专利名称：一种智能热释电红外线传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种红外线传感器，具体涉及一种微型化的智能型热释电红外线传感器。
背景技术：
热释电红外线传感器通常是由一种高热释电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成的红外敏感材料元件。即在每个传感器内装入一个或多个敏感材料元件，并将敏感材料元件以相反极性串联，以抑制由于自身温度变化而产生的干扰，由敏感材料元件将感应并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在传感器内的场效应管进行阻抗变换后向外输出。目前市场上的热释电红外线传感器基本上都是采用传统材料和结构构成，主要以红外敏感材料元件、红外光学滤光片、场效应三极管及金属外壳焊接而成。其工作原理是 人体辐射出中心波长为约9. 3微米的红外线，然后穿过5-14um的光学滤光片，使红外敏感材料改变自发极化状态，电荷流动产生电压信号，经场效应三极管进行阻抗变换后输出模拟信号。由于环境温度变化、人体移动距离变化均影响信号输出，传感器的输出电压在数十微伏到数百微伏之间变化且呈非线性特性。图1为传统的热释电红外线传感器的结构示意图，主要组成结构为红外光学滤光片10、红外敏感材料元件11、电阻13、场效应三极管12及金属外壳14焊接而成，其中红外光学滤光片10主要是控制通过5-14um的红外线，电阻13为匹配敏感材料的甚高电阻，通常是用敏感材料的体电阻替代，场效应三极管12为阻抗变换用，金属外壳14用于密封。为了增加传感器的灵敏度以增大感应距离，一般在传感器的前方装设一个具有光学衍射功能的菲涅尔透镜。该透镜用透明PE塑料制成，有若干螺纹和曲面结构，具有光学聚焦和斩波的的作用，它和外置放大电路相配合，再将信号放大70分贝以上，这样就可以测出5 12米范围内人的移动。由于传感器自身的输出信号微弱，后续需要数千倍率的放大调理电路及外置聚焦的曲面型塑料菲涅尔透镜才能进行检测和使用。其存在的问题是1、后续调理电路很大，难以实现微型化。2、传感器微信号放大电路技术要求高，调试困难，环境干扰大，非专业人员很难使用；3、其次是外置的菲涅耳透镜体积很大，影响产品微型化，很难在现代的数字产品上推广使用。随着IT产品的发展，传感器微型化和数字化是一种必然趋势。本实用新型就是克服上述的问题，为适合该类应用而设计的微型化器件。
发明内容本实用新型目的是为了解决上述技术问题，提供一种微型化的、智能型的热释电红外线传感器，其特点是采用嵌入式智能集成电路芯片，内部集成各种传感器电路，形成一种微型化、具有信号分析处理能力、可输出多种不同可控信号的热释电传感器。本实用新型的目的是通过以下的技术方案来实现的一种热释电红外线传感器，包括有红外敏感材料元件；外壳，包括有基板和盖板，基板中部向下凹入形成收容空间，收容空间内部用于收纳与封装红外敏感元件及集成电路芯片模块，盖板设有供红外光学衍射滤光元件使用的硅基窗口，红外敏感材料元件和集成电路芯片模块直接键合在封装材料内；红外光学衍射滤光元件，安装在硅基窗口内，其是平面型硅基菲涅尔透镜，表面设有由小到大的同心圆，底部平面蒸镀有红外增透材料层，位于红外敏感材料元件上方，同时起到红外滤光和红外聚焦双重的作用；集成电路芯片模块，其是高度集成的嵌入式集成电路芯片，其内集成有信号放大电路、模数转换电路、低通/高止滤波电路和信号输出单元。红外光学衍射滤光元件，在其表面根据光学原理，用半导体腐刻方法，设置有由小到大的同心圆，即不同斜率的锯齿槽，在另一面即透镜底部平面蒸镀有红外增透材料材料， 其作用是让5-14um红外线增透而其它波长的光线截止，置于敏感材料元件上方，具有红外滤光和红外聚焦双重作用。常用的热释电红外线敏感元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，如钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。本实用新型的红外敏感材料元件的敏感材料优选为钛酸铅陶瓷或硅基蜂窝阵列敏感元件。所述的红外光学衍射滤光元件上的同心圆为不同斜率的锯齿槽形成。为稳定芯片工作，所述的集成电路芯片模块还集成有参考电压源、温度补偿电路及内部震荡器。当人体辐射出中心波长为约9. 3微米的红外线，然后穿过5-14um的红外光学衍射滤光元件，使红外敏感材料改变自发极化状态，电荷流动产生电压信号，信号进行集成电路芯片模块，经信号放大电路、数模转换电路、低通/高止滤波电路后，由信号输出单元调理产生需要的输出信号。在集成电路芯片模块内，设有处理输出信号的信号输出单元，信号输出单元有两种方案一种方案是信号输出单元采用数字化输出单元，直接DOCI型数据输出。另一种方案是信号输出单元采逻辑“与”门判断电路。进一步，所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置输出时间电路，所述设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt。