红外温度传感器周边温度稳定与相应的温度补偿

保证红外温度传感器器件周边温度稳定与相应的温度补偿,往往是设计的重中之重。红外温度传感器内部结构一般都是大量的热电偶堆集在底层的硅基上。而热电偶冷端的温度变化直接影响测试精度。因此,尽量让红外温度传感器远离理热源,比如发热的电源芯片,保证红外温度传感器周边的温度稳定。

热噪声

我们常常可以看见直插型的红外温度传感器都会有一个金属外壳,这个的主要作用是为了减少热噪声。没有这个外壳的话,空气的流动带来的热噪声,可能就会影响精度。因此,对于某些特殊应用,设计建议:

在金属外壳外面再套一个金属外壳来减少热噪声。

空气是很好的隔热材料,在金属外壳和塑料盖之间留一定的间隙。

经量杜绝PCB板上的热传导,比如在芯片周围去除不必要的PCB板材来减少热传导路径。
image
(以上图片与建议来源于Melexis 红外温度传感器热与机械设计

热梯度与热源方向

有些红外温度传感器会做温度补偿功能,来达到降噪的目的。如Melexis MLX90614 会对热梯度做出补偿,这时就要特别留意热源的方向,以及红外温度传感器的放置方向。根据应用手册的要求设计,才能正在发挥温度补偿的功能。

image
(以上图片与建议来源于Melexis 红外温度传感器热与机械设计

前段时间试用了mlx90642,相比mlx90640增加了集成的dsp。我的疑问是:

我发现mlx90642在正常工作的时候是会有发热的,触摸外壳能感受到明显工作与没有工作时区别。

1,这里说的热噪声,除了外部温度细微波动,自发热带来的热是否也属于?

需要加强散热?还是加强隔热?

2,大多数图像传感器需要工作在较低温度时效果更好,mlx9064x这里红外温度传感器是否存在这个情况?

为减少环境温度对红外温度传感器的干扰,实际工作中,我一般采取以下策略:
1、硬件上:主动控温与被动隔热结合。对传感器核心部件加装微型温控模块,或者采用恒温外壳设计。同时在传感器外壳与核心部件之间填充隔热材料,减少外部热量传导,优化PCB布局,将发热元件与探测器、敏感电路分离,避免局部温升影响检测精度;
2、应用环境上,避免将传感器安装在热源附近,定期维护传感器;
3、采取红外温度传感器的温度补偿技术,通过 “硬件补偿” 与 “软件补偿” 结合,实现误差修正。

自发热是否属于热噪声的影响因素?

热噪声的核心是 “传感器对周围空气流动引起的温度波动敏感度”,其本质与传感器的热质量(Thermal Mass) 相关 —— 热质量越小,传感器对外部温度波动的响应越敏感,热噪声干扰越强。

而 MLX90642 的自发热虽不直接等同于 “空气流动引发的热噪声”,但会通过两个关键路径加剧热噪声影响:

  • 自发热会导致传感器自身温度高于环境,若散热不均,会在传感器内部或封装表面形成局部温度梯度,这种梯度会被传感器误判为 “外部目标温度变化”,间接引入噪声;
  • 自发热若持续累积,会降低传感器对 “外部细微温度波动” 的分辨能力,本质是削弱了信噪比。

因此,自发热虽不直接属于 “空气流动型热噪声”,但会通过温度梯度和灵敏度衰减间接放大热噪声干扰 ,属于需重点控制的误差源。

需加强散热还是隔热?

红外温度传感器 如Melexis MLX90614,具备热梯度补偿功能 ,但 “仍需采取措施最小化热梯度”—— 补偿功能可抵消部分温度波动影响,但无法完全消除;

推荐 “平衡策略” ,既不盲目散热,也不单纯隔热,而是通过 “控制热路径 + 提升热均匀性” 减少自发热的负面影响。

避免自发热累积

PCB 设计:

  • 在传感器周围切割散热槽(PCB Slits) ,切断来自其他电子元件的热路径。
  • 若传感器需靠近发热元件,建议将其焊接在独立子 PCB 上,通过导线 / 柔性 PCB 连接主 PCB。

阻止外部热源与传感器的热耦合,同时避免传感器自身热量通过 PCB 传导至其他区域。

提升热均匀性:

  • 加装额外金属盖(Additional Metal Cap) ,并在传感器与金属盖间使用导热胶;
  • 金属盖与塑料外壳间保留空气间隙(Air Gap)

金属盖可增加传感器的热质量,使自发热均匀分布(避免局部过热);空气是优质隔热材料,可隔绝外部温度波动

禁止 “过度隔热”

  • 不建议完全密封或使用厚隔热材料包裹传感器

过度隔热会导致自发热无法自然散出,反而加剧内部温度梯度,违背 “等温平衡”

相关应用笔记
Thermal-Mechanical-Design-Recommendations-IR-Products-Application-Note-Melexis.PDF (1.0 MB)