热波红外传感器
日瓷的热波型红外线传感器(以下简称热波传感器)，到现在为止在世界各国的市场上，以人体温度检测为首的体温测量设备以及室内温度测量的冷暖气设备为中心被大量采用。了。

此外，在车辆空调、办公机器、微波炉、IH烹饪加热器等民用设备上的应用也在不断扩大。
日瓷在满足各种要求的同时，通过研究开发，进一步推进日瓷一直以来的热导传感器的高品质化、高功能化、低成本化。

本网站从日瓷的热流传感器的基本原理开始介绍应用实例，以方便各位用户的使用。
第一项介绍红外线，第二项介绍热导传感器，第三项介绍应用案例。

1.关于红外线
什么是红外线
灿烂的阳光，还有电视和收音机发送信息的电波，还有手机、无线局域网、无绳电话的电波，还有电器的遥控器的信号，这些全部统称为电磁波。那些电磁波只是波长(频率)不同而已。参见图1。根据波长(频率)的不同，电磁波可以被分类。
红外线也是电磁波的一部分，波长在0.78μm到1mm之间。红外线的波长比可视光线长，肉眼看不见。顺便说一下，与红外线相反，波长比可视光线短的叫做紫外线。

图1:电磁波频谱

温度和热能
热的物体和冷的物体接触时，热的物体会慢慢退热，相反冷的物体会慢慢升温。这并不需要什么复杂的法则，任何人都能根据自己的经验来理解。那么，为什么两种物质的温度会发生变化呢?那是因为热能从热物质转移到冷物质。热能是指物质的原子或分子的动能总量。物体有温度，也就是说物体具有热能。热能在不同温度的物质之间，从温度高的方向向温度低的方向移动。温度低的物体，由于原子和分子的运动不活跃，所以热能降低。物体受热，就会被赋予新的热能，物体的原子和分子的运动就会变得活跃，热能也会增加。通过测量这样的物体的热能变化，就可以测量温度的变化(图2)。

图2:温度和热能的关系

热的传递方式
热量是由高向低移动的，其传递方式有以下的“传导”、“对流”、“辐射”三种。热派传感器，利用其中的辐射的温度检测被使用。

导电
用冰冷的手拿暖宝宝的时候，拿暖宝宝的手会渐渐变暖。像这样接触的固体和液体的温度从高到低的移动称为传导。接触式温度计等就是利用了这种性质。

对流
把已经变温的浴缸重新烧开，水就会渐渐变暖。这是对流造成的。温暖的水和空气变轻上升，冷却的水和空气变重下降。热量会随着流动而移动。

放射
典型的热辐射是在太阳光、火炉、篝火的照射下感受到的。这是因为太阳等以红外线的形式辐射热能。所有物体都会发出红外线，温度越高，辐射量就越多。
热派传感器就是通过测量这种红外线辐射能来测量物质的温度的。

图3:热的传递方式

红外线的辐射、吸收、反射
所有的物体都会发出红外线能量，同时也会吸收来自其他物体的红外线能量。
吸收红外线时物体的温度会上升，发出红外线时温度会下降。图4显示了红外线能量的辐射和吸收以及它们各自温度的关系。
同时，物体不仅会吸收外界的红外线能量，还会反射。
在可视光线的区域中，经常反射光的物体看起来是白色的，经常吸收光的物体看起来是黑色的，同样，在红外线的区域中，经常反射光的物体被称为“白色物体”，经常吸收光的物体被称为“黑色物体”。任何物体都可以形成图5的关系。

全黑体
前面介绍了白色物体和黑色物体，其中吸收所有光的物体被称为全黑体。前面已经说过，在热平衡状态下，红外线的辐射量和吸收量是相同的，如果将图5的红外线的反射和吸收结合起来考虑，就可以得出图6的关系。
吸收红外线越多的物体，发出的红外线就越多。由于全黑体能吸收所有的光，所以与温度相同的其他物体相比，全黑体所发射的红外线量也多。

图6:表面状态与入射、吸收、辐射的关系

红外线的辐射量
完全黑体辐射的红外线量是由光线的波长和温度的关系决定的。这被称为普朗克定律。参见图7。6000k、3000k这样的数值表示温度。图表的横轴表示光线的波长，越往右，波长越长。另一方面，纵轴表示光的量(辐射量)。从这张图可以看出，温度越高，辐射出的光越多。
温度达到1000k左右时，会放射出可见光线，看起来会发出红光。进一步上升到2000k、3000k时，就会放射出短波长的光。火焰的温度越高，看起来越蓝(波长越短的可视光线)。
从这个图表可以知道，如果知道红外线的辐射率的话就能要求对象物的温度。