其它替代情况，所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路和设置光控阀值电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述的设置光控阀值电路连接有调整光控阀值的电阻Ro。所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路和设置输出时间电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述的设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt。[0029]所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路、设置输出时间电路和设置光控阀值电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt，所述的设置光控阀值电路连接有调整光控阀值的电阻Ro。在所述的集成电路芯片还可以根据不同的功能需求重新组合及添加各种元件和电路。本实用新型的红外线传感器的技术方案具有的有益效果采用平面型硅基菲涅尔透镜及表面添加红外滤光层，替代传统的的光学滤光片，减小体积同时具有红外滤光和红外聚焦双重作用；采用贴片形式封装，具有信号智能分析处理、数字化输出、抗干扰能力强多种功能；以红外线敏感材料与红外光学滤光片，结合嵌入式智能集成电路芯片，直接键合在封装材料内，形成一种微型化、具有信号分析处理能力、输出不同可控信号的智能热释电传感器。传感器使用贴片形式结构，特别适合数码、安防、家电、玩具等领域，市场前景广阔。

图1为传统和热释电红外线传感器的结构示意图。图2为本实用新型的实施例1至6的传感器的结构剖视图。图3为本实用新型的实施例1至6的传感器的红外光学衍射滤光元件的正视图。图4为本实用新型的实施例1至6的传感器的红外光学衍射滤光元件的剖面图。图5为本实用新型的实施例1至6的传感器的基板底部的视图。图6为本实用新型的实施例1的传感器的结构示意图。图7为本实用新型的实施例2的传感器的结构示意图。图8为本实用新型的实施例3的传感器的结构示意图。图9为本实用新型的实施例4的传感器的结构示意图。图10为本实用新型的实施例5的传感器的结构示意图。图11为本实用新型的实施例6的传感器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，详细描述本实用新型其结构及功能。实施例1 结合附图2所示，为本实施例的传感器封装的示意图，其结构主要包括有红外敏感材料元件25、红外光学衍射滤光元件20、集成电路芯片模块M及外壳。结合附图3、图4所示，红外光学衍射滤光元件20为平面型硅基菲涅尔透镜，在其表面根据光学原理，用半导体腐刻方法，设置有由小到大的同心圆201，即不同斜率的锯齿槽，在另一面蒸镀有红外增透材料层202，其作用是兼作5-14um红外线增透而其它波长的光线截止，将滤光层与透镜合二为一，置于敏感材料元件上方，具有红外滤光和红外聚焦双重作用。该红外光学衍射滤光元件20直接嵌入在传感器的外壳盖板21的硅基窗口处，并以树脂材料观粘牢，替代传统的光学滤光片，且体积小，外形美观，特别适合微型化需要。外壳包括基板22与盖板21，基板22中部向下凹入形成收容空间，收容传感器各元件，在周边还设有金属框27，用以固定焊接盖板21，基板和盖板材料为金属化陶瓷或金属化树脂材料，均作电磁屏蔽处理，以外减少界的电磁干扰。在基板的底部设有与集成电路芯片模块相连的输入、输出的引线端子23。结合附图5所示，本实施例红外传感器的输入、输出用的引线端子23为实现贴片形式，采用PCB基板背面电极，经由基板底部，与基板22上的电路电连接，从而达到与集成电路芯片模块M连接，所设置的引线端子数量可以根据输入、输出需要的连接端口数量作相应的变化。红外敏感材料元件25采用红外陶瓷敏感元件，传感器内装入两个或四个敏感材料元件25，并将敏感元件以相反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰，通常还具备对红外敏感材料进行支承的保持器沈，保持器沈直接载置于基板，通过其板上形成的必要电路，连接到集成电路芯片模块对，在保持器沈的表面还形成有必要的电极与电路以达到与集成电路芯片的电路连接。结合附图6所示，集成电路芯片模块是多种功能电路集合，采用高度集成的嵌入式集成电路芯片裸片邦定，内集成包括有信号放大电路，模数转换电路，低通/高止滤波电路及信号输出单元，为稳定芯片工作，其内部设计有参考电压源，温度补偿电路以及内部震荡器。当人体辐射出中心波长为约9. 3微米的红外线，然后穿过5-14um的红外光学衍射滤光元件，使红外敏感材料改变自发极化状态，电荷流动产生电压信号，信号进行集成电路芯片模块，经信号放大、转换、滤波由信号输出单元调理产生需要的输出信号。