红外线温度感测器的制作方法

1.本技术是有关一种红外线温度感测器，特别是一种易于设定地址的红外线温度感测器。


背景技术：

2.在工业安全应用中有很多场合需要监控设备的工作温度，当有异常发生时则发出警示或是采取必要的断电处置。然而，许多应用场合因空间限制，无法采用单一红外线温度感测器监控设备的工作温度。
3.举例而言，配电箱内的配电盘空间狭窄，红外线温度感测器与待测物的距离仅3-5公分，导致红外线温度感测器的感测范围直径只有6-10公分，因此须配置多个红外线温度感测器才能全面监控所有区域，如此造成温度监控的成本增加而不具效益。
4.或者，电动车的电池芯虽然设有温度感测器，但当电池芯的温度感测器发生异常时将对整个电池组造成不可回复的危险，因此，设置外部非接触式温度感测器有其安全性的需求。同样地，电动车电池组的面积很大且受到空间限制，红外线温度感测器与电池组距离很短，因此，须配置多个红外线温度感测器才能全面监控所有区域。
5.于另一应用场合中，服务器使用大量的磁碟阵列，当温度升高时将影响磁碟机的寿命。如果持续性启动风扇，电机的震动则会影响磁碟机数据输出的错码率，因此当温度升高到一预设值时再启动电机送风是较理想的运作模式。同样地，在服务器内空间狭窄，亦须配置多个红外线温度感测器才能全面监控所有区域。
6.请参照图1，于多点测温的应用场合中，主控制器11需收集多个温度感测器12a、12b、12c的数据。不同的温度感测器12a、12b、12c以通讯连接接口121以及第一通讯架构c1与主控制器11电连接。举例而言，第一通讯架构c1可为一汇流排架构。主控制器11在同一汇流排接收不同温度感测器12a、12b、12c的温度信号时，每个温度感测器12a、12b、12c要有特定的地址，才不会造成数据回传的冲突。
7.现有的一种地址管理方法是将特定地址事先烧录至每个温度感测器12a、12b、12c的非挥发性存储器中。然而，在安装现场可能有地址冲突的问题，且主控制器11须记录每个温度感测器12a、12b、12c的地址，如此将增加管理上的困扰。现有另一种地址管理方法则是由外部跳线13a、13b、13c给定每个温度感测器12a、12b、12c一个特定地址。然而，外部跳线13a、13b、13c将增加体积，且输入输出接口有数量上的限制而导致扩充不易。
8.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，电动车在行驶过程中可能造成环境温度不断改变，或者服务器风扇选择性启动造成环境温度大幅变化，上述情况皆可能造成红外线温度感测器的量测误差。
9.有鉴于此，如何简化多个红外线温度感测器的地址设定以及管理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：

10.本技术提供一种红外线温度感测器，其包含一第一通讯接口以及一第二通讯接口，其中多个红外线温度感测器经由第二通讯接口彼此串接，以利一外部的主控制器设定及管理每一红外线温度感测器的地址。此外，本技术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。
11.本技术一实施例的红外线温度感测器包含一基板、一盖体、一红外线感测芯片、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。红外线感测芯片设置于容置空间内的基板，并与基板电连接，红外线感测芯片包含至少一第一热电堆感测元件以及一第二热电堆感测元件，其中第一热电堆感测元件对应于盖体的视窗，以接收外部的一第一红外线并产生一第一感测信号，以及第二热电堆感测元件对应于盖体的该遮蔽部，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，其中信号处理器包含一第一通讯接口以及一第二通讯接口。第一通讯接口为一汇流排结构，且一主控制器与红外线温度感测器经由第一通讯接口选择性进行广播通讯或单播通讯。第二通讯接口用以串接多个红外线温度感测器至主控制器，以接收主控制器指定给每一红外线温度感测器的一地址数据。
12.以下通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本技术的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
附图说明
13.图1为一示意图，显示多个红外线温度感测器与一主控制器的现有通讯架构。
14.图2为一示意图，显示本技术第一实施例的多个红外线温度感测器与一主控制器的通讯架构。
15.图3为一示意图，显示本技术一实施例的红外线温度感测器的地址设定架构。
