如何用高精度微型红外传感器提供可靠的温度读数

你知道非接触式体温测量法可以帮助你在不接触任何东西的情况下监测你的健康吗？这听起来很不错，但要使它准确可靠，还存在一些挑战。Melexis 营销经理 Joris Roels 展示了 Melexis 如何用一个创新的红外温度传感器解决这些问题。它体积小、速度快、精度高，而且可以对不同的环境因素进行补偿。

正如 Covid-19 大流行所证明的那样，快速和非侵入性的体温评估技术已成为必要。在包括医院、机场和学校在内的各种场所，采用红外传感器测量表面温度而无需身体接触的非接触式红外测温仪已变得流行，并常用于测量体温。红外温度计是非侵入式的，可提供快速、可靠的读数。

本文将以Melexis微电子集成系统开发的微型红外温度传感器为例，展示如何成功解决：在减小尺寸的同时获得医疗级精度和温度补偿。

远红外传感器

FIR 传感器是一种表面贴装器件 (SMD)，可测量物体的红外辐射以准确报告温度。其 SMD 封装使该传感器适用于多种应用，包括可穿戴设备，特别是先进的入耳式设备（所谓的耳戴式设备），以及需要高精度人体温度测量的临床护理点应用是必需的。

由于无需直接接触被测物体即可实现温度感应，因此非接触式温度测量具有优于传统接触方法的优势。这在不希望与对象进行物理接触的各种情况下很有用，例如当对象易碎、移动或位于危险区域时。当需要快速响应时，或无法保证传感器与被测物体之间良好的热接触时，非接触式测温比接触式测温更准确、结果更可靠。

Melexis 营销经理 Joris Roels 说：

“Melexis 是一家芯片和封装设计公司，在我们每个产品的设计中，都有相当大的发展和大量受保护的知识产权。我们更愿意将制造外包给我们的晶圆厂合作伙伴，但所有测试和校准都在内部进行，以保证最终质量。”

这款极小的器件是一个完整的解决方案 3 mm × 3 mm × 1 mm QFN 封装，集成了传感器元件、信号处理、数字接口和光学器件，可实现快速、轻松地集成在空间有限的情况下融入广泛的现代应用。

MLX90632 经过工厂校准，可确保高精度，同时在内部采取了电气和热预防措施以补偿严酷的外部条件。如图 2 所示，热电堆传感元件电压信号被放大和数字化。经过数字滤波后，原始测量结果存储在RAM中。状态机控制所有功能。每次测量转换的结果都可以通过 I2C 接口访问，该接口还允许访问内部状态机的控制寄存器、用于像素和辅助测量数据的 RAM 以及用于存储微调值、校准常数和各种设备/测量设置。

外部单元可以使用测量和校准数据计算传感器和物体的温度。如果存在光学窗口或障碍物，用户可以针对其特定应用修改温度计算算法。   据 Melexis 称，由于其紧凑的尺寸、高热稳定性和针对人体温度的优化，医用 MLX90632 非常适合超紧凑型可穿戴健康监测设备，例如可以连续监测体温的便携式诊断仪器。

反复监测生命体征是预防医学技术的关键要素，可以及早发现严重的健康状况。该传感器也非常适合更传统的医疗设备，例如戴在额头或耳朵上的温度计。   三星将 MLX90632 用作嵌入其 Galaxy Watch 5 系列的微型医疗级红外温度传感器。结合第三方应用程序，智能手表的高精度温度传感器还可以跟踪月经周期，帮助女性评估生育期。

Melexis 营销经理 Joris Roels 说： 

“我们开发了 MLX90632 传感器来满足客户对皮肤温度测量的需求，我们添加了一个附加功能；也就是说，它是一种非接触式解决方案。”

根据定义，接触式温度计需要良好的热接触才能运行。此外，已经证明接触式温度测量会影响测量值；也就是说，皮肤受到传感器系统的干扰。使用非接触技术可以克服这两个问题。

热稳定性

得益于精密的工厂内校准程序，MLX90632 可在正常人体温度范围内提供 ±0.2°C 的医疗级精度。当物体温度在 35°C 至 42°C 范围内且环境温度在 15°C 至 40°C 之间时，可以实现这种高精度。

热梯度在可穿戴设备和消费类应用中可能是一种常见现象。小型 FIR（非接触式）传感器通常对热梯度敏感，但 Melexis 通过采用先进的补偿算法在 MLX90632 中减轻了这种影响。

Melexis 使用 MLX90632 和标准红外温度传感器进行了测试实验，以测量物体在 40°C 时的温度。他们用热风枪加热两者以评估它们的热稳定性。图 3 底部的图表（绿色曲线）显示了两个芯片传感器上的快速加热 (1°C/s)。图 3 上方的图表展示了 MLX90632（蓝线）实现的出色热稳定性。无论外部强制加热如何，它都提供几乎相同的温度测量。相反，红色曲线显示了在相同条件下，标准传感器提供的测量值如何受到误差的严重影响。

Melexis 营销经理 Joris Roels 说：

“标准 FIR 传感器采用大型封装，因为它有助于消除热梯度，当你试图制造更小的传感器时，你自然会面临不稳定问题。我们所做的是让热梯度发生，但对其进行实时补偿以保持测量精度。”