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2019 年，COVID-19 新型冠状病毒猝不及防的闯入我们的世界，2020 年更是大爆发。在一众测温设备中，基于塞贝克效应的红外热电测温方式因为其快速、直观、非接触检测特点，相比于其他的测温方式更有优势。在此类设备中，都离不开基础的红外热电探测器。在我们这次抗击疫情中用到的各种额温枪、耳温枪的核心测温器件就是基于微机电系统（MEMS， Micro-Electro-Mechanical System）的MEMS热电堆红外探测器，它是一种微加工的热电探测器。在过去的几十年里，产业化的制造工艺这使得薄膜热电堆成为许多商业应用的经济选择，包括且不限于非接触式温度传感器、气体分析仪、火灾和入侵检测。图 1-1 和 1-2 为MEMS热电堆红外探测器的典型应用。

图 1-1 基于热电堆的额温枪

图 1-2 基于热电堆的燃气气体检测

2. MEMS热电堆

2.1. MEMS热电堆的工作原理

MEMS 热电堆红外探测器是由吸收区、热偶对、支撑膜、电极、金属热电阻（金属引线）、硅基底组成的，如图2-1 所示。其中靠近吸收区的热偶端为热端、远离吸收区的一端为冷端。悬浮介质膜支撑上热电偶区和红外吸收膜^[1]。热端与红外吸收区连接，冷端位于单晶硅基底上。单晶硅基底与环境温度一致，单晶硅通常被认为是导热性好的材料。同时，硅基微机械技术保证了其优异的稳定性，极低的温敏系数和优异的光电特性。

图 2-1 MEMS 热电堆红外探测器基本结构示意图

热电堆是一种基于塞贝克（Seebeck）效应（即第一热电效应）工作的热-电转换器件^[2]，它由 N 对热电偶对串联而成，其中，任意一对热偶对是由一个 N 型半导体条和一个 P 型半导体条相互串接而成，热偶对也是热电堆的基本组成单元^[3]。由塞贝克（Seebeck）效应的定义可知，当两种不同的金属材料相互串接构成一个闭环的回路，当串接处的热度有差异时，同时闭环回路会产生电流，如图 2-2 所示。

图 2-2 MEMS 热电堆红外探测器温差生电示意图

然而随着半导体物理理论的丰富，发现具有不一样赛贝克系数的 P 型半导体材料和 N 型半导体材料相连，同样会有塞贝克效应。如图 2-3 所示，P 型半导体材料由于热端空穴浓度高，所以正电荷顺浓度梯度由热端流向冷端。N 型半导体材料由于热端电子具有比冷端更高的能量和速度。所以热端大量电子快速流向冷端，冷端电子少量且慢速流向电子。因此在“冷结”处的 P 型半导体材料和 N 型半导体材料的两端点之间就会产生温差电动势 Vout ，其数学表达式为：

其中 α _A 和 α _B 分别为材料 P 型半导体材料和 N 型半导体材料的塞贝克系数值， α AB 是两种材料赛贝克系数值差^[4]。

图 2-3 基于塞贝克（Seebeck）效应的温差生电原理示意图

2.2. MEMS热电堆的特征表现

典型的热电堆输出电压可以通过调控不同的环境温度而得到，热电堆的 V-T 表如图 2-4，横坐标为 Tobj，为目标温度；纵坐标为 V _TP ，为热电堆实时的输出电压值：

图 2-4 不同环温下热电堆的 V-T 表

在环境温度变化的背景下，有两点需要特别注意：

第一点是热电堆检测的是红外辐射，这种辐射其实是传入（来自物体）和传出（来自传感器本身）辐射之间的差异。因此，热电堆输出电压取决于目标温度与传感器的温差。当目标温度大于传感器所在的环温时，V _TP > 0；当目标温度小于传感器所在的环温时，V _TP < 0。在这种情况下整个曲线会根据环境温度在不同的电压水平下移动，这些曲线之间的距离在这里称为偏移 V _OFFS 。

第二点是当环境温度提高时，灵敏度也会随之降低。由于材料特性（热电偶材料、膜材料），灵敏度与吸收辐射的电压值往往表现为高的环境温度下较小，这种热电堆特性叫被做温度系数 TC _SENS 。在这种情况下曲线的梯度（与热电堆灵敏度成正比）随着环境温度的升高而降低。 温度越高，曲线形式越平坦。此处需要注意的是 V-T 曲线形式不受这两个点影响。往往是根据环境温度而上下移动曲线， 曲线特性仅取决于热电堆的滤波器特性。 在大多数应用中，这种滤波器特性的引起变化可以忽略不计。

