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消除微型传感器IC中外部热扰动的方案设计

关键词:微型传感器 热扰动 温度感应

时间:2020-04-29 10:42:36      来源:网络

随着人们对健康和环境越来越密切的关注,温度感应显得日益重要。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戴设备等健康检测设备。

  随着人们对健康和环境越来越密切的关注,温度感应显得日益重要。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戴设备等健康检测设备。

  非接触式温度感应可检测在红外 (IR) 波长范围内发射的能量。每个物体都以这种方式发射能量,因此我们可以通过测量能量来计算物体的温度。但是,随着传感器件尺寸越来越小,它们更容易受到热冲击的影响,这可能会引起测量误差和热噪声。

  在本篇技术文章中,Melexis 将探讨非接触式温度感应背后的原理,以及尽可能减轻热冲击影响的方法。本文还将探讨消除微型传感器 IC 中外部热扰动影响的全新智能方案。

  集成 MEMS 热电堆技术

  热电堆是一个可以将热能转换为电信号的电子传感器,其工作原理是一切物体都会发射热远红外 (FIR) 辐射。热电堆就是一个可将热能转换为电信号的电子传感器,其工作原理是一切物体都会发射热远红外 (FIR) 辐射。

  从电子角度来说,一个热电堆由多个串联的热电偶组成。这些热电偶所产生的电压与两点之间的温差成比例,通过温差则可以用来测量相对温度。

  MEMS 热电堆传感器 IC 采用热隔离薄膜。由于该热薄膜 具有低热容,因此可以通过快速加热进入的热流,进而产生热电堆可报告的温差。将参考热敏电阻整合到 MEMS 系统后,即可生成绝对温度测量值。

  这种测量技术的核心是斯特藩-玻尔兹曼定律,即一个黑体表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。通常用斯特藩-玻尔兹曼方程表示为:

 

  其中:

  J = 黑体的辐射度 [W/m?]

  η = 辐射系数(表面性质)

  σ = 5.67e-8 [W/m?/K?],斯特藩-玻尔兹曼常数

  T = 绝对表面温度 [K]

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

  稳定性挑战

  温度感应在各种应用中的作用越来越大,因此很多设备都增加了此功能,包括健康监控器和可穿戴设备,如智能眼镜、智能手环和耳内设备,即“听戴式装置”。然而,接触式温度计解决方案经常出现与目标区域热接触不良的问题。遵循FIR原理的非接触式温度感应非常适合这类新应用,但是在尺寸上需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戴设备,技术上必须实现小型化。虽然小型化有许多好处,但同时也面临自身的挑战。对于这种传感器,小型化会对温度测量的准确度产生负面影响。

  如上所述,传感器芯片会接收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,这种辐射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来源,这意味着生成的信号中仅有一部分是有用的,而另一些则是寄生信号。在等温条件下,膜温度与包装温度一致,因此不会产生寄生信号,并且热电堆技术的差分特性可抵销封装辐射的影响。然而,在许多应用中,让传感器 IC 处于等温条件几乎是不可能的。

  如果将小型 FIR 传感器 IC 安装在 PCB 上,则可能将其暴露于来自附近发热组件(如微处理器或功率晶体管)的热能中。FIR 传感器 IC 制造商试图通过将传感元件置于大型金属罐(例如 TO 罐封装)中来克服这一问题。金属的显著蓄热性和高导热性确实能在一定程度上应对快速热梯度和冲击的影响,但在热特性动态变化的环境中,这种方法并不能发挥多大作用。当然,另一挑战在于 TO 罐尺寸相对较大,并不适合可穿戴设备和听戴式装置等小型设备。

  热梯度主动补偿

  显然,TO 罐解决方案不适合下一代健康监控设备,仅出于这一原因,我们就不得不放弃 TO 罐解决方案,寻找一种可以更好地应对使用小型 FIR 传感器 IC 挑战的解决方案。

  消除微型传感器IC中外部热扰动的方案设计

  通过对多种场景进行建模和表征,并将此数据运用于复杂的补偿算法中,我们终于可以对现代小型 FIR 传感器 IC 的输出做出修改,大幅减弱热冲击对其造成的影响。

  Melexis 的小型 MLX90632 FIR 传感器 IC 是其中一款最新上市的芯片。这是一款采用小型 SMD QFN 封装的非接触式红外温度传感器 IC,针对 -20 °C 至 85 °C 的环境温度进行出厂校准。

  该产品提供商用和医用级版本。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(通常为 ±1.0 °C),但经过优化后已可用于更大的物体温度范围(-20 °C 至 200 °C)。

  测量的温度值是传感器 50 度视野 (FOV) 范围内所有物体表面的平均温度,利用该测量值以及校准常数和复杂的板载补偿算法,可以计算出环境温度和物体温度。

  为证明主动补偿的效果,Melexis 进行了一项实验,使用 MLX90632 传感器 IC 和先进的(TO 罐封装)传感器 IC 分别测量温度在 40 °C 左右的稳定参考源。在测量过程中,这两个传感器 IC 附近均放有强热源,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 左右。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。在整个测试过程中,MLX90632 的温度读数偏差未超过 0.25°C,表明性能非常稳定。这要归功于先进的补偿算法。TO 罐传感器 IC 显示明显误差,表明这类装置在此种富有挑战性的条件下表现不佳。

  消除微型传感器IC中外部热扰动的方案设计

  传感器 IC 内部结构

  超小型传感器 IC 包含可捕获物体辐射能量的热电堆,以及可测量传感器 IC 本身温度的元件。在热电堆传感元件电压信号存储在板载 RAM 之前,其已经过放大、数字化和数字过滤。板载参考温度传感器 IC 的读数也以相同的方式处理和存储。

  状态机器可控制传感器 IC 的时序和功能,每次测量和转换的结果可通过 I2C 通信接口提供给更广泛的系统(如微控制器)。

  温度(物体和内部传感器 IC)可以使用简单的微控制器基于原始数据计算。

  总结

  温度测量的应用日益广泛,特别是通过智能手机和可穿戴设备等便携设备测量体温已成为家庭护理的一部分。但是,温度测量仍然面临两大挑战。

  第1, 传感器 IC 元件必须尺寸足够小才可应用于各种应用中,第二,传感器 IC 元件必须安装在大型金属外壳中以提供足够的热容量,从而减轻快速热冲击的影响。

  Melexis 的 MLX90632 基于热电堆传感技术,足以应对看似不可能完成的挑战。MLX90632 采用超小型 SMD 封装,可通过采用板载主动补偿和复杂的算法,在最严苛的条件下提供准确的温度测量。

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