16.图4为一示意图，显示本技术第二实施例的多个红外线温度感测器与一主控制器的通讯架构。
17.图5为一示意图，显示本技术第三实施例的多个红外线温度感测器与一主控制器的通讯架构。
18.图6a至图6c为一示意图，显示一曼彻斯特编码。
19.图7为一示意图，显示本技术一实施例的红外线温度感测器。
20.图8为一示意图，显示本技术一实施例的红外线温度感测器沿图7的aa线的剖面结构。
21.图9为一示意图，显示本技术一实施例的红外线温度感测器沿图7的bb线的剖面结构。
22.图10为一示意图，显示本技术一实施例的红外线温度感测器的信号处理器。
23.符号说明：
24.11主控制器
25.12a、12b、12c温度感测器
26.121通讯连接接口
27.13a、13b、13c跳线
28.20主控制器
29.30、30a、30b、30c红外线温度感测器
30.301第一通讯接口
31.302a、302b、302c串接输入接口
32.303a、303b、303c串接输出接口
33.304第一连接接口
34.305第二连接接口
35.306移位记录器
36.307锁栓记录器
37.31基板
38.311导电接点
39.32红外线感测芯片
40.321a第一热电堆感测元件
41.321b第二热电堆感测元件
42.322环境温度感测器
43.323信号处理器
44.323a、323c多工器
45.323b可程式放大器
46.323d缓冲放大器
47.323e类比至数字转换器
48.323f数字滤波器
49.323g暂存器
50.323h通讯界面
51.323i非挥发性存储器
52.323j程序控制器
53.324导电接点
54.33盖体
55.331视窗
56.332遮蔽部
57.332a、335空腔
58.333挡墙
59.334金属层
60.34滤波片
61.341基材
62.342滤波层
63.35引线
64.40导热胶
65.add、add1、add2地址数据
66.c1第一通讯架构
67.c2第二通讯架构
68.clk时脉信号
69.lat锁栓信号
70.t时间周期
具体实施方式
71.以下将详述本技术的各实施例，并配合图式作为例示。除了这些详细说明之外，本技术亦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技术的范围内，并以权利要求为准。在说明书的描述中，为了使读者对本技术有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本技术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，以避免对本技术形成不必要的限制。图式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，图式仅为示意之用，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，以求图式的简洁。
72.请参照图2，以说明本技术第一实施例的多个红外线温度感测器30a、30b、30c与一主控制器20的通讯架构。每一红外线温度感测器30a、30b、30c包含一第一通讯接口301，其为一汇流排结构并以第一通讯架构c1与主控制器20电连接。依据此结构，主控制器20可通过第一通讯接口301与红外线温度感测器30a、30b、30c选择性进行广播(broadcast)通讯或单播(unicast)通讯，例如收集红外线温度感测器30a、30b、30c所量测的感测温度。于一实施例中，第一通讯接口301可为推荐标准-485(rs-485，或称为tia-485)以及通用非同步收发传输器(universal asynchronous receiver/transmitter，uart)界面，或i2c(inter-integrated circuit)界面。
73.每一红外线温度感测器30a、30b、30c更包含一第二通讯接口，其以一第二通讯架构c2与主控制器20电连接。于图2所示的实施例中，第二通讯接口包含一串接输入接口302a、302b、302c、一串接输出接口303a、303b、303c、一第一连接接口304以及一第二连接接口305。串接输出接口用以电连接下游侧的红外线温度感测器的串接输入接口，且最上游的红外线温度感测器的串接输入接口则电连接至主控制器20。举例而言，红外线温度感测器30a的串接输出接口303a与下游侧的红外线温度感测器30b的串接输入接口302b电连接；红外线温度感测器30b的串接输出接口303b与下游侧的红外线温度感测器30c的串接输入接口302c电连接；而最上游侧的红外线温度感测器30a的串接输入接口302a则与主控制器20电连接。简言之，每一红外线温度感测器30a、30b、30c经由串接输入接口302a、302b、302c以及串接输出接口303a、303b、303c依序与主控制器20串接，且主控制器20可经由串接输入接口302a、302b、302c以及串接输出接口303a、303b、303c指定特定的地址数据至每一红外线温度感测器30a、30b、30c。
