ИНФРАКРАСНЫЙ ОДНОЭЛЕМЕНТНЫЙ ТЕРМОПАРНЫЙ СЕНСОР ТЕМПЕРАТУРЫ

Полезная модель относится к одноэлементным инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам, то есть сенсорам с термопарами в качестве элемента, преобразующего температуру мембраны в выходной сигнал.
Известны термопарные сенсоры Amphenol Advanced Sensors ZTP138, Melexis Technologies NV MLX90614 [3, 4, 5]. Данные сенсоры также изготавливаются в виде тонких мембран, которые вывешиваются на теплоизолирующих консолях. Чувствительная область таких сенсоров выполняется в виде тонкой мембраны с одиночным чувствительным элементом большой площади. Считывание сигнала с термопар организовано в сенсорах такого типа примерно одинаково; сигнал с термопарного сенсора (термопары соединены последовательно) поступает на схему усиления, а затем либо на выход в аналоговых датчиках, либо на аналого-цифровой преобразователь в цифровых (фиг. 1).
Недостатком указанных устройств является
2
достаточно большая площадь мембраны сенсоров с одиночным элементом (от 330×330 до 700×700 мкм), что приводит к увеличению тепловой постоянной времени сенсора (до нескольких десятков и даже сотен миллисекунд);
достаточно малая величина быстродействия, зависящая от тепловой постоянной времени сенсора;
ограниченность области применения сенсоров в связи с невысоким быстродействием сенсора.
Известны кремниевые неохлаждаемые термопарные сенсоры, используемые для создания матриц неохлаждаемых приемников теплового излучения в виде массива сенсоров [1, 2]. При изготовлении этих сенсоров используются различные варианты микрообработки кремния для формирования МЭМС-структур 14 в виде тонких мембран, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях. На мембране и консолях расположен слой, поглощающий ИК-излучение и один из концов одной или нескольких термопар («горячий спай»), а другой («холодный спай») - расположен на подложке, имеющей стабильную температуру. Каждая строка или столбец такой матрицы подключены к схеме усиления, выход которой подключен к фильтру нижних частот 6. Отдельные сенсоры коммутируются на вход схемы усиления мультиплексорами 21, 23, управляемыми генераторами строчной 22 и кадровой 24 развертки на вход выходного усилителя 25 (фиг. 2). При этом чувствительная область каждого сенсора имеет относительно небольшую площадь, а количество термопар ограничено несколькими термопарами.
Недостатком указанных устройств является
малая чувствительность из-за малой площади слоя, поглощающего ИК-излучение;
быстродействие ограничено временем опроса всех элементов матрицы;
Возникновение избыточных шумов, связанных с перезарядкой коммутируемых шин.
Наиболее близким по схемотехническим признакам к предлагаемой полезной модели является термопарный сенсор, описанный в патенте [6], содержащий множество термопарных чувствительных элементов 12, 16, каждый из которых имеет область чувствительную к инфракрасному излучению 16, расположенную на диэлектрической мембране 12, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На консолях расположены несколько термопар 6, сформированных на поверхности консолей, «горячий спай» которых расположен на мембране, нагреваемой ИК-излучением, а «холодные» контакты расположены на подложке. При этом сигналы множества термопарных чувствительных элементов или объединяются последовательной схемой, параллельной схемой или комбинацией последовательной и параллельной схем для формирования выходного сигнала, а выходной сигнал напрямую выводится на выход, или сигнал каждого из термопарных чувствительных элементов усиливается индивидуальным предусилителем 19, а затем предварительно усиленный сигнал объединяется в электрической суммирующей схеме 20, такой как, мультиплексор и/или микроконтроллер для получения выходного сигнала.
К недостаткам такого термопарного сенсора следует отнести:
малая чувствительность из-за применения нескольких термопар на ячейку;
малая помехозащищенность из-за применения потенциального метода считывания сигнала термопар;
сложная схема суммирования потенциальных сигналов.
