一種智能熱釋電紅外線傳感器的製作方法

2024-01-21 12:59:15 2

專利名稱：一種智能熱釋電紅外線傳感器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種紅外線傳感器，具體涉及一種微型化的智能型熱釋電紅外線傳感器。
背景技術：
熱釋電紅外線傳感器通常是由一種高熱釋電係數的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等製成的紅外敏感材料元件。即在每個傳感器內裝入一個或多個敏感材料元件，並將敏感材料元件以相反極性串聯，以抑制由於自身溫度變化而產生的幹擾，由敏感材料元件將感應並接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在傳感器內的場效應管進行阻抗變換後向外輸出。目前市場上的熱釋電紅外線傳感器基本上都是採用傳統材料和結構構成，主要以紅外敏感材料元件、紅外光學濾光片、場效應三極體及金屬外殼焊接而成。其工作原理是 人體輻射出中心波長為約9. 3微米的紅外線，然後穿過5-14um的光學濾光片，使紅外敏感材料改變自發極化狀態，電荷流動產生電壓信號，經場效應三極體進行阻抗變換後輸出模擬信號。由於環境溫度變化、人體移動距離變化均影響信號輸出，傳感器的輸出電壓在數十微伏到數百微伏之間變化且呈非線性特性。圖1為傳統的熱釋電紅外線傳感器的結構示意圖，主要組成結構為紅外光學濾光片10、紅外敏感材料元件11、電阻13、場效應三極體12及金屬外殼14焊接而成，其中紅外光學濾光片10主要是控制通過5-14um的紅外線，電阻13為匹配敏感材料的甚高電阻，通常是用敏感材料的體電阻替代，場效應三極體12為阻抗變換用，金屬外殼14用於密封。為了增加傳感器的靈敏度以增大感應距離，一般在傳感器的前方裝設一個具有光學衍射功能的菲涅爾透鏡。該透鏡用透明PE塑料製成，有若干螺紋和曲面結構，具有光學聚焦和斬波的的作用，它和外置放大電路相配合，再將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出5 12米範圍內人的移動。由於傳感器自身的輸出信號微弱，後續需要數千倍率的放大調理電路及外置聚焦的曲面型塑料菲涅爾透鏡才能進行檢測和使用。其存在的問題是1、後續調理電路很大，難以實現微型化。2、傳感器微信號放大電路技術要求高，調試困難，環境幹擾大，非專業人員很難使用；3、其次是外置的菲涅耳透鏡體積很大，影響產品微型化，很難在現代的數字產品上推廣使用。隨著IT產品的發展，傳感器微型化和數位化是一種必然趨勢。本實用新型就是克服上述的問題，為適合該類應用而設計的微型化器件。
發明內容本實用新型目的是為了解決上述技術問題，提供一種微型化的、智能型的熱釋電紅外線傳感器，其特點是採用嵌入式智能集成電路晶片，內部集成各種傳感器電路，形成一種微型化、具有信號分析處理能力、可輸出多種不同可控信號的熱釋電傳感器。本實用新型的目的是通過以下的技術方案來實現的一種熱釋電紅外線傳感器，包括有紅外敏感材料元件；外殼，包括有基板和蓋板，基板中部向下凹入形成收容空間，收容空間內部用於收納與封裝紅外敏感元件及集成電路晶片模塊，蓋板設有供紅外光學衍射濾光元件使用的矽基窗口，紅外敏感材料元件和集成電路晶片模塊直接鍵合在封裝材料內；紅外光學衍射濾光元件，安裝在矽基窗口內，其是平面型矽基菲涅爾透鏡，表面設有由小到大的同心圓，底部平面蒸鍍有紅外增透材料層，位於紅外敏感材料元件上方，同時起到紅外濾光和紅外聚焦雙重的作用；集成電路晶片模塊，其是高度集成的嵌入式集成電路晶片，其內集成有信號放大電路、模數轉換電路、低通/高止濾波電路和信號輸出單元。紅外光學衍射濾光元件，在其表面根據光學原理，用半導體腐刻方法，設置有由小到大的同心圓，即不同斜率的鋸齒槽，在另一面即透鏡底部平面蒸鍍有紅外增透材料材料， 其作用是讓5-14um紅外線增透而其它波長的光線截止，置於敏感材料元件上方，具有紅外濾光和紅外聚焦雙重作用。常用的熱釋電紅外線敏感元件的材料有陶瓷氧化物和壓電晶體，如鈦酸鋇、鉭酸鋰、硫酸三甘肽及鈦鉛酸鉛等。本實用新型的紅外敏感材料元件的敏感材料優選為鈦酸鉛陶瓷或矽基蜂窩陣列敏感元件。所述的紅外光學衍射濾光元件上的同心圓為不同斜率的鋸齒槽形成。