跟着人们对健康和环境越来越亲近的重视，温度感应显得日益重要。许多设备都添加了温度感应功用，如医用体温计和智能可穿戴设备等健康检测设备。
非触摸式温度感应可检测在红外 （IR） 波长规模内发射的能量。每个物体都以这种办法发射能量，因而咱们能够经过丈量能量来核算物体的温度。可是，跟着传感器件尺度越来越小，它们更简略遭到热冲击的影响，这可能会引起丈量差错和热噪声。
在本篇技能文章中，Melexis 将讨论非触摸式温度感应背面的原理，以及尽可能减轻热冲击影响的办法。本文还将讨论消除微型传感器 IC 中外部热扰动影响的全新智能计划。
集成 MEMS 热电堆技能
热电堆是一个能够将热能转化为电信号的电子传感器，其作业原理是全部物体都会发射热远红外 （FIR） 辐射。热电堆便是一个可将热能转化为电信号的电子传感器，其作业原理是全部物体都会发射热远红外 （FIR） 辐射。
图 1：MEMS 热电堆传感器 IC 的根本结构
从电子视点来说，一个热电堆由多个串联的热电偶组成。这些热电偶所发生的电压与两点之间的温差成份额，经过温差则能够用来丈量相对温度。
MEMS 热电堆传感器 IC 选用热阻隔薄膜。因为该热薄膜 具有低热容，因而能够经过快速加热进入的暖流，然后发生热电堆可陈述的温差。将参阅热敏电阻整合到 MEMS 体系后，即可生成肯定温度丈量值。
这种丈量技能的中心是斯特藩-玻尔兹曼规律，即一个黑体外表单位面积辐射出的能量与黑体自身温度的四次方成正比。一般用斯特藩-玻尔兹曼方程标明为：
其间：
J = 黑体的辐射度 ［W/m²］
η = 辐射系数（外表性质）
σ = 5.67e-8 ［W/m²/K⁴］，斯特藩-玻尔兹曼常数
T = 肯定外表温度 ［K］
合理假定非金属资料的辐射系数 （η） 约为 1，则外表温度与辐射能量直接相关。
安稳性应战
温度感应在各种运用中的作用越来越大，因而许多设备都增加了此功用，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“听戴式设备”。可是，触摸式温度计解决计划经常出现与方针区域热触摸不良的问题。遵从FIR原理的非触摸式温度感应十分合适这类新运用，可是在尺度上需求减缩温度传感器的尺度。
为了将 FIR 温度传感器集成到可穿戴设备，技能上有必要完结小型化。尽管小型化有许多优点，但一起也面对自身的应战。关于这种传感器，小型化会对温度丈量的精确度发生负面影响。
如上所述，传感器芯片会接纳来自多个热源的辐射，然后形成热梯度或热冲击，然后影响 FIR 温度传感器 IC，但实践上，这种辐射中只要有限的一部分真实来自被测物体。传感器 IC 自身的封装也是热能来历，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，膜温度与包装温度共同，因而不会发生寄生信号，而且热电堆技能的差分特性可抵销封装辐射的影响。可是，在许多运用中，让传感器 IC 处于等温条件几乎是不可能的。
假如将小型 FIR 传感器 IC 安装在 PCB 上，则可能将其露出于来自邻近发热组件（如微处理器或功率晶体管）的热能中。FIR 传感器 IC 制作商企图经过将传感元件置于大型金属罐（例如 TO 罐封装）中来战胜这一问题。金属的显着蓄热性和高导热性的确能在必定程度上应对快速热梯度和冲击的影响，但在热特性动态改变的环境中，这种办法并不能发挥多大作用。当然，另一应战在于 TO 罐尺度相对较大，并不合适可穿戴设备和听戴式设备等小型设备。
热梯度自动补偿
显着，TO 罐解决计划不合适下一代健康监控设备，仅出于这一原因，咱们就不得不抛弃 TO 罐解决计划，寻觅一种能够更好地应对运用小型 FIR 传感器 IC 应战的解决计划。
经过对多种场景进行建模和表征，并将此数据运用于杂乱的补偿算法中，咱们总算能够对现代小型 FIR 传感器 IC 的输出做出修正，大幅削弱热冲击对其形成的影响。
Melexis 的小型 MLX90632 FIR 传感器 IC 是其间一款最新上市的芯片。这是一款选用小型 SMD QFN 封装的非触摸式红外温度传感器 IC，针对 -20 °C 至 85 °C 的环境温度进行出厂校准。
该产品供给商用和医用级版别。医用级版别针对人体温度进行优化，可到达 ±0.2 °C 的精度。商用级版别精度略低（一般为 ±1.0 °C），但经过优化后已可用于更大的物体温度规模（-20 °C 至 200 °C）。
丈量的温度值是传感器 50 度视界 （FOV） 规模内一切物体外表的平均温度，运用该丈量值以及校准常数和杂乱的板载补偿算法，能够核算出环境温度和物体温度。
为证明自动补偿的作用，Melexis 进行了一项试验，运用 MLX90632 传感器 IC 和先进的（TO 罐封装）传感器 IC 别离丈量温度在 40 °C 左右的安稳参阅源。在丈量过程中，这两个传感器 IC 邻近均放有强热源，成果如图 2 所示。
图 2：MLX90632 热冲击测验的成果
图中显现，在试验之初，参阅源温度实践为 40.05°C，传感器 IC 温度在 2°C 左右。施加热量后，传感器 IC 遭到热冲击（约为 60°C/分）的影响，咱们监测了输出。在整个测验过程中，MLX90632 的温度读数差错未超越 0.25°C，标明功用十分安稳。这要归功于先进的补偿算法。TO 罐传感器 IC 显现显着差错，标明这类设备在此种赋有应战性的条件下体现欠安。
图 3：MLX90632 红外温度传感器 IC 的框图
传感器 IC 内部结构
超小型传感器 IC 包括可捕获物体辐射能量的热电堆，以及可丈量传感器 IC 自身温度的元件。在热电堆传感元件电压信号存储在板载 RAM 之前，其已经过扩大、数字化和数字过滤。板载参阅温度传感器 IC 的读数也以相同的办法处理和存储。
状况机器可操控传感器 IC 的时序和功用，每次丈量和转化的成果可经过 I2C 通讯接口供给给更广泛的体系（如微操控器）。
温度（物体和内部传感器 IC）能够运用简略的微操控器根据原始数据核算。
总结
温度丈量的运用日益广泛，特别是经过智能手机和可穿戴设备等便携设备丈量体温已成为家庭护理的一部分。可是，温度丈量依然面对两大应战。
第1， 传感器 IC 元件有必要尺度满足小才可运用于各种运用中，第二，传感器 IC 元件有必要安装在大型金属外壳中以供给满足的热容量，然后减轻快速热冲击的影响。
Melexis 的 MLX90632 根据热电堆传感技能，足以应对看似不可能完结的应战。MLX90632 选用超小型 SMD 封装，可经过选用板载自动补偿和杂乱的算法，在最苛刻的条件下供给精确的温度丈量。