Эти недостатки легко объяснить, воспользовавшись результатами работы [7], в которой выполнен анализ предельных параметров термопарных чувствительных элементов. Основной характеристикой чувствительности тепловых приемников излучения является эквивалентная шуму разность температур (NETD - Noise Equivalent Temperature Difference), которая для термопарного сенсора записывается в виде [7]:
,
где gt - удельная теплопроводность материала термопары;
w и ht, - ширина и толщина термопары соответственно, a L - длина одного плеча термопары, равная, как правило, длине консоли, на которой это плечо сформировано;
ρt - удельное электрическое сопротивление материала термопары;
α - коэффициент Зеебека термопары;
η - коэффициент поглощения ИК излучения;
Δfш - шумовая полоса;
А - площадь чувствительного слоя;
с - удельная теплоемкость чувствительного к ИК излучению слоя;
т - количество термопар в ячейке. Выражение (1) иллюстрирует увеличение NETD в  раз при использовании нескольких термопар, что связано с увеличением шума сопротивления термопар в  раз и теплопроводности n раз. При этом полагалось, что тепловой поток с мембраны на подложку определяется только теплопроводностью термопар, что оправдано для вакуумированных сенсоров, что является необходимым для работы ИК датчиков температуры. Время тепловой релаксации сенсора в этом случае равно:
,
Из анализа выражений (1, 2) следует, что единственной возможностью увеличения быстродействия одноэлементного термопарного сенсора температуры при сохранении достаточно высокой чувствительности является разбиение области чувствительной к ИК излучению A на N независимых подобластей AN меньшей площади, сумма которых равна А. Тогда при суммировании сигналов отдельных чувствительных элементов величина суммарного выходного сигнала останется без изменения, а шум в силу независимости отдельных чувствительных элементов уменьшится в  раз, следовательно, и NETDsm уменьшится в  раз. Тепловая же постоянная времени будет определяться теплоемкостью ячейки меньшей площади AN, то есть уменьшится в A/AN раз по сравнению с чувствительным элементом большой площади.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение чувствительности, уменьшение тепловой постоянной времени одноэлементного инфракрасного термопарного сенсора большой площади и повышение помехозащищенности.
Задача полезной модели решается за счет того, что в предлагаемом термопарном сенсоре большая площадь чувствительного элемента разбивается на N независимых чувствительных элементов меньшей площади, а сигналы каждого из отдельных чувствительных элементов 1, вместо предусилителей, преобразуются в ток преобразователями напряжение-ток 2, выходы которых соединены с входом многовходового интегратора на переключаемых конденсаторах 3 (фиг.4).
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемую полезную модель.
Фиг.1 иллюстрирует известную конструкцию термопарного датчика температуры ТМР007,
Фиг. 2 представляет структурную схему матричного термопарного сенсора из патента США US 8,592,765 В2,
На фиг. 3 показаны вариант осуществления изобретения по патенту КНР CN109313079A состоящего в использовании предварительных усилителей 19 и электронных суммирующих элементов 20 или мультиплексоров / микроконтроллеров.
фиг. 4 иллюстрирует сущность данной полезной модели, где
1 - отдельные чувствительные элементы, 2 - преобразователи напряжение-ток каждого чувствительного элемента, 3 - многовходовый интегратор тока на переключаемых конденсаторах.
Источники информации
1. Патент США US 8,592,765 В2.
2. Патент США US 2016/0025571 А1.
3. ZTP138 Datasheet PDF Amphenol Advanced Sensors.
4. NV MLX90614 Datasheet PDF Melexis Technologies.
5. TMP007 Datasheet PDF Texas Instruments.
6. Патент КНР CN109313079A.
7. Krupnov Y. A., Oreshkin G.I., Rygalin D.B., Larchikov A.V., Analysis Of Manufacturing Features Of MEMS Thermoelectrical IR Detectors, International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973-4562 Vol. 10 No. 5 (2015) pp. 3979-3982.