热释电红外传感器 作者： Murata M 摘要 热释电传感器感知人体辐射的红外线，并将检测到的红外线输出为电信号。 检测房间内某人的侵入行为， 并用于预防犯罪等。热传感器包括衬底， 从元件到输出的电流信号的放大电路设置在衬底表面。 基板由导热系数低至 0.04 卡/厘米以下的材料。 防止热量通过基板释放。 在基板上形成孔。 放大电路放大元件对的电流信号， 从而避免了现有技术中不可避免的阻抗变换。 因此， 提高检测灵敏度， 制造传感器变得容易。
关键词： 红外传感器， 热释电元件， 灵敏度
引言 热释电红外传感器是一种具有巨大应用潜力的传感器。 它可以检测人或动物发射的红外线，并将其转换为电信号输出。 早在 1938 年, 有人提出利用热释电效应探测红外辐射， 但没有被重视。 直到六十年代， 随着激光、 红外技术的快速发展促进了热释电效应的研究和热释电晶体的应用。 近年来, 随着集成电路技术的快速发展， 以及对传感器特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也在迅速增长。 本文首先介绍了热释电传感器的原理，然后描述了相关的专用集成电路处理技术。 热释电效应。 任何高于绝对温度的自然(-273K )物体会产生红外光谱，释放不同温度的物体 红外能量的波长是不同的， 因此，红外波长与温度有关， 辐射能的大小与物体的表面温度有关。 可见光的波长通常是 1μm 以下, 而 1μm 上述光人眼是看不见的， 但辐射能量可以通过适当的仪器进行检测。 当某些晶体受热时， 晶体两端会产生数量相等、符号相反的电荷， 这是由热变化引起的 的电极化现象, 被称为热释电效应。 通常, 晶体自 极化产生的束缚电荷来自 自由电子中和附着在晶体表面的空气， 其自发极化电矩无法显示。 当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位， 自发极化变化， 晶体表面会产生电荷耗尽， 与极化程度相比，电荷耗尽的原理如下。 能产生热释电效应的晶体称为热释电体或热释电组件，其常用材料为单晶 (LiTaO3 等 ) 、 压电陶瓷(PZT 等)和聚合物薄膜(PVFZ 等)。 当以 LiTaO3 当代表热释电材料处于自极化状态时， 吸收红外线入射波后, 结晶的表面 温度改变, 自 极化也发生了变化， 晶体表面的电荷变得不平衡， 取出这种不平衡电荷的电压变化， 红外线可以测量。 热释电材料只在温度变化时产生电压， 若红外线一直照射， 没有不平衡电压， 一旦没有红外照射， 晶体表面电荷处于不平衡状态， 输出电压。 由于红外光的照射和遮挡，热释电红外传感器获得或失去热量， 从而产生电压输出。 原则上与波长无关， 但由热释电材料制成的传感器有一个透光窗， 透光窗的选材和波浪 长有关系。 如以 SiO2 为窗材传感器， 它可以通过几乎所有的可见光， 而且有些窗材只能通过 4μm 附近波长的光， 有的能透过 6.1μm 波长的光, 有的能透过 8μm~14μm 波长的光, 因此，使用不同的窗材可以确认波长光产生的热量。 量子红外光探测器 与红外光波长有关的量子红外光探测器， 其特点是灵敏度高， 响应速度快， 响应 与红外波长有关。 每个入射光子产生的能量 E=hc/λ=1124λ 式中, h ——普朗克常数，h=4.14×10-15(evs)=6.625×10-34(JS) c ——光速,c=3×1010cm/s 1μm 红外光的能量为 1.24eV , 10μm 红外光的能量为 0.12eV ,红外光的能量小于可见光。 量子红外传感器分为光导电型和光电动势型。 光导电型的组件材料包括 PbS 、 PbSe 、Hg 、 Cd 、 Te 等等，利用红外线照射时阻抗降低的特性获取检测信号； 光电动势型在 Ge 、 IrSb 形成等半导体基片 PN 当红外线照射时，会产生光电动势， Ge 禁带宽度为 0.6ev , Ge 二极管对0.6μm 和 1.9μm 的 红 外 光 较 敏 感 , 当 入 射 红 外 光 的 波 长 在0.6μm~1.9μm 时,在 PN 随着射光量的增加，结上形成的电而增加，从而通过放大可输出来探测电信号。 热释电传感器 释电传感器采用热释电效应， 它是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电制成 当传感器监测范围内的温度存在时，晶体组件由两个表面组成 ΔT 的变化时,热释电 两个电极会产生电荷效应 ΔQ ,即在两个电极之间产生微弱电压 ΔV 。 