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中英文对照翻译
热释电红外传感器
前言
热释电红外传感器是一种非常有
应用潜力的传感器。
它能检测人或某些动物发射的红外
线并转换
成电信号输出。
早在
1938
年，
有人就提出利用热释电效应探测红外辐射，
但并未受
到重视。直到六十年代，
随着激光、
红外技术的迅速发
展，才又推动了对热释电效应的研究
和对热释电晶体的应用开发。
近年来，
伴随着集成电路技术的飞速发展，
以及对该传感器的
特性的深入研究，相关的专用集成电路处理技术也迅速增长。
本文先介绍热释电传感器的原理，然后再描述相关的专用集成电路处理技术。
热释电效应
在自然界
，任何高于绝对温度（
-273K
）的物体都将产生红外光谱，
不同温度的物体释
放的红外能量的波长是不一样的，
因此红外波
长与温度的高低是相关的，
而且辐射能量的大
小与物体表面温度
有关。
可见光的波长通常在
1
μ
m
以下，
而
1
μ
m
以上的光人眼是看不到的，
但是可以通过适当的
仪器对辐射的能量进行检测。
当一些晶体受热时，
在晶体两端将会
产生数量相等而符号相反的电荷，
这种由于热变化产生
的电极化
现象，
被称为热释电效应。
通常，
晶体
自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附
着在晶体表面的自由电子所中和，
其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时，
晶
体结构
中的正负电荷重心相对移位，
自发极化发生变化，
晶体表面就会产生电荷耗尽，
电荷耗尽的
状况
正比于极化程度，图
1
表示了热释电效应形成的原理。
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或
热释电组件，其常用的材料有单晶
(LiTaO3
等
)
、压电陶瓷（
PZT
等）及高分子薄膜（
PVFZ
等）
[2
]
当以
LiTaO3
为代表的热释
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<
/p>
温度改变，
自极化也发生改变，
结晶表面
的电荷变得不平衡，
把这种不平衡电荷的电压变化
取出来，
便可测出红外线。
热释电材料只有在温度变化时才产生电压，
如果红外线一直照射，
则没有不平衡电压，
一
旦无红外线照射时，
结晶表面电荷就处于不平衡状态，
从而输出
电压。
热释电红外线传感器因红外光线的照射与遮挡得到或
失去热量，
从而产生电压输出。
从
原理
上讲应与波长无关，
但由热释电材料做成的传感器有一个透光窗，
而透光窗的选材与波
长有关系。
如以
SiO2
为窗材的传感器，
它可以透过几乎全部的可见光，
而有的窗材只能通过
4
μ
< br>m
附近波长的光，
有的能透过
6
.1
μ
m
波长的光，
< br>有的能透过
8
μ
m~14
μ
m
波长的光，
所以
使
用不同的窗材就可确认是哪个波长的光产生的热。
量子型的红外光探测器
量子型的红外
光探测器与红外光的波长有关，
它的特点是灵敏度高，
响应速度
快，
响应
的灵敏度与红外线波长有关。每个入射光子产生的能量
E=hc/
λ
=1124
λ
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
1
μ
m
红外光的能量为
1.24eV
，
10
μ
m
红外光的能量为
0.12eV
，与可见光相比，红外线光
的能量较小。
量子型的红外传感器又分为光导电型和光电动势型两种。
光导电型的组件材料
有
PbS
、
PbSe
、
Hg
、
Cd
、
Te
等，它是利用红外线照射时阻抗减少的特点来获取检测信号的；
而光电动势型是在<
/p>
Ge
、
IrSb
等半导体基片上形成
PN
结，当红外线照射时产生光电动势，<
/p>
Ge
的禁带宽度为
0.6ev
，
Ge
二极管对
0.6<
/p>
μ
m
和
1.9<
/p>
μ
m
的红外光较敏感，当入射红外光的波
长在
0.6
μ
m~1.9
μ
m
时，在
PN
结上形成的电动势随入射光量的增大而增大，从而经放大可输出探
测电信号
。
热释电传感器
热释电传感器利用的正是热释电效应，
是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电
晶体组件组成，组件两个表面做成电极，当传感器监测范
围内温度有
Δ
T
的变化时，热释电
效应会在两个电极上会产生电荷
Δ
Q
，即在两电极之间产生一微弱电压
Δ
V
。
热释电红外传感器和热电偶都是基于热
电效应原理的热电型红外传感器
?
不同的是热释
电红外传感器的热电系数远远高于热电偶。
结构图
热
释电红外传感器的结构及内部电路见图
2
所示。
传感器主要有外壳、干涉滤光片、热释电组件
PZ
T
、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
，
而探测组件的波长灵敏度在
0.2~20--um<
/p>
范围内
几乎稳定不变。
在传感器顶端开设
了一个装有滤光镜片的窗口，
这个滤光片可通过光的波长
范围为
7~10--um
，
正好适合于人体红
外辐射的探测，
而对其它波长的红外线由滤光片予以吸
收，这样
便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
热电组件
将高热电材料制成一定厚度
的薄片
,
并在它的两面镀上金属电极
,
然后加电对其进行极
化
,
这样便制成了热释电探测元
?
由于加电极化的电压是
有极性的
,
因此极化后的探测元也是
有
正
?
负极性的
?
内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂
?
硫酸三甘铁等
,
其极化强度
随温度的变化而变化
?
为了抑制因自身温度变化
而产生的干扰可以在工艺上将两个特征一致
的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式<
/p>
,
以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
因而
能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，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
在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换
?