3. 信号处理的整体设计思路

3.1. 模拟电路

MEMS 的 P 级与 N 级之间产生温差电动势 V _out ，作为一款信号调理芯片，它首先需要将将温度信号转变为一个幅度较小的电信号。由于电信号幅度较小，需经过一个放大器放大电信号，固定的放大倍数缺乏可配性、灵活性，很难满足实际的测试要求。为了提高输入电信号的量程，所以采用放大倍数可配置的放大器。因此在设计上可以采取多种前级放大倍数的选项，可以根据需求灵活调配。

数字系统无法对模拟信号进行解析，则需要一个模拟数字转换器将模拟电信号转换成数字的二进制数据。模拟前端模块通常包含由仪表 PGA 和 sigma-delta ADC 构成的信号采集通道，来对传感器信号进行高精度采集。通过内置温度传感器，来对温度进行高精度采集。ADC 后是一个数字滤波器，通过调节 OSR 可以分别设置传感器信号采集过程中信号链的过采样率。

3.2. 数字电路

DSP 对校准后的压力数据进行数据的分析与记录。EEPROM 用于存放校准系数和一些芯片配置信息。基于内置DSP 的传感器校准算法，可对传感器的零点及灵敏度的二阶以下温度漂移以及高至三阶的非线性进行校准，并对环境温度进行补偿，最终输出目标温度。芯片配置参数、传感器校准系数以及热电堆传感器 V-T 表保存在 EEPROM 中。内部 LDO 将固定电平供给模拟电路、数字电路供电。而系统内部的时钟源，可以灵活切换至低频维持睡眠模式，高频可以获得较高采样率。

常见的数字接口模式如：2C，PWM（单总线），INT 或 Relay 输出。IIC 串口用于芯片的外部通信；PWM 可用于读取 DSP 输出目标温度值；中断控制模块用来对各个外设模块的中断进行管理。

图 3-1 NSA3300 设计整体框图

4. 传感器的校准原理与流程

4.1. 环温补偿

在实际的红外测温过程中，红外热电堆所处的环境对测温有着很大的影响，从前面 2.2 MEMS 热电堆的特征表现对测温过程的分析也可以看出环境温度因素直接关系到最后的测温结果，下面结合红外辐射理论对其进行分析。假设被测目标物体自身的温度为 T1 ，所处的环境温度为 T2 ，根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律[5]，可知该物体表面单位面积所发射的红外辐射能为 AεσT ₁ ⁴ ，则其相应吸收的红外辐射能为 AεσT 2 4 ，设该物体向外所发射的净辐射能为 Q，则 Q =AεσT ₁ ⁴ -AεσT ₂ ⁴ ，其中 A、 ε、σ 分别为物体表面的单位面积、物体表面发射率和吸收率。另外由基尔霍夫定律知道，物体热辐射的吸收本领和发射本领是相等的，也即 ε=σ ，所以 Q = Aεσ （ T ₁ ⁴ - T ₂ ⁴ ），从这个式子可以看出环境温度对物体红外辐射能量有很大的影响，进而影响着最后的测温结果。

另外从探测器本身考虑，红外探测器对环境温度非常敏感，在长时间的工作之后，探测器内部电子元件基本都会发生温度漂移现象，例如电阻的阻值会在环境温度改变的情况下变大；差分运放电路会产生零点漂移；测量电桥会发生直流漂移等。同时，环境温度变化还会导致灵敏度漂移，所以最终会使得探测器的响应输出值会随着环境温度的变化发生缓慢的漂移。因此我们可以采用环温补偿的方法，对测温系统特性曲线的非线性进行修正，是提高测温精度的一项有效措施[6]。目前的常用的补偿方法有以下几种：

(1)查表法：将温度传感器最终经 A/D 转换后的输出值与传感器测量值一一对应，并建立二者相对应的关系表格，通过 A/D 输出值，通过查表来获得测量值，实现两者的线性化，此种方法比较繁琐，工作量大，需要的存储容量相对较大。