本实施例传感器的信号输出单元为一种自定义DOCI数字化输出单元，直接DOCI 型数据输出。本实施例传感器的可以直接输出DOCI数字脉冲信号，封装后的该传感器可以输出一个14位以上的预处理数字脉冲信号，与用户的单片机I/O连接，经单片机进一步处理后灵活控制诸如安防、家电、灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。实施例2 结合附图2所示，本实施例传感器的结构同实施例1，其结构主要包括有红外敏感材料元件25、红外光学衍射滤光元件20、集成电路芯片模块M及外壳。结合附图3、图4所示，红外光学衍射滤光元件20为平面型硅基菲涅尔透镜，在其表面根据光学原理，用半导体腐刻方法，设置有由小到大的同心圆201，即不同斜率的锯齿槽，在另一面蒸镀有红外增透材料层202，其作用是兼作5-14um红外线增透而其它波长的光线截止，将滤光层与透镜合二为一，置于敏感材料元件上方，具有红外滤光和红外聚焦双重作用。该红外光学衍射滤光元件20直接嵌入在传感器的外壳盖板21的硅基窗口处，并以树脂材料观粘牢，替代传统的光学滤光片，且体积小，外形美观，特别适合微型化需要。外壳包括基板22与盖板21，基板22中部向下凹入形成收容空间，收容传感器各元件，在周边还设有金属框27，用以固定盖板观，基板和盖板材料为金属化陶瓷或金属化树脂材料，均作电磁屏蔽处理，以外减少界的电磁干扰。在基板的底部设有与集成电路芯片模块相连的输入、输出的引线端子23。结合附图5所示，本实施例红外传感器的输入、输出用的引线端子23为实现贴片形式，采用PCB基板背面电极，经由基板底部，与基板22上的电路电连接，从而达到与集成电路芯片模块M连接，所设置的引线端子数量可以根据输入输出需要的连接端口数量作相应的变化。[0059]红外敏感材料元件25采用红外陶瓷敏感元件，传感器内装入两个或四个敏感材料元件25，并将敏感元件以相反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰，通常还具备对红外敏感材料进行支承的保持器沈，保持器沈直接载置于基板，通过其板上形成的必要电路，连接到集成电路芯片模块对，在保持器沈的表面还形成有必要的电极与电路以达到与集成电路芯片的电路连接。结合附图7所示，集成电路芯片模块是多种功能电路集合，采用高度集成的嵌入式集成电路芯片裸片邦定，内集成包括有信号放大电路，模数转换电路，低通/高止滤波电路及信号输出单元，为稳定芯片工作，其内部设计有参考电压源，温度补偿电路以及内部震荡器。本实施例传感器的信号输出单元为逻辑“与”门判断电路，灵敏度置于最高状态， 输出信号是随人体移动的同步脉冲信号。该传感器可以输出随人体移动的同步脉冲信号，直接驱动单片机I/O、LED和其它需要直接监控的单元，灵活控制诸如安防、家电、灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。实施例3 结合附图8所示及参照实施例2，本实施例传感器的信号输出单元为逻辑“与”门判断电路，灵敏度置于最高状态。本实施例与实施例2的不同之处在于，该逻辑“与”门判断电路连接有一个设置输出时间电路，设置输出时间电路通过相连接的电阻Rt来调整时间，输出信号为随人体移动有效的高电平REL。该传感器可以直接输出随人体移动的、具有时间常数的、具有一定驱动能力的高电平REL。可以直接驱动单片机I/0、LED和其它需要直接监控的单元，灵活控制诸如安防、 家电、灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。实施例4 结合附图9所示及参照实施例2，本实施例传感器的信号输出单元为逻辑“与”门判断电路，灵敏度置于最高状态。本实施例与实施例2的不同之处在于，该逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路和设置光控阀值电路，设置灵敏度电路连接有用于调整灵敏度的电阻Rs，设置光控阀值电路连接有用于调整光控阀值的电阻Ro，输出信号为随人体移动有效的脉冲信号。该传感器直接输出随人体移动的、具有时间常数的、具有一定驱动能力的脉冲信号。可以直接驱动单片机I/0、LED和其它需要直接监控的单元。灵活控制诸如安防、家电、 灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。实施例5:结合附图10所示及参照实施例2，本实施例传感器的信号输出单元为逻辑“与”门判断电路，灵敏度置于最高状态。本实施例与实施例2的不同之处在于，该逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路和设置输出时间电路，设置灵敏度电路连接有用于调整灵敏度的电阻Rs，设置输出时间电路连接有用于调整时间的电阻Rt，输出信号为随人体移动有效的高电平REL。该传感器可以直接输出随人体移动的、具有灵敏度可调整的、且具有时间常数的、 具有一定驱动能力的高电平REL。可以直接驱动单片机I/0、LED和其它需要直接监控的单元。