為穩定晶片工作，所述的集成電路晶片模塊還集成有參考電壓源、溫度補償電路及內部震蕩器。當人體輻射出中心波長為約9. 3微米的紅外線，然後穿過5-14um的紅外光學衍射濾光元件，使紅外敏感材料改變自發極化狀態，電荷流動產生電壓信號，信號進行集成電路晶片模塊，經信號放大電路、數模轉換電路、低通/高止濾波電路後，由信號輸出單元調理產生需要的輸出信號。在集成電路晶片模塊內，設有處理輸出信號的信號輸出單元，信號輸出單元有兩種方案一種方案是信號輸出單元採用數位化輸出單元，直接DOCI型數據輸出。另一種方案是信號輸出單元採邏輯「與」門判斷電路。進一步，所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置輸出時間電路，所述設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt。其它替代情況，所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路和設置光控閥值電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述的設置光控閥值電路連接有調整光控閥值的電阻Ro。所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路和設置輸出時間電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述的設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt。[0029]所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路、設置輸出時間電路和設置光控閥值電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt，所述的設置光控閥值電路連接有調整光控閥值的電阻Ro。在所述的集成電路晶片還可以根據不同的功能需求重新組合及添加各種元件和電路。本實用新型的紅外線傳感器的技術方案具有的有益效果採用平面型矽基菲涅爾透鏡及表面添加紅外濾光層，替代傳統的的光學濾光片，減小體積同時具有紅外濾光和紅外聚焦雙重作用；採用貼片形式封裝，具有信號智能分析處理、數位化輸出、抗幹擾能力強多種功能；以紅外線敏感材料與紅外光學濾光片，結合嵌入式智能集成電路晶片，直接鍵合在封裝材料內，形成一種微型化、具有信號分析處理能力、輸出不同可控信號的智能熱釋電傳感器。傳感器使用貼片形式結構，特別適合數碼、安防、家電、玩具等領域，市場前景廣闊。

圖1為傳統和熱釋電紅外線傳感器的結構示意圖。圖2為本實用新型的實施例1至6的傳感器的結構剖視圖。圖3為本實用新型的實施例1至6的傳感器的紅外光學衍射濾光元件的正視圖。圖4為本實用新型的實施例1至6的傳感器的紅外光學衍射濾光元件的剖面圖。圖5為本實用新型的實施例1至6的傳感器的基板底部的視圖。圖6為本實用新型的實施例1的傳感器的結構示意圖。圖7為本實用新型的實施例2的傳感器的結構示意圖。圖8為本實用新型的實施例3的傳感器的結構示意圖。圖9為本實用新型的實施例4的傳感器的結構示意圖。圖10為本實用新型的實施例5的傳感器的結構示意圖。圖11為本實用新型的實施例6的傳感器的結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及具體實施例，詳細描述本實用新型其結構及功能。實施例1 結合附圖2所示，為本實施例的傳感器封裝的示意圖，其結構主要包括有紅外敏感材料元件25、紅外光學衍射濾光元件20、集成電路晶片模塊M及外殼。結合附圖3、圖4所示，紅外光學衍射濾光元件20為平面型矽基菲涅爾透鏡，在其表面根據光學原理，用半導體腐刻方法，設置有由小到大的同心圓201，即不同斜率的鋸齒槽，在另一面蒸鍍有紅外增透材料層202，其作用是兼作5-14um紅外線增透而其它波長的光線截止，將濾光層與透鏡合二為一，置於敏感材料元件上方，具有紅外濾光和紅外聚焦雙重作用。該紅外光學衍射濾光元件20直接嵌入在傳感器的外殼蓋板21的矽基窗口處，並以樹脂材料觀粘牢，替代傳統的光學濾光片，且體積小，外形美觀，特別適合微型化需要。