熱成像傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種傳感器裝置，所述傳感器裝置包括以圖案設置在基板上的分隔開的多個傳感元件的陣列。每一個傳感元件被電連接成使得通過每一個傳感元件單獨測量的物理變量能夠由外部儀器記錄和/或顯示。感測裝置可以為溫度感測裝置，在這種情況下，傳感元件為溫度感測元件，例如負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器?？蛇x地，感測裝置可以為應變或壓力感測裝置或者光學成像裝置，在這種情況下，傳感元件包括壓電式電阻器或光敏電阻器。傳感元件可以連接在共用源或?qū)懭?讀一的配置中、連接在共用輸出或?qū)懸?讀全的配置中、或者以包括X行和Y列的陣列連接在寫X-讀Y配置中。
【專利說明】熱成像傳感器

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器裝置，例如溫度感測裝置，并且涉及一種制造這種裝置的方法。

【背景技術】
[0002]在許多應用中，在包括工程、衛(wèi)生保健、包裝和運輸?shù)亩喾N領域中，理想的是對相對大的對象(例如，用于液體的容器或者容納食品的包裝)的溫度分布獲得定量信息。
[0003]目前，用于該目的的最常用方法是紅外線或可見熱敏成像法，其中由對象發(fā)出的熱輻射被數(shù)字攝像機記錄。雖然具有優(yōu)點，但對于一些非接觸式測量的應用，這通常由于多種因素而具有缺點，所述因素例如為無關的輻射、視野的低能見度和模糊、材料的透明度以及發(fā)射率和反射率的變化。因此，通常需要使用與對象良好地直接熱接觸的傳感器。通常，這需要可以固定到非平坦表面的柔性或適合的傳感器陣列。
[0004]目前，當需要對象的直接溫度測量時，單獨的離散部件被安裝到對象上或者保持與對象接觸。使用的傳感器為熱電偶，或者更通常為電阻裝置，例如熱敏電阻。構(gòu)造以及同樣重要的柔性多傳感器陣列的電連接是復雜且昂貴的，例如，如Schonberger的美國專利6,077, 228中所述的裝置。
[0005]本發(fā)明的一個目的是提供一種可選的多傳感器溫度感測裝置。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]根據(jù)本發(fā)明，提供一種傳感器裝置，所述傳感器裝置包括以圖案設置在基板上的分隔開的多個傳感元件的陣列，每一個傳感元件包括電阻部件且被電連接成使得通過每一個傳感元件單獨測量的物理變量能夠由外部儀器記錄和/或顯示。
[0007]感測裝置可以為溫度感測裝置，在這種情況下，傳感元件為溫度感測元件。
[0008]溫度感測元件可以包括熱變電阻器。
[0009]優(yōu)選地，溫度感測元件包括負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。
[0010]可選地，感測裝置可以為應變或壓力感測裝置或者光學成像裝置，在這種情況下，傳感元件可以包括壓電式電阻器或者光敏電阻器。
[0011]所述至少一個傳感元件可以包括至少一個系列與溫度無關的測量電阻器。
[0012]所述至少一個傳感元件可以包括一系列與溫度無關的負載電阻器和并聯(lián)的與溫度無關的分路電阻器。
[0013]在一個實施例中，傳感元件可以連接在共用源或?qū)懭?讀一(write all-readone)的配置中。
[0014]在另一個實施例中，傳感元件可以連接在共用輸出或者寫一-讀全(writeone-read all)的配置中。
[0015]在進一步的實施例中，傳感元件可以以包括X行和Y列的陣列連接在寫X-讀Y配置中。
[0016]單獨傳感器的定位和/或尺寸可以被選擇成允許傳感器裝置匹配對象的尺寸、形狀和形式，所述對象的溫度分布圖(或者另一個物理變量的分布圖)將被測量。
[0017]基板可以是柔性的或者適合將補測量的對象的形狀。
[0018]傳感元件可以設置成在使用中以表示被測量物理變量的方式繪制的圖案。
[0019]本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例是包括印刷在基板上的傳感器元件的傳感器陣列。
[0020]優(yōu)選地，傳感器陣列的其它部件，包括但不限于與溫度無關的電阻器、導電跡線和絕緣體，也被印刷在基板上。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是顯示根據(jù)本發(fā)明的用于溫度感測裝置的單個電阻感測元件的電路的工作原理的不意圖；
[0022]圖2是包括可以與共用源或者共用輸出連接的多個單獨傳感元件的溫度感測陣列的一個示例實施例的平面圖；