图7:黑体辐射谱

辐射率
全黑体的温度是根据红外线的波长和辐射量来要求的，但是在现实中，即使是相同温度的物体，根据材质和表面状态的不同，红外线的辐射量也会不同。
实际物体与全黑体相比，辐射红外线的比例会变少。
因此，全黑体和实际物体的辐射量的比率称为辐射率，用ε(伊普西隆)符号表示。因为全黑体的辐射率是1，所以普通物体的辐射率都小于1。
另外，由于辐射率根据波长、温度、表面状态等条件的不同而各不相同，即使是相同的材料也不一定会有相同的辐射率。

图9辐射率和反射率的关系

2.关于热流传感器
热泊传感器
热派传感器是热型红外检测元件之一，具有以下特点。
·在常温下工作
·不依赖波长的光谱灵敏度特性
●无需光学切割，可获得与入射能量值相应的电压输出
·价格低廉
·寿命长

热派传感器利用了塞贝克效应，产生与红外线入射能量成比例的热电动势。
热敏传感器的元件本身对波长的依赖性并不大。通过使用各种各样的窗户材料，被用于温度测量、人体检测、气体分析等方面。
日瓷的热导传感器的元件，为了得到大的输出电压，在硅衬底上串联了很多热电偶，使冷热接点之间的温度差达到最大。温接点和冷接点之间是热分离结构，在其上附有红外吸收膜。热分离结构是采用MEMS技术，通过形成薄膜实现的。元件使用塞贝克系数(热电动势)大，半导体工艺可形成的材料。
这种结构使得红外线入射メンブレン上的暖暖受光膜(温)交点,冷接点之间的温度差异[狄拉克δt]产生电动势,由此带来的热[狄拉克δv]得到。

图10热流传感器元件的结构

结构

图11剖面结构图

图12等效电路图

热流芯片
由硅微加工技术形成的中央的隔膜上构成受光薄膜部(门布朗)。
由红外线吸收膜、热电偶、热接点(中央薄膜部)、冷接点(散热部)形成热导芯片。

图13热流芯片

热电动势与热电偶
将两根不同的金属材料连接起来，形成一个电路(热电偶)，给两个接点施加温度差，电路就会产生电压。这种现象是德国物理学家托马斯·塞贝克于1821年发现的，被称为塞贝克效应。

图14塞贝克效应

只要打开电路的一端，就可以检测出电势差(热电动势)。

图15热电动势

热电动势取决于组合金属的种类和两个接点的温差，但与构成的两种金属的形状和大小无关。利用这个现象的很多温度检测端被开发了。一般利用这个现象的温度检测端称为热电偶。

基本特性和术语
元素数

■单一元素
1区域检测热模桩。为了使检测区域内的辐射能平均化，可以检测区域的平均温度。适用于耳式体温计，额式体温计，各种家电。

■双元素
2区域检测的热模桩。作为两个检测区域，可以测量各个区域内的辐射能。可以用于气体检测等。

■多重(多元件)元件
检测很多区域的热波。可以进一步细分检测区域进行测定。可用于微波炉、空调、车载空调等。

光学系统

■过滤器
一般在需要广角视角时使用。因为广角检测，得到的辐射能量大，输出灵敏度也大得到。因为是平面所以基材便宜，并且为了使之有必要的光学波长特性的涂层的选择柔软性也变高。主要用于单一元素。

■镜头
一般在需要窄角视角时使用。可以测量光斑的检测区域的温度。可以根据元件数和检测角度的设计。
因为窄角的检测，得到的辐射能量小，灵敏度输出变小。

所谓的感测波长
热导传感器在电磁波中也能检测红外线。红外线的波长比可见光长，比微波短，是在0.78μm到1mm波长范围内的电磁波。另外，红外线除了作为电磁波的性质以外，还是具有从具有绝对零度以上温度的所有物体产生的热作用的热能。

图16根据波长的电磁波的分类

3.应用
测量温度范围
是指可以测量的对象物的温度范围。
热导传感器从被测量物体接受的辐射能产生电动势。因为那个电动势是数mV，直接读取是困难的。使用放大电路作为后电路，放大微小的输出，使其达到容易读取的电平。这个时候，因为根据对放大电路的供给电压来决定输出的全量度，例如5v等的输出饱和，不可能检测超过那个的对象物的温度。
因此，根据测量温度范围和全标度电压来决定传感器的放大率，可以检测期望的温度。

信号输出和测量方法
传感器的输出称为输出电压(Sensitivity)，用电压的单位(mV)表示。
例如，热源为100°C，环境温度为25°C时，根据传感器的类型不同，大致以12mv