(2)线性插值法：将传感器的输出曲线分段并用直线逼近，获得各分段直线参数，在存储器中建立各直线参数表格，由 A/D 转换值来匹配相应的直线段，通过插值计算获得对应的测量值，此种方法可分为定区间线性插值和变区间线性插值。

(3)计算法：首先建立关于传感器的物理模型，然后针对物理模型，建立其数学模型。这种方法的前提是能用一个确定的数学关系式描述传感器的特性，并且对处理器的浮点运算速度要求较高。

(4)最小二乘多项式拟合：实际情况中，如果用直线来拟合传感器数据点则误差较大，此时可用曲线拟合即多项式拟合方法，它的拟合效果比较好。

根据 2.2 得出的结论，环温对热电堆输出电压有很大的影响。而输出电压同时受环境温度和目标温度的影响。因此我们需要对电路中设计环温检测传感器，同时运用实时采集到的环温来对输出电压来校准，以此来输出正确目标温度值。如图 4-1，为 NSA3300 温度校准的处理流程图，根据中间温度定理，我们很容易算出被探测温度 T1，主要公式如下

E（T1，Ta）=E（T1，T0）+E（T0，TA）=E（T1，T0）-E（TA，T0）

25℃相当于参考温度，TA 相当于环境温度，T1 相当于被探测温度

图 4-1 中间温度定理处理流程图

4.2. 系统校准

受器件制造影响，红外热电堆传感器各探头之间会存在非均匀性问题，探头非均匀性主要包括偏置系数非均匀性和增益系数非均匀性，其中偏置系数非均匀性表示不同传感器在接受相同红外福射量照射时所引起的热响应电压不同。而増益系数非均匀性表示不同传感器所接受的红外福射发生相同量的变化时所引起的热响应电压变化大小不一致^[7]。其非均匀性模型如图 4-2 所示：

图 4-2 探头非均匀性模型

对于 1 号和 2 号两个探头，在相同温度 t 0 下，热响应电压 a1≠a2，代表两传感器的偏置系数 offset 存在差异。在相同温度变化范围 t 1 =t 0 下，两传感器的热响应电压变化值 b1≠b2，代表两传感器增益系数 gain 存在差异。

探头非均匀性的存在有可能会煙没微弱的缺陷信号，这将大大影响红外检测的结果。探头的均匀一致性也是红外检测系统正常工作的前提条件。因此，红外线热电堆传感器需要通过非均匀性校准来提高它的工作性能。

依据获取非均匀性校准参数的原理不同，可以将校准方法分为离焦法、参考辐射源法、神经网络法和统计平均法等多种方法，目前采用较多的是参考辐射源法^[8]。这一方法操作简便，易于实现，且比较适用于本系统的校准。因此本系统红外热电堆传感器的非均匀性校准就采用的这一方法。

常使用的参考辐射源法包括一点校准、二点校准和多点实际校准算法。由于一点校准是将传感器的偏置系数和增益系数分开校准，因此无法满足实际系统中同时存在偏置系数和增益系数的校准。多点校准虽然校准精度得到很大改善，但是计算量大，増加了校准工作量，特别是在传感器数量较多时则更加不适宜选用此方法。

二点校准法不仅克服了一点校准法不能同时对偏置系数和増益系数进行校准的缺陷，而且计算量较小，因此更加适用于传感器校准。通过对系统做参考辐射源实验，获取了各传感器在其工作温度范围内不同温度下的输出响应值，利用二点校准算法对红外热电堆传感器进行校准后，再次采集各传感器的校准输出。

二点校准算法可以很好的解决一点校准算法无法同时兼顾传感器的偏置和増益系数问题。二点校准算法是一种选取二点目标温度作为定标点的校准方法。它是将传感器的输出响应与目标温度看作是线性关系的一种校准方法。在传感器的动态响应范围内选取 T _a 和 T _b 两个目标温度作为定标点，得到传感器再这两个温度下的实际相应输出 V’ (T _a )和V’ (T _b )，然后根据式（4.1）求出传感器分别在 T _a 和 T _b 下的校准输出响应 V (T _a )和 V (T _b )。设传感器的増益校准系数为m ，偏置校准系数为 n ， 则有：

根据式（4.1）可得到；

根据式（4.2）可以分别求出各传感器的偏置校准系数和增益校准系数。根据求出的两个校准系数，传感器在任一温度 T x 下的校准响应输出 V’’ (T x )为；

其中 V’ (T x )为该传感器在一定温度下的实际响应输出。

按照此方法，考虑尽可能代表全部测试温度范围的温度点，选取 25℃和 40℃两个温度点作为温度标定点，然后计算出增益校准参数 Gain 和偏置校准系数 Offset，最后将需要校准的值写入寄存器，ASIC 调理芯片将能输出正确的温度值，校准流程图如图 4-3.

