Термопары и термопили

Термопары, в основе которых лежит термоэлектрический эффект Зеебека, широко используются для температурных измерений.

При возникновении температурной разницы между двумя металлами с различными проводящими свойствами генерируется диффузионный ток. Для его компенсации на концах двух металлических проводов генерируется напряжение Зеебека, измеряя которое, можно определить температурную разницу на концах термопары. В дальнейшем сгенерированное температурой напряжение может быть усилено при последовательном соединении множества пар термопар для того, чтобы формировать термопили. Выходное напряжение Зеебека термопилей будет равно напряжению одной термопары, помноженной на их число.

Разработка технологий кремниевых MEMS и подвешенных мембранных структур позволила увеличить срабатываемость и скорость работы термопилей за счет снижения тепловой емкости и высокой тепловой изоляции. Кроме производства одиночного датчика, становится возможным выпуск монолитных сенсорных массивов FPA для теплового сканирования изображений. Такой термопиль включает подложку и подвешенную мембрану со множеством термопар.

Преимущество термопилей в том, что они не требуют питания, являясь пассивными устройствами. Следовательно, отсутствуют шумы от флуктуаций напряжения питания, присущие микроболометрам. Поскольку ток, текущий через термопиль, мал или равен нулю, низкочастотный 1/f-шум от тока также сводится к нулю. В связи с тем, что термопили определяют температурную разницу между горячим и холодным концом, они не нуждаются в температурной стабилизации, как резистивные болометры.

Коммерчески доступная элементная база датчиков этого типа представлена, например, фирмами Melexis, HlPlanartechnik.

MLX90247 Melexis использует термопиль, предназначенный для измерений температурной разницы между объектом и детектором, и термистор для измерения температуры детектора. Кремниевое окно блокирует видимый свет и коротковолновый инфракрасный свет. Измерение абсолютной температуры объекта возможно посредством комбинирования обоих выходов. Горячее соединение термопиля позиционировано близко к центру мембраны, холодные соединения расположены выше края объемной кремниевой подложки. Инфракрасное излучение, воздействующее на мембрану с низкой теплопроводностью, создает температурную разницу между мембраной и окружающим объемным кремнием. Напряжение термопиля соответствует разнице между температурным объектом и детектором.

Вместе с интерфейсом MLX90313 датчик MLX90247 составляет основу инфракрасных модулей термометров MLX90601. Основное назначение модулей — автомобильный климат-контроль, а также обнаружение пассажиров.

Основываясь на разработках сенсорных модулей, Melexis также создает автомобильные датчики, включающие массив пикселей 10×10. Эти ИК-массивы позволят более комплексно оценивать присутствие, число и положение пассажиров.

Совместно с Ann Arbor Sensor Systems LLC компания MemsTech производит MEMS-термопили с низким температурным коэффициентом чувствительности, постоянным срабатыванием в области ИК-спектра, долговременной стабильностью. Достижимы значения точности в ±1 °C, в зависимости от температурного диапазона. Для узких температурных диапазонов, таких как измерение температуры тела, возможно получение точности в 0,1 °C.

Термопильный массив MemsTech, предлагаемый в корпусе LCC, представляет собой MEMS-устройство верхнего рыночного сегмента, состоящее из массива тонких термопилей 32×32, чувствительных к тепловому излучению.

Таким образом, термопили с применением MEMS-детектора предлагают потенциал относительно низкой цены при сравнительно высоком уровне исполнения, что перспективно для многих автомобильных применений. Ограничения технологии — большой размер сенсорных элементов (около 250m250 мкм) — не позволяют пока производить датчики для систем ночного видения, где требуется более высокое разрешение.

Дата добавления: 2014-01-14