体322则包含相对应的多个滤波片，以作为多通道的红外线温度感测器。于一实施例中，对应不同第一热电堆感测元件323a的多个滤波片所筛选的特定波长范围相异，如此可感测不同红外线波段的强度以精准量测不同红外线辐射率的目标物温度。
69.请参照图7，于一实施例中，信号处理器326包含多工器326a、326c、一可编程放大器326b、一缓冲放大器326d、一模拟数字转换器326e、一数字滤波器326f、一暂存器326g、一通讯界面326h、一非易失性存储器326i以及一程序控制器326j。第一热电堆感测元件323a
以及第二热电堆感测元件323b的感测信号输出至多工器326a，经多工器326a选择后再通过可编程放大器326b予以放大并后馈至多工器326c。环境温度感测器325的环境温度感测信号则输出至缓冲放大器326d，经缓冲放大器326d予以放大并后馈至多工器326c。多工器326c选择输出第一热电堆感测元件323a以及第二热电堆感测元件323b的感测信号或环境温度感测器325的感测信号至模拟数字转换器326e，经模拟数字转换器326e转换成数字信号，再通过数字滤波器326f处理后将结果储存于暂存器326g。于一实施例中，模拟数字转换器326e可为sigma-delta型式的模拟数字转换器，例如16至24位元的sigma-delta型式的高精度模拟数字转换器。
70.接续上述说明，通讯界面326h与外部控制器cu通过第一通讯端口进行通讯，以储存或读取暂存器326g或非易失性存储器326i中的数据(例如红外线温度感测器的校正参数以及独特的地址数据)，以及选择信号通道并触发程序控制器326j的动作。于一实施例中，第一通讯端口为一汇流排结构，外部控制器cu则与本发明的红外线温度感测器通过第一通讯端口选择性进行广播(broadcast)通讯或单播(unicast)通讯。此外，程序控制器326j另通过第二通讯端口与外部控制器cu或另一红外线温度感测器，使多个红外线温度感测器串接至外部控制器cu并进行通讯，以进行地址管理。举例而言，外部控制器cu通过第二通讯端口指定给每一红外线温度感测器相对应的一地址数据。地址管理的详细说明请参照中国台湾专利公告第m607216号。于一实施例中，非易失性存储器326i可为一电子可抹除可规划只读存储器(eeprom)、快闪存储器(flash)或可多次写入(multiple-times programmable，mtp)存储器。以上的信号处理器326的电路设计为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
71.综合上述，本发明的红外线温度感测器是以一红外线反射器反射目标物所辐射的红外线至一第一热电堆感测元件以感测目标物的温度。通过适当设计红外线反射器的反射面，可使红外线温度感测器的感测范围的水平视角较大，而垂直视角较小。此外，本发明的红外线温度感测器包含一第二热电堆感测元件，其可感测封装结构的热辐射，以校正补偿封装结构因环境温度变化所造成的量测误差，进而提高量测准确度。
72.以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作之均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的权利要求保护范围内。