灵活控制诸如安防、家电、灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。实施例6 结合附图11所示及参照实施例2，本实施例传感器的信号输出单元为逻辑“与”门判断电路，灵敏度置于最高状态。本实施例与实施例2的不同之处在于，该逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路、设置输出时间电路和设置光控阀值电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt，所述的设置光控阀值电路连接有调整光控阀值的电阻Ro，输出信号为随人体移动有效的高电平REL。该传感器可以直接输出随人体移动的、具有灵敏度可调整的、具有时间常数的、光阀值可控的、具有一定驱动能力的高电平REL。可以直接驱动单片机I/O、LED和其它需要直接监控的单元。灵活控制诸如安防、家电、灯具、玩具、通信产品的红外感应功能。尽管以上描述了本实用新型的较佳实施例，应当理解本实用新型的范围并非由所述的实施例所限制。各实施例可以单独使用和组合使用，以封装成不同系列的产品。
权利要求1.一种智能热释电红外线传感器，其特征是包括有红外敏感材料元件；外壳，包括有基板和盖板，基板中部向下凹入形成收容空间，收容空间内部用于收纳与封装红外敏感元件及集成电路芯片模块，盖板设有供红外光学衍射滤光元件使用的硅基窗口，红外敏感材料元件和集成电路芯片模块直接键合在封装材料内；红外光学衍射滤光元件，安装在硅基窗口内，其是平面型硅基菲涅尔透镜，表面设有由小到大的同心圆，底部平面蒸镀有红外增透材料层，位于红外敏感材料元件上方，同时起到红外滤光和红外聚焦双重的作用；集成电路芯片模块，其是高度集成的嵌入式集成电路芯片，其内集成有信号放大电路、 模数转换电路、低通/高止滤波电路和信号输出单元。
2.根据权利要求1所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的集成电路芯片模块还集成有参考电压源、温度补偿电路及内部震荡器，以稳定芯片工作。
3.根据权利要求1所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的红外光学衍射滤光元件上的同心圆为不同斜率的锯齿槽。
4.根据权利要求2所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的信号输出单元为数字化输出单元。
5.根据权利要求2所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的信号输出单元为逻辑“与”门判断电路。
6.根据权利要求5所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置输出时间电路，所述设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt。
7.根据权利要求5所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路和设置光控阀值电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述的设置光控阀值电路连接有调整光控阀值的电阻Ro。
8.根据权利要求5所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路和设置输出时间电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述的设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt。
9.根据权利要求5所述的热释电红外线传感器，其特征在于所述的逻辑“与”门判断电路还连接有设置灵敏度电路、设置输出时间电路和设置光控阀值电路，所述的设置灵敏度电路连接有调整灵敏度的电阻Rs，所述设置输出时间电路连接有调整时间的电阻Rt，所述的设置光控阀值电路连接有调整光控阀值的电阻Ro。
专利摘要本实用新型涉及一种微型化的智能型热释电红外线传感器。一种智能热释电红外线传感器，其特征是包括有红外敏感材料元件；外壳，包括有基板和盖板，基板中部向下凹入形成收容空间，收容空间内部用于收纳与封装红外敏感元件及集成电路芯片模块，盖板设有供红外光学衍射滤光元件使用的硅基窗口；红外光学衍射滤光元件，安装在硅基窗口内，其是平面型硅基菲涅尔透镜，底部平面蒸镀有红外增透材料层；集成电路芯片模块，其是高度集成的嵌入式集成电路芯片，其内集成有信号放大电路、模数转换电路、低通/高止滤波电路和信号输出单元。采用嵌入式智能集成电路芯片，内部集成各种传感器电路，形成一种微型化、智能型可输出多种可控信号的热释电传感器。
文档编号G01J5/08GK202188910SQ201120256960
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者郑国恩 申请人:郑国恩