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熱釋電傳感器原理與應(yīng)用
一、前言
    熱釋電紅外傳感器是一種非常有應(yīng)用潛力的傳感器。它能檢測(cè)人或某些動(dòng)物發(fā)射的紅外線并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。早在1938年，有人就提出利用熱釋電效應(yīng)探測(cè)紅外輻射，但并未受到重視。直到六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用開發(fā)。近年來，伴隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，以及對(duì)該傳感器的特性的深入研究，相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)也迅速增長(zhǎng)。環(huán)芯公司本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關(guān)的專用集成電路處理技術(shù)。
    二、熱釋電效應(yīng)
    當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖1表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。Http://www.atchip.net
    能產(chǎn)生熱
    釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶（LiTaO3等）、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）[2]
    熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見圖2所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。深圳市環(huán)芯半導(dǎo)體有限公司其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm～12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。
    菲涅耳透鏡（圖3）根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時(shí)又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器（PIR）靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；二是將檢測(cè)區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號(hào)。
如果我們?cè)跓犭娫由线m當(dāng)?shù)?a href="/pro/index33.html" title="電阻" target="_blank">電阻，當(dāng)元件受熱時(shí)，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號(hào)。
三、熱釋電傳感產(chǎn)品應(yīng)用方案
    熱釋電傳感產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、防盜報(bào)警、照明控制，語音迎賓器等領(lǐng)域，隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、來客告知,你好，歡迎光臨和商場(chǎng)產(chǎn)品介紹和提示及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。除了在眾所周知的摟道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。以商場(chǎng)產(chǎn)品營(yíng)銷為例AC9010語音芯片就是一個(gè)價(jià)格低廉的產(chǎn)品方案,可以小批量生產(chǎn)，適用面廣。
    四、被動(dòng)式熱釋電紅外｛%傳感器%｝的工作原理與特性
    在自然界，任何高于絕對(duì)溫度（-273K）的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長(zhǎng)是不一樣的，因此紅外波長(zhǎng)與溫度的高低是相關(guān)的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關(guān)。
   人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會(huì)發(fā)出10mm左右特定波長(zhǎng)的紅外線,深圳環(huán)芯公司，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測(cè)人體發(fā)射的紅外線而進(jìn)行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強(qiáng)后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。被動(dòng)紅外探頭，其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反（如圖2側(cè)視圖C），環(huán)境背景輻射對(duì)兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測(cè)器無信號(hào)輸出[3]。
    五、被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn)
    不同于主動(dòng)式紅外傳感器，被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉。但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺點(diǎn)，如：
    ①信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；
    ②被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；
    ③易受射頻輻射的干擾；
    ④環(huán)境溫度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短時(shí)失靈；
⑤被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。
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    六、熱釋電紅外探頭處理芯片原理及應(yīng)用
    雖然被動(dòng)式熱釋電紅外探頭有些缺點(diǎn)，但是利用特殊信號(hào)處理方法后，
    仍然使它在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。因此，有很多生產(chǎn)商根據(jù)PIR傳感器的特性設(shè)計(jì)了專用信號(hào)處理器，比如AC9010(深圳市環(huán)芯半導(dǎo)體有限公司)，HOLTEKHT761X、PTIPT8A26XXP、WELTRENDWT8072,BISS0001。本文對(duì)專用芯片PT8A26XXP作一個(gè)應(yīng)用實(shí)例的介紹。
    陰影部分是PIR信號(hào)處理部分，有兩個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)窗口比較器、一個(gè)穩(wěn)壓器、一個(gè)系統(tǒng)振蕩器和一個(gè)邏輯控制器。其它是依賴處理結(jié)果的控制部分，這里重點(diǎn)介紹PIR信號(hào)處理部分，控制部分就簡(jiǎn)單略過。
    由于PIR信號(hào)變化緩慢、幅值小，針對(duì)該特點(diǎn)，專用信號(hào)處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：
    ①濾波放大
    普通PIR傳感器輸出信號(hào)幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續(xù)電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通帶0.3Hz～7Hz。同時(shí)，由于是處理模擬小信號(hào)，所以為了保證放大器的工作穩(wěn)定可靠，電路中特別集成了一個(gè)穩(wěn)壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電。
    ②窗口比較器
    經(jīng)過放大后的信號(hào)通過窗口比較器后檢出滿足幅值要求的信號(hào)后，再轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字脈沖信號(hào)。
    ③噪聲抑制數(shù)字信號(hào)處理
    根據(jù)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及傳感器的特性的長(zhǎng)期研究，用固定時(shí)間內(nèi)計(jì)脈沖個(gè)數(shù)和測(cè)脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號(hào)，這里由系統(tǒng)振蕩器提供時(shí)鐘源（16kHz）。
具體判別方法如下[4]：<!——[if!supportLists]——><!——[endif]——>判別操作限制在2s內(nèi)；<!——[endif]——>脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不予處理；單個(gè)有效脈沖：寬度必須大于340ms；雙脈沖，其中寬的必須大于160ms，窄的大于24ms；三個(gè)脈沖有效，每個(gè)都必須大于24ms。
經(jīng)過上述三步處理后就能準(zhǔn)確、可靠地判斷人體信號(hào)。根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)既定控制，例如報(bào)警器自動(dòng)告警，自動(dòng)開啟某個(gè)設(shè)備。PT8A26XX系列主要是用于自動(dòng)延時(shí)開關(guān)，其中延時(shí)可調(diào)，還可設(shè)定白天不工作,配合AC9010可以完成語音提醒功能。另外其它幾個(gè)公司處理器功能都基本類似，在節(jié)能領(lǐng)域應(yīng)用較廣。
    七、結(jié)論
    隨著相關(guān)信號(hào)處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，因其價(jià)格低廉、技術(shù)性能穩(wěn)定而受到廣大用戶和專業(yè)人士的歡迎，廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器，又可適用于防盜報(bào)警、來客告知及非接觸開關(guān)等紅外領(lǐng)域。除了在眾所周知的摟道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。