[0023]圖3是包括具有共用電勢源和對于每個傳感器都具有一個輸出的單獨定址的電阻式傳感器的陣列的一個示例實施例的示意圖；
[0024]圖4是包括具有共用輸出和對于每個傳感器都具有一個單獨電勢源的單獨定址的電阻式傳感器的陣列的一個示例實施例的示意圖；以及
[0025]圖5是包括電阻式傳感器的寫X-讀Y可定址的無源矩陣陣列的一個示例實施例的示意圖，其中每一個傳感器具有一個單獨的可用開關控制的電壓源和輸出。

【具體實施方式】
[0026]為了說明，將主要關于溫度感測裝置說明本發(fā)明。然而，將被理解的是用于應變或壓力或者光學感測裝置的感測裝置例如為本發(fā)明的其它示例。
[0027]在此所述的本發(fā)明的溫度感測裝置是由通常被稱為熱敏電阻的依賴溫度的電阻器和與溫度無關的固定電阻器的網(wǎng)絡構(gòu)成的相對較大面積的熱成像傳感器。此處特定的關聯(lián)于具有電阻的負溫度系數(shù)的熱敏電阻器，通常被稱為NTC熱敏電阻器，這表示所述電阻器的電阻與增加的溫度大約成指數(shù)關系減小。
[0028]因此，本發(fā)明的一個方面提供布置成溫度感測陣列的多個熱敏電阻器，其中傳感器可以單獨定址或者定址成排和列的矩陣。(類似地，本發(fā)明可以使用其它電阻式傳感器，包括但不限于壓電電阻器或光敏電阻器，從而允許用于諸如應變和壓力測繪或者光學成像的其它應用的類似傳感器陣列。)
[0029]這種一般類型的現(xiàn)有熱敏電阻器由糊劑(paste)構(gòu)成，所述糊劑由化合物半導體材料的粉末和諸如玻璃熔塊的粘合料組成。該糊劑為印刷到陶瓷襯底上的篩網(wǎng)(screen)或鑄造成形成料坯，之后在高溫下燒結(jié)以形成半導體材料的大體積層或者主體。不變地是，由于熱處理期間的變形，在厚膜熱敏電阻器的情況下，在金屬噴鍍之前需要進一步修整材料以獲得正確的電阻。
[0030]使用的制造工藝限制了可以使用的基板材料，排除了諸如紙和高分子膜的許多輕質(zhì)柔性材料的使用。傳統(tǒng)地，用于制造熱敏電阻器的厚膜油墨由重金屬硫化物和/或碲化物(例如，硫化鉛)構(gòu)成，并且不能適應現(xiàn)今的法規(guī)，例如歐洲的有害物質(zhì)禁用指令(ROHS)。最近引入的代用材料包括稀土和過渡金屬氧化物(例如，氧化錳)的混合物的組成物?；诠璧臒崦綦娮杵魍ǔ１粡闹負诫s硅晶片除去，并且具有電阻正溫度系數(shù)。
[0031]這些制造方法不能與大面積或者柔性傳感器陣列的傳統(tǒng)熱敏電阻器的使用相容。因此，美國PCT/2011/054001所述類型的印模裝置是優(yōu)選的。具體地，可構(gòu)思出印刷負溫度系數(shù)熱敏電阻器的使用。
[0032]雖然本發(fā)明可以應用于離散電子部件的陣列，但是許多這種傳感器的陣列的結(jié)構(gòu)將面對關于尺寸、柔性和功率消耗(導致自動加熱)的嚴重挑戰(zhàn)。
[0033]根據(jù)應用的要求，上面印刷有傳感器的基板可以是剛性或柔性的，如PCT/2011/054001中所記載。傳感器陣列的類似其它部件，包括但不限于與溫度無關的電阻器、導電跡線和絕緣體，也可以印刷在基板材料上?？梢允褂糜∷㈦娮釉O備或厚膜電子工業(yè)中應用的任何通常公知的印刷方法，例如絲網(wǎng)印刷、凹版印刷、苯胺印刷和噴墨印刷?？蛇x地，離散部件可以以與Schonberger的美國專利6，077, 228中所述的類似方法通過電子設備組裝工業(yè)中通常使用的任何適當?shù)姆椒ü潭ǖ交宀牧虾瓦B接彼此。
[0034]正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻器或者電阻溫度裝置(RTD)作為NTC熱敏電阻器的可選方式可以用作傳感器元件。PTC熱敏電阻器可以如Panda等人的WO 2012/001465中所述為傳統(tǒng)技術的無機半導體或者由半導體聚合物制成。類似地，RTD可以根據(jù)任何公知的方法來制造，例如將金屬配線或者金屬薄膜形成適當?shù)某叽?。可選地，RTD可以由高電阻印刷跡線形成。
[0035]使用RTD代替熱敏電阻器的缺點是首先RTD的電阻及其與溫度的關系與連接陣列的感測元件的導電跡線相似，其次電阻與溫度的相對變化與熱敏電阻器相比小。
[0036]本發(fā)明可以類似地應用于任何數(shù)量的位置解析測量，該數(shù)量可用于引起用于形成傳感器元件的材料的電導率的變化。公知的參數(shù)包括在使用的材料為壓阻的情況下的力和應變、以及在材料表現(xiàn)出光電導性情況下的光?？蛇x地，如果所述材料可以例如通過將官能團增加到傳感器中的納米粒子或者改變半導體聚合物中的摻雜水平被制成為與其當時環(huán)境中的化學物類相互作用，則如下所述的傳感器陣列可用于產(chǎn)生化學圖(chemical map)。