74.接续上述说明，第一连接接口304用以与主控制器20电连接，以接收主控制器20所发送的一锁栓信号lat。第二连接接口305亦用以与主控制器20电连接，以接收主控制器20
所发送一时脉信号clk。于一实施例中，如图2所示，红外线温度感测器30a、30b、30c以并联方式与主控制器20电连接。依据上述说明，第二通讯架构c2可包含汇流排信号(例如锁栓信号lat以及时脉信号clk)以及串列信号(例如地址数据)。
75.请一并参照图3，每一红外线温度感测器30a、30b、30c包含一移位记录器(shift register)306以及一锁栓记录器(latch register)307。移位记录器306可将主控制器20所发送的地址数据移位传送至下一红外线温度感测器。举例而言，移位记录器306可接收主控制器20所发送的地址数据add1并加以暂存，同时将前一次所接收的另一地址数据add2移送传送至下游侧的红外线温度感测器。当红外线温度感测器30a、30b、30c接收到锁栓信号lat时，移位记录器306所暂存的地址数据add则输出至锁栓记录器307。锁栓记录器307所暂存的地址数据add可再存储至红外线温度感测器30a、30b、30c内部的非挥发性存储器，并作为每一红外线温度感测器30a、30b、30c的独特地址(unique address)。后续主控制器20即可依据每一红外线温度感测器30a、30b、30c的独特地址以第一通讯架构c1与每一红外线温度感测器30a、30b、30c进行单播通讯。于一实施例中，移位记录器306可为8位或16位的移位记录器，以利于管理大量串接的红外线温度感测器的地址。
76.举例而言，系统初始化或开机时，主控制器20可通过第一通讯架构c1读取每一红外线温度感测器30a、30b、30c的非挥发性存储器所存储的地址数据，以作为后续单播通讯之用。若任一红外线温度感测器30a、30b、30c的地址数据只有广播地址(例如00h)，代表此红外线温度感测器尚未设定独特地址。此时，主控制器20可通过第二通讯架构c2指定地址数据至每一红外线温度感测器30a、30b、30c。假设系统包含n个红外线温度感测器，主控制器20可经由串接输入接口302a、302b、302c以及串接输出接口303a、303b、303c依序传送n个特定地址数据，且n个地址数据逐一移位传送至每一红外线温度感测器30a、30b、30c。n个地址数据传送完成后，主控制器20即传送锁栓信号lat，使每一红外线温度感测器30a、30b、30c所暂存的地址数据add存储至非挥发性存储器，以作为每一红外线温度感测器30a、30b、30c的独特地址。后续主控制器20即可依据此独特地址与每一红外线温度感测器30a、30b、30c通过第一通讯架构c1进行单播通讯。
77.请参照图4，于本技术第二实施例的多个红外线温度感测器30a、30b、30c以及主控制器20的通讯架构中，第二通讯架构c2中的汇流排信号的时脉信号线可加以省略，亦即第二通讯架构c2的汇流排信号仅保留锁栓信号lat。时脉信号则与地址数据合并成一条信号线，并经由串接输入接口302a、302b、302c以及串接输出接口303a、303b、303c传送，以减少红外线温度感测器的输入输出接口的数量。于一实施例中，时脉信号以及地址数据能够以曼彻斯特(manchester)编码进行传送。举例而言，于一时间周期t内若检测到上升缘的信号代表逻辑1，如图6a所示，若检测到下降缘的信号代表逻辑0，如图6b所示。依据此编码方式，01001011的数据能够编码成图6c所示的信号加以传送并解码还原。
78.请参照图5，于本技术第三实施例的多个红外线温度感测器30a、30b、30c以及主控制器20的通讯架构中，第二通讯架构c2中的汇流排信号的锁栓信号线进一步加以省略，亦即第二通讯架构c2中仅保留串列信号，其包含以曼彻斯特编码并传送的时脉信号以及地址数据。而图2或图4所示的锁栓信号lat则可通过第一通讯架构c1传送，亦即红外线温度感测器30a、30b、30c经由第一通讯接口301接收锁栓信号lat。于图5所示的实施例中，红外线温度感测器仅需包含一个第一通讯接口、一个串接输入接口以及一个串接输出接口即可管理
多个串接的红外线温度感测器。