热释电红外传感器和热电偶是基于热电效应原理的热电红外传感器 ? 热释电红外传感器的热电系数远高于热电偶。 结构图 热释电红外传感器的结构如下。传感器主要有外壳， 干涉滤光片， 热释电组件 PZT 、 场效应管FET 等组成。 滤光片 人体辐射的红外线中心波长为 9~10–um, 探测组件的波长灵敏度是 0.2~20–um 范围内 几乎稳定不变。 在传感器顶部设置了一个装有滤镜的 的 窗口 , 这个滤光片 可通过光的 波长 范围 为7~10–um, 适用于人体红外辐射的检测， 滤光片吸收其他波长的红外线 收获，从而形成一种红外传感器，用于探测人体辐射。 热电组件 将高热电材料制成一定厚度的薄片 , 金属电极在两侧镀上 , 然后加电极化 , 这就制成了热释电探测元 ? 因为加电极化的电压是极性的 , 因此，极化后的探测元也是正的 ? 负极性的 ? 内部热电元由高热电系数铁钛酸铅汞陶瓷和钽酸锂组成 ? 硫酸三甘铁等 , 其极化强度 随温度的变化而变化 ? 为了抑制温度变化引起的干扰，可以将两个特征相同的热电元反向串联或连接成差动平衡电路 , 抑制自身温度升高造成的 干扰。 因此，物体释放的红外能量变化可以通过非接触式检测，并将其转换为电信号输出 ? 阻抗变换场效应管 热释电红外传感器将场效应管引入结构 阻抗变换的完成 ? 因为热电元输出电荷信号， 阻抗高达 104M ?, 故引入的 N 沟结型场效应管应连接成共漏形式， 即源极跟随器完成阻抗变换 ? 由于其输出阻抗极高， 因此，传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。 热释电效应产生的电荷 ΔQ 与空气中的离子结合消失， 当环境温度稳定时， ΔT=0, 传感器无输出。 当人体进入检测区时，由于人体温度和环境温度的差异 ΔT ,有信号输出；如果人体进入检测区后不动， 温度不变， 传感器没有输出， 因此，这种传感器可以检测人体或动物的活动。 选型参考 目前常用的热释电红外传感器型号主要有 P228、 LHl958、LHI954、 RE200B 、 KDS209、 PIS209、 LHI878、 PD632 等。 热释电红外传感器通常采用 3 引脚金属包装， 各引脚为电源供电端(内部) 部开关管 D 极, DRAIN) 、 信号输出 端 (内 部开关管 S 极, SOURCE) 、 接地端 (GROUND)。 热释电红外传感器的主要工作参数是 工作电压 (常用的热释电红外传感器工作电压范围为 3~15V) 工作波长 (通常为 7.5~14 μ m)源极电压 (通常为 0.4~1.1V , R=47k?) 输出信号电压 (通常大于 2.0V) 使用红外模块注意事项： 1、 人体传感器模块属于高度敏感的装置，对电源要求高，必须经过良好的稳压滤波， 例如 9V 由于内阻大，层叠电池可能无法正常工作， 建议客户用 LM7808 稳压芯片稳压后再通过 220UF 和0.1UF 电容滤波后供电。 2、 不连接负载时，模块可以正常工作， 接上负载后工作紊乱, 一个原因是电源容量小，负载耗电， 负载工作时引 电压波动导致模块误动， 另一个原因是负载得电会产生干扰，如继电器或电磁铁等感性负载会产生反向电势， 315M 电磁辐射会影响模块。 解决方案如下：A 、 电源部分加电感滤波。 B 、 不同的电压方法采用负载和模块， 例如：负载使用24V 工作电压, 模块使用 12V 工作电压, 其间用 LM7812 三端稳压器隔离。 C: 使用更大容量的电源。 3、 人体传感器模块的工作环境应避免阳光， 强光直接照射, 若工作环境有强烈的射频干扰， 可采取屏蔽措施。 若遇强气流干扰， 关闭门窗或阻止对流。 尽量避免感应区面对发热 电器和物体，以及易被风吹走的杂物和衣服 4、 人体传感器模块必须组装在密封的盒子里，否则总会有输出信号。 探头(PIR )通常与镜片有聚焦距离 20— 30mm 范围调整。 5、 如果红外探测器的探测角度小于 90 可以用不透明胶纸遮挡镜片或切割缩小镜片。 6、 人体传感器模块采用双探头， 手脚和头部的运动方向与感应灵敏度密切相关。如果安装不当，会影响感应效果。 7、 模块中的探头(PIR )可安装在电路板的另一侧。 探头也可以用双芯屏蔽线延长，长度应该在 2 米以内为好。
结论 热释电红外传感器价格低廉 技术性能稳定， 除了上述典型的监控报警和自动开关应用外，它还广泛应用于许多其他领域，如自动开停空调 饮水机、 电视机、 随着电子技术的发展，热释电红外传感器将在自动控制领域得到更广泛的应用。