[0037]圖1顯示使用熱敏電阻器或RTD12的單個傳感器10的最通常的電路。所述電路包括串聯(lián)連接以能夠確定與溫度相關的電阻的固定電阻器、和用于調(diào)節(jié)測量的電壓范圍和溫度靈敏度的絕對值的可選的另外的串并混聯(lián)的電阻器。因此，除了具有電阻Rt的熱變電阻器12之外，電路還包括電阻Rm的至少一個固定測量電阻器14、可選的為電阻&的固定負載的電阻器16和可選的為電阻Rs的固定分路電阻器18。后述的電阻器與溫度無關。
[0038]當電勢V被施加到端子20時，橫跨測量電阻器14的電勢差Vm可以在中心端子22處被測量。可選地，橫跨熱敏電阻器12的電勢差Vt可以在兩個中心端子24和22之間測量。應該注意的是在電路中不存在負載電阻器16的情況下，端子20和24在電路中為等值點。
[0039]關于施加的電勢V，兩個測量電勢差如下:
Vm —Rm
j/ fIf Λ?
[0040]O I D 4-1/ 」__μ和./V1./ Τ" Jl Vt "I" JL /"Τ"
I/U Rs))，
[0041]

【權利要求】
1.一種傳感器裝置，包括以圖案設置在基板上的分隔開的多個傳感元件的陣列，每一個傳感元件包括電阻部件且被電連接成使得通過每一個傳感元件單獨測量的物理變量能夠由外部儀器記錄和/或顯示。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件是溫度感測元件，使得所述傳感器裝置為溫度感測裝置。
3.根據(jù)權利要求2所述的傳感器裝置，其中，所述溫度感測元件包括熱變電阻器。
4.根據(jù)權利要求3所述的傳感器裝置，其中，所述溫度感測元件包括負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器。
5.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件包括壓電式電阻器，使得所述感測裝置為應變或壓力感測裝置。
6.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件包括光敏電阻器，使得所述感測裝置為光學成像裝置。
7.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，至少一個傳感元件包括一系列與溫度無關的測量電阻器。
8.根據(jù)權利要求7所述的傳感器裝置，其中，所述至少一個傳感元件包括一系列與溫度無關的負載電阻器和并聯(lián)的與溫度無關的分路電阻器。
9.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件連接在共用源或?qū)懭?讀一配置中。
10.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件連接在共用輸出或者寫一-讀全配置中。
11.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件以包括X行和Y列的陣列連接在寫X-讀Y配置中。
12.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，單獨的傳感器的定位和/或尺寸被選擇為允許所述傳感器裝置匹配對象的尺寸、形狀和形式，所述對象的溫度分布圖或者另一個物理變量的分布圖將被測量。
13.根據(jù)權利要求12所述的傳感器裝置，其中，所述基板是柔性的或者適合將被測量的對象的形狀。
14.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，其中，所述傳感元件被設置成在使用中以表示被測量的物理變量的方式繪制的圖案。
15.根據(jù)權利要求1所述的傳感器裝置，包括:傳感器陣列，所述傳感器陣列包括印刷在基板上的傳感器元件。
16.根據(jù)權利要求15所述的傳感器裝置，其中，所述傳感器陣列的其它部件，包括但不限于與溫度無關的電阻器、導電跡線和絕緣體，也被印刷在所述基板上。
【文檔編號】G01L9/02GK104185780SQ201380014957
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2013年1月30日 優(yōu)先權日:2012年1月30日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·托馬斯·布里頓, 馬爾吉特·黑廷 申請人:Pst傳感器(私人)有限公司