校准步骤如下（黑体标定）：

1. 环境温度 25℃，测量 25℃目标温度，得到 ADC 读数，折算到输入端 Out_25C

2. 环境温度 25℃，测量 40℃目标温度，得到 ADC 读数，折算到输入端 Out_40C

3. K = (Out_40C-Out_25C)/(40-25), 通过查 V-T 表得到参考 Gain 来标定 K

图 4-3 系统校准流程图

5. NSA3300在产品设计上的优势

常见的数模转换调理芯片，往往都是前端传感器输出一个极小的信号，通过 ADC 转换模块、放大模块，将模拟信号转换为数字信号。作为纳芯微电子老款产品的NSA2300，具有 ADC 转换模块，目前已得到广泛应用。但是此前一个专为热电堆设计的 ADC 转换模块，并且具有环境温度补偿功能，能直接输出测量温度值的调理芯片，在目前得国内市场还属于空白，NSA3300 诞生可以完美解决这样的问题。

在测温功能上，NSA3300 内部集成了免标定的环境温度传感器，环境温度可测范围为 -40 ~ 125°C，在 0~40°C 测温范围能达到±0.2°C 精度。通过校准算法处理后的可测目标温度范围为 -70 ~ 380°C，在全温度范围达到 1%的测量精度，并在人体测温 35~42°C 范围能达到 ±0.2°C 的精度。同时也支持不带 DSP 算法的传感器裸数据输出，便于后处理。

在工作模式上，NSA3300 的设计模块还支持多种工作模式，分别为：连续单通道传感器及环境温度组合输出，连续双通道传感器及环境温度组合输出，连续双通道传感器输出以及睡眠模式，这些模式可以使 NSA3300 灵活运用在耳温枪/额温枪、气体传感器、燃气灶、空调、手机等多种应用场合。

在信号采样与输出功能上，NSA3300 共有两路差分输入通道，可支持两个传感器接入，每通道 ODR 可达到近800Hz。当处于连续单通道传感器及环境温度组合输出 ODR 最高达 200Hz。

在通信协议上，该芯片同时支持 I2C 接口、PWM 接口、中断输出等多种输出模式。在低功耗睡眠工作模式下，典型功耗低至 5uA，此睡眠模式下能定时采集信号，当超过设置阈值或低于设置阈值会触发中断。

该产品为国内首个晶圆出货的热电堆调理芯片，晶圆形式方便客户集成在热电堆头子中。晶圆尺寸为1.5mmx1mm，支持 TO39,TO46, 3mmx3mm DFN 封装，如图 5-1 为 NSA3300 在 TO46 封装下的工作截面图。

图 5-1 热电堆传感器截面图

6. 参考文献

[1] Randjelović D, Petropoulos A, Kaltsas G, et al. Multipurpose MEMS thermal sensor based on thermopiles[J]. Sensors and

Actuators A: Physical, 2008, 141(2): 404-413.

[2] Uchida K, Takahashi S, Harii K, et al. Observation of the spin Seebeck effect[J]. Nature, 2008, 455(7214): 778-781.

[3] 张琛琛. 高吸收热导通 MEMS 热电堆红外探测器技术研究[D]. 中北大学, 2021.

[4] Van Herwaarden A W, Sarro P M. Thermal sensors based on the Seebeck effect[J]. Sensors and Actuators, 1986, 10(3-4):

321-346.

[5] Giddings S B. Hawking radiation, the Stefan–Boltzmann law, and unitarization[J]. Physics Letters B, 2016, 754: 39-42.

[6] 吕江涛, 陆俊清, 刘源远, 等.光纤惯组温度补偿技术与试验方法研究[J].战术导弹控制技术，2014,31(1):12-15.

[7] 何伟.低成本非接触式红外无损检测技术研巧[D].南京理工大学，2016.

[8] 田丽珍，李庆辉，刘上乾．一种非均匀校正的新算法[J]. 应用光学，2000，21(2):4-6.