79.请参照图7至图10，本技术的一实施例的红外线温度感测器包含一基板31、一红外线感测芯片32、一环境温度感测器322、一信号处理器323、一盖体33以及一滤波片34。基板31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31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，以供红外线感测芯片32与基板31电连接，并将红外线感测芯片32所产生的感测信号输出至外部。基板31的详细结构为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
80.红外线感测芯片32设置于基板31上，并与基板31电连接。举例而言，请参照图9，红外线感测芯片32可通过导电接点324以及引线35而与基板31上的导电接点311电连接。于一实施例中，红外线感测芯片32是以导热胶40固设于基板31上。导热胶40可降低基板31至红外线感测芯片32间的热阻，有利红外线感测芯片32感测环境温度。
81.于一实施例中，红外线感测芯片32可为一整合型芯片。举例而言，红外线感测芯片32包含一第一热电堆感测元件321a、一第二热电堆感测元件321b、一环境温度感测器322(如图10所示)以及一信号处理器323(如图10所示)。举例而言，环境温度感测器322可为一硅基温度感测器。第一热电堆感测元件321a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321b用以接收一第二红外线以产生一第二感测信号。环境温度感测器322用以感测一环境温度以产生一环境温度感测信号。信号处理器323与第一热电堆感测元件321a、第二热电堆感测元件321b以及环境温度感测器322电连接，用以处理第一热电堆感测元件321a、第二热电堆感测元件321b以及环境温度感测器322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。可以理解的是，环境温度感测器322亦可为一独立元件，举例而言，其可为一热敏电阻。
82.接续上述说明，盖体33设置于基板31上，且与基板31定义出一容置空间，使红外线感测芯片32设置于盖体33以及基板31间的容置空间。于一实施例中，盖体33是以导热胶40固设于基板31上。导热胶40可降低盖体33至基板31间的热阻，使基板31容易随着环境温度变化而变化。请参照图8，盖体33包含一视窗331以及一遮蔽部332。视窗331对应于第一热电堆感测元件321a设置，使第一热电堆感测元件321a可通过视窗331接收外部的热辐射，例如待测物所辐射的第一红外线。遮蔽部332则对应于第二热电堆感测元件321b设置，使第二热电堆感测元件321b只能接收到遮蔽部332所辐射的第二红外线。于图8所示的实施例中，遮蔽部332是由盖体13所构成，但不限于此。举例而言，盖体33可包含对应于第二热电堆感测元件321b的另一视窗，其一端设置遮蔽元件以遮蔽外部热源的热辐射亦可达到相同的效果。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。
83.于一实施例中，盖体33包含一挡墙333，其对应于第一热电堆感测元件321a以及第二热电堆感测元件321b之间设置。挡墙333可以阻挡红外线，以避免第一热电堆感测元件321a接收到遮蔽部332所辐射的第二红外线以及第二热电堆感测元件321b接收到待测物所辐射的第一红外线。于一实施例中，盖体33可为红外线无法穿透的材料，例如液晶聚合物(liquid crystal polymer，lcp)。盖体33为lcp材料的优点是以此元件进行smd封装可以通过无铅回流炉的高温制程，亦即不会熔化摊塌而影响感测芯片的性能。
84.滤波片34设置于视窗331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34是以导热胶40固设于盖体33上。导热胶40可降低盖体33至滤波片34间的热阻，使滤波片34容易随着盖体33的温度变化而变化。举例而言，滤波片34可包含一基材341以及设置于基材341上的一滤波层342，其中基材341可为一硅基材。
85.于一实施例中，红外线感测芯片可包含多个第一热电堆感测元件321a，盖体33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321a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待测物温度。