由于热电元输
出的
是电荷信号，
阻抗高达
10
4
M
Ω
,
故引入的
N
沟道结型场效应管应接成共漏形式，<
/p>
即源极跟随器
来完成阻抗变换
?
由于它的输出阻抗极高，
所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产
生的电荷
Δ
Q
会跟空气中的离子所结合而消失，
当环境温度稳定不变时
，
Δ
T=0
，
传感器无输
出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生
Δ
T
，则有信号输出；若人
体进入检测区后不动，
则温度没有变化，
传感器也没有输出，<
/p>
所以这种传感器能检测人体或
者动物的活动。
选型参考
目前常用的热释电
红外传感器型号主要有
P228
、
LH
l958
、
LHI954
、
RE200B
、
KDS209
、
PIS209
、
LHI878<
/p>
、
PD632
等。
热释电红外传感器通常采用
3
引脚金属封装，
各引脚分别为电源供电端
(
内
部开关管
D
极，
DRAIN)
、信号输出端
(
内部开关管
S
极，
SOURCE)
、接地端<
/p>
(GROUND)
。
热释电红外传感器的主要工作参数有
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
< br>～
14
μ
m)
源极电压
(
通常为
0.
4
～
1.1V
，
R=47k
Ω
)
输出信号电压<
/p>
(
通常大于
2.0V)
红外模块使用注意事项：
1
、人体感应器模块属于高度敏感的器件，它对电源要求很高，必须经过
良好的稳压滤波，
例如
9V
的层叠电池
就可能因为内阻较大不能正常工作，
建议客户用
LM7808<
/p>
稳压芯片稳压后
再通过
220UF
和
0.1UF
的电容滤波后供电。
2
、
模块不接负载时
能正常工作，
接上负载后工作紊乱，
一种原因是因为电源容量很
小负载
比较耗电，
负载工作时引起的电压波动导致模块误动作，
另一种原因是负载得电工作时会产
生干扰，例如继电器或者电磁
铁等感性负载会产生反向电动势，
315M
发射板工作时会有电
磁辐射等都会影响模块。解决办法如下：
A
、电源部分加电感滤波。
B
、采用负载和模块使用
不同的电压的方法，
例如：
负载使用
24V
工作电压，
模块使用
12V
工作电压，
其间用
LM781
2
三端稳压器隔离。
C:
使用更大容量的电源。
3
、
人体感应器模块工作环境应该避免阳光、
强光
直接照射，
若工作环境有强大的射频干扰，
可采用屏蔽措施。<
/p>
若遇有强烈气流干扰，
关闭门窗或阻止对流。
感应区尽量避免正对着发热
电器和物体，以及容易被风吹动的杂物和衣物
4
、人体感应器模块必须装配在密封的盒里，
否则一直会有输出信号。探头（
PIR
）与镜片有
一聚焦距离，通常在
20
—
30mm
范围调整。
5
、如果要求红外探测器的探测角度小于
90
度时，
可以用不透明胶纸遮挡镜片或裁剪缩小
镜片来实现。
6
、
人体感应器模块采用双元探头，
人体的手脚和头部运动方向与感应灵敏度有着密切的联
系，如果
设置安装不当，会影响感应效果。
7
、模块中的探头（
PIR
）可以装焊在电路板的另一面。也可
将探头用双芯屏蔽线延长，长
度应在
2
米以内为好。
结束语
热释电红外传感器具有价格低廉、技术性能稳定、开发使用简
单等特点，除了以上的监控报警和自动开关典型应用外，在众多其
它领域有广泛应用，如自动开停的空调机、饮水机、电视机、自动
< br>
拍摄人和动物活动的摄像机或数码相机等，随着电子技术发展，热
释电红外传感器必将更加广泛地应用在自动控制领域。
Pyroelectric
infrared sensor
Preface
Pyroelectric
infrared sensor is a very potential applications
of the can
detect
people
or
animals,
the
infrared
transmitter
and
converted
into
anelectrical
signal output. As early as 1938, it was
proposed detection using pyroelectric infrared
radiation
effect,
but
not
taken
seriously.
Until
the
sixties,
with
the
laser,
infrared
technology
is
developing
rapidly,
it
has
contributed
tothe
pyroelectric
effect
and
research on pyroelectric
crystals application development. In recent years,
along with
the rapid development of
integrated circuit technology, as well as the
characteristics
of the sensor depth
study of the relevant application
specific integrated circuit processing
technology is also growing rapidly.
This article first describes the
principle of the pyroelectric sensor, and then
describe the relevant ASIC processing
technology.
Pyroelectric effect
In nature, any more than the absolute
temperature (-273K) objects will have
infrared spectra, objects
at
different
temperatures the
wavelength
of infrared energy
released is not the same, so the level
of infrared wavelengths is related to temperature,
and radiation energy size and surface
temperature.
1μm wavelength of visible light is
usually less, but more than 1μm light the human
eye can not see, but can be an
appropriate instrument to detect the energy
oradiation.
When
some
of
the
crystal
is
heated,
the
crystal
will
have
an
equal
number
of
both
ends
of
the
opposite
sign
of
charge,
such
as
heat
of
changes
in
the
polarization
phenomenon, known as the pyroelectric
effect. Typically, the crystals produced by the
spontaneous polarization bound charge
is attached to the air from the surface of free
electrons in the crystal and in its
spontaneous polarization electric moment can not
be
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