科普文：热电堆传感器、额温枪和产业链

? ? ? ? 2020年这场突如其来的疫情打乱了我们的生活也搅乱了半导体产业链，现在到处都是寻找额温枪的信息，很多人好奇为什么额温枪会缺货那么严重？?一个电路简单也没什么智能的小产品，为什么就不能大量生产？好吧，看完这个科普小文你就会明白了。

? ? ?1821年的某天，一位德国的物理学家偶然将两种不同的金属导线连接在一起，构成一个电流回路。他突然发现，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个结时会有电流产生，在接下来的两年里时间，他将他的持续观察报告给普鲁士科学学会，并把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。

? ? ? ?这个物理学家就是托马斯·约翰·塞贝克，他的这个发现如今被我们成为”塞贝克效应/Seebeck效应“，他的发现奠定了我们现在温度测量的基础，它催生了我们今天额温枪里关键器件----热电堆对红外传感器的诞生。

? ? ?? 谈热电堆之前我们先聊聊热电偶，热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，然后再转换成被测介质的温度。热电偶就是基于塞贝克效应发明的。

? ? ? ? ?热电偶主要有半导体热电偶和金属热电偶两大类。虽然半导体的Seebeck效应比金属的强得多，但是在较高温度下使用的热电偶则往往是金属热电偶。

其工作原理是把两根不同材料的两个端头焊接（电焊、铜焊或锡焊）起来，即构成一个热电偶。当一个端头较热、另一个端头较冷时，由于Seebeck效应即将在热电偶的开路端产生出温差电动势（在闭路热电偶中产生出温差电流）；因为产生的温差电动势与两个端头之间的温度差（温度梯度）成正比（比例系数为Seebeck系数），所以，如果固定一个端头（参考极）的温度不变，那么由热电偶的温差电动势大小即可得知另一个端头（传感器）的温度，从而可把热电偶作为温度传感器使用。

? ? ? ?在用热电偶检测温度时，首先需要把一个端头固定在不变的参考温度上，一般是采用0oC作为参考温度（可方便的利用冰来得到），如果要求检测精度不高时，也可采用室温作为参考温度。

? ? ? ? 由于热电效应中电压的大小取决于金属的种类，因此在电路中使用不同的金属会产生不同的电压，这个电压被称为热电势，当热电偶的正负极材料都确定以后，热电势的大小只与热电偶的两端温度有关。

热电偶一般根据材料不同分为如下几类：

S型：铂铑10合金/铂

? ? ? ? 这是一种贵金属热电偶，铂铑10合金（铂占90%，铑占10%）为正极，铂为负极。电极直径通常为0.5mm，长期使用温度可达1300℃，短期使用可达1600℃,有很好的复现性和稳定性，在国际适用温标中在630.74～1064.43℃范围内用它做标准仪器。这种热电偶的热势率较小，平均灵敏度为0.009mV/℃左右。价格贵，非线性大，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用，在真空中可以短暂使用。

B型：铂铑30合金/铂铑6合金

? ? ? ? 长期使用的最高温度可达1600℃，短期可达1800℃。性能稳定，测试准确度较高，适宜于氧化性介质和中性介质中使用，不能在还原性气氛及含有金属或非金属蒸汽的气氛中使用。热电势率比S型的更小。

K型：镍铬合金或镍铝合金

这是最常用的热电偶。温度量程自?200℃到+1200℃。磁性。敏感度41 μV/℃。

E型：镍铬合金或铜镍合金

高输出（68 μV/℃），非磁性。

J型：铁或铜镍合金

有限量程（?40至+750℃），不可用于760℃以上，敏感度约为52 μV/℃。

T型：铜或铜镍合金

有限量程（?250至+350℃），敏感度约为43 μV/℃。

N型：镍铬硅合金或镍硅合金

高稳定性，抗高温氧化。可用于高于1200℃。900℃时，敏感度39 μV/℃，略低于K型。

热电偶的优点：结实耐用、价格低廉、使用方便、覆盖温度范围宽广，故被广泛地用作为温度传感器。

热电偶的缺点：灵敏度较低；精度低；需要参考温度；响应速度慢（为ms数量级）。

好了马上就到我们的主角了---热点堆传感器。

? ? ? 什么是热电堆传感器呢？很简单，通常是将热电偶进行串联，有时是并联就是热电堆了，热电堆并不能测量绝对温度，不过可以输出一个与温差成比例的电压。对同样的温度差而言，热电堆内的电动势要比单个温差电偶产生的大得多，用它制成的温差电偶温度计测温灵敏度也高。

? ? ? ?实际应用中，用高精度热敏电阻来测量热电堆所处的环境温度，然后由CPU计算出测量温度。可以在EEPROM中预先写入一些标准的温度条件，例如：在被测物体温度为37℃、热电堆所处环境温度为25℃条件下测得的输出电压。而且，热电堆的输出电压、运放的偏置及增益的离散性等等也可以通过软件来进行修正这样就可以测出被测对象的温度了。

? ? ? ? 这是基本原理，实际上，我们的额温枪中的红热电堆传感器要复杂的多，它是采用硅基微加工工艺，在硅片支撑层上排布热电堆的若干个热电偶，把这些热电偶串联起来，就构成热电堆芯片。

热电堆传感器示意图（来源：TE官网）

? ? ? ? 任何有温度的个体都会有红外辐射，辐射功率随着表面的增加而增加温度。基于此关系，热电堆测量发射功率并确定精确地测量物体的温度。

? ? ? ? ?当传感器接收红外辐射时，热点堆芯片上各热电偶的电压叠加输出，从而将测试温度转变为电压信号。热电堆可以在一定距离外通过检测物体的红外 (IR) 能来测量温度。温度越高，产生的红外能越多。热电堆传感元件由硅芯片上的一些小热电偶组成，能够吸收能量并产生输出信号。

在热电堆应用和选型中，要注意以下几个点

1、线性；2、响应时间 3、电气噪声 4、引线电阻 5、成本等。

? ? ? ??? 在我们这次抗击疫情中用到的各种额温枪、耳温枪里就用到这种传感器，它很小但是一种微机电传感器，主要供应商有：德国海曼（Heimann Sensor）、瑞士泰科电子（TE Connectivity）、比利时迈来芯（Melexis）；还有台湾的众智，内地的上海烨映、郑州炜盛电子等供应商。业内人士称，国内额温枪使用的热电堆传感器90%来自台湾，10倍需求的爆发让供应商难以及时满足需求，这就是为啥额温枪产能难以满足需求的主因。

? ? ? ?在这次抗击疫情中，我们要出门回家基本上都被额温枪照过，有人戏称我们跟《无间道》里的刘德华被拿枪指着一样。

这个测量体温的东东就是额温枪，拆开了其实很简单的（以下内容来自唯样商城微信公共号），

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