86.依据上述结构，第一热电堆感测元件321a通过盖体33的视窗331感测外部热源的热辐射，而第二热电堆感测元件321b则感测盖体33的遮蔽部332(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，例如电动车因环境改变或服务器风扇选择性启动所造成的环境温度变化，本技术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。
87.请再参照图8，盖体33的一内表面以及一外表面至少其中之一设有一金属层334。于一实施例中，金属层334的材料可为铜、铝、镍、铬或不锈钢。如前所述，盖体33的材料可为液晶聚合物(lcp)，其易于射出成形且可通过溅镀或化镀将金属层334形成于盖体33的内表面以及外表面。外侧的金属层334可阻隔外部环境其他热源的热辐射。内侧的金属层334则可用以降低盖体33的热辐射系数(emissivity)，且增加挡墙333阻挡红外线的效果。于一实施例中，外侧以及内侧的金属层334彼此连接，则金属层334的导热效果可使盖体33的内侧以及外侧温度较快达到一致。于一实施例中，挡墙333的宽度大于或等于0.1mm，举例而言，挡墙333的宽度为0.2mm。于一实施例中，挡墙333至红外线感测芯片32的距离小于或等于100μm。举例而言，挡墙333至红外线感测芯片32的距离介于25μm至100μm，于一较佳实施例中，挡墙333至红外线感测芯片32的距离介于50μm至75μm。
88.请再参照图8，为了降低空气扰动所造成遮蔽部332以及第二热电堆感测元件321b间的热传导，于一实施例中，遮蔽部332至第二热电堆感测元件321b的距离大于或等于100μm，较佳者，遮蔽部332至第二热电堆感测元件321b的距离介于200μm至500μm。举例而言，可在遮蔽部332以及第二热电堆感测元件321b间设计一空腔332a，以控制遮蔽部332至第二热电堆感测元件321b的距离。可以理解的是，请参照图9，可在盖体33对应打线区的位置设计一空腔335，以容置引线35。于一实施例中，空腔335内侧至红外线感测芯片32的距离大于或等于200μm。
89.请参照图10，于一实施例中，信号处理器323包含多工器323a、323c、一可程式放大器323b、一缓冲放大器323d、一类比至数字转换器323e、一数字滤波器323f、一暂存器323g、一通讯界面323h、一非挥发性存储器323i以及一程序控制器323j。第一热电堆感测元件321a以及第二热电堆感测元件321b的感测信号输出至多工器323a，经多工器323a选择后再经由可程式放大器323b予以放大并后馈至多工器323c。环境温度感测器322的环境温度感测信号则输出至缓冲放大器323d，经缓冲放大器323d予以放大并后馈至多工器323c。
90.接续上述说明，多工器323c选择输出第一热电堆感测元件321a以及第二热电堆感测元件321b的感测信号或环境温度感测器322的感测信号至类比至数字转换器323e，经类比至数字转换器323e转换成数字信号，再经由数字滤波器323f处理后将结果存储于暂存器323g。于一实施例中，类比至数字转换器323e可为sigma-delta型式的类比至数字转换器，
例如16至24位的sigma-delta型式的高精度类比至数字转换器。通讯界面323h与主控制器20经由第一通讯架构c1进行通讯，以存储或读取暂存器323g或非挥发性存储器323i中的数据(例如红外线温度感测器的校正参数以及独特地址)，以及选择信号通道并触发程序控制器323j的动作。此外，程序控制器323j另经由第二通讯架构c2与主控制器20或另一红外线温度感测器30进行通讯，以进行地址管理。于一实施例中，非挥发性存储器323i可为一电子可抹除可规划唯读存储器(eeprom)、快闪存储器(flash)或可多次写入(multiple-times programmable，mtp)存储器。于一实施例中，图3所示的移位记录器306能够以硬体元件实现或是由程序控制器323j以程式指令的方式实现。以上的信号处理器323的电路设计为本领域的技术人员所熟知，故在此不再赘述。
91.综合上述，本技术的红外线温度感测器包含一第一通讯接口以及一第二通讯接口，其中多个红外线温度感测器经由第二通讯接口彼此串接，使外部的主控制器易于经由第二通讯接口设定及管理彼此串接的红外线温度感测器的地址。此外，本技术的红外线温度感测器的第二热电堆感测元件可感测封装结构的热辐射，因而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。
92.以上所述的实施例仅是为说明本技术的技术思想及特点，其目的在使本领域内技术人员能够了解本技术的内容并据以实施，当不能以的限定本技术的专利范围，即大凡依本技术所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本技术的专利范围内。