外殼包括基板22與蓋板21，基板22中部向下凹入形成收容空間，收容傳感器各元件，在周邊還設有金屬框27，用以固定焊接蓋板21，基板和蓋板材料為金屬化陶瓷或金屬化樹脂材料，均作電磁屏蔽處理，以外減少界的電磁幹擾。在基板的底部設有與集成電路晶片模塊相連的輸入、輸出的引線端子23。結合附圖5所示，本實施例紅外傳感器的輸入、輸出用的引線端子23為實現貼片形式，採用PCB基板背面電極，經由基板底部，與基板22上的電路電連接，從而達到與集成電路晶片模塊M連接，所設置的引線端子數量可以根據輸入、輸出需要的連接埠數量作相應的變化。紅外敏感材料元件25採用紅外陶瓷敏感元件，傳感器內裝入兩個或四個敏感材料元件25，並將敏感元件以相反極性串聯，以抑制由於自身溫度升高而產生的幹擾，通常還具備對紅外敏感材料進行支承的保持器沈，保持器沈直接載置於基板，通過其板上形成的必要電路，連接到集成電路晶片模塊對，在保持器沈的表面還形成有必要的電極與電路以達到與集成電路晶片的電路連接。結合附圖6所示，集成電路晶片模塊是多種功能電路集合，採用高度集成的嵌入式集成電路晶片裸片邦定，內集成包括有信號放大電路，模數轉換電路，低通/高止濾波電路及信號輸出單元，為穩定晶片工作，其內部設計有參考電壓源，溫度補償電路以及內部震蕩器。當人體輻射出中心波長為約9. 3微米的紅外線，然後穿過5-14um的紅外光學衍射濾光元件，使紅外敏感材料改變自發極化狀態，電荷流動產生電壓信號，信號進行集成電路晶片模塊，經信號放大、轉換、濾波由信號輸出單元調理產生需要的輸出信號。本實施例傳感器的信號輸出單元為一種自定義DOCI數位化輸出單元，直接DOCI 型數據輸出。本實施例傳感器的可以直接輸出DOCI數字脈衝信號，封裝後的該傳感器可以輸出一個14位以上的預處理數字脈衝信號，與用戶的單片機I/O連接，經單片機進一步處理後靈活控制諸如安防、家電、燈具、玩具、通信產品的紅外感應功能。實施例2 結合附圖2所示，本實施例傳感器的結構同實施例1，其結構主要包括有紅外敏感材料元件25、紅外光學衍射濾光元件20、集成電路晶片模塊M及外殼。結合附圖3、圖4所示，紅外光學衍射濾光元件20為平面型矽基菲涅爾透鏡，在其表面根據光學原理，用半導體腐刻方法，設置有由小到大的同心圓201，即不同斜率的鋸齒槽，在另一面蒸鍍有紅外增透材料層202，其作用是兼作5-14um紅外線增透而其它波長的光線截止，將濾光層與透鏡合二為一，置於敏感材料元件上方，具有紅外濾光和紅外聚焦雙重作用。該紅外光學衍射濾光元件20直接嵌入在傳感器的外殼蓋板21的矽基窗口處，並以樹脂材料觀粘牢，替代傳統的光學濾光片，且體積小，外形美觀，特別適合微型化需要。外殼包括基板22與蓋板21，基板22中部向下凹入形成收容空間，收容傳感器各元件，在周邊還設有金屬框27，用以固定蓋板觀，基板和蓋板材料為金屬化陶瓷或金屬化樹脂材料，均作電磁屏蔽處理，以外減少界的電磁幹擾。在基板的底部設有與集成電路晶片模塊相連的輸入、輸出的引線端子23。結合附圖5所示，本實施例紅外傳感器的輸入、輸出用的引線端子23為實現貼片形式，採用PCB基板背面電極，經由基板底部，與基板22上的電路電連接，從而達到與集成電路晶片模塊M連接，所設置的引線端子數量可以根據輸入輸出需要的連接埠數量作相應的變化。[0059]紅外敏感材料元件25採用紅外陶瓷敏感元件，傳感器內裝入兩個或四個敏感材料元件25，並將敏感元件以相反極性串聯，以抑制由於自身溫度升高而產生的幹擾，通常還具備對紅外敏感材料進行支承的保持器沈，保持器沈直接載置於基板，通過其板上形成的必要電路，連接到集成電路晶片模塊對，在保持器沈的表面還形成有必要的電極與電路以達到與集成電路晶片的電路連接。結合附圖7所示，集成電路晶片模塊是多種功能電路集合，採用高度集成的嵌入式集成電路晶片裸片邦定，內集成包括有信號放大電路，模數轉換電路，低通/高止濾波電路及信號輸出單元，為穩定晶片工作，其內部設計有參考電壓源，溫度補償電路以及內部震蕩器。本實施例傳感器的信號輸出單元為邏輯「與」門判斷電路，靈敏度置於最高狀態， 輸出信號是隨人體移動的同步脈衝信號。該傳感器可以輸出隨人體移動的同步脈衝信號，直接驅動單片機I/O、LED和其它需要直接監控的單元，靈活控制諸如安防、家電、燈具、玩具、通信產品的紅外感應功能。實施例3 結合附圖8所示及參照實施例2，本實施例傳感器的信號輸出單元為邏輯「與」門判斷電路，靈敏度置於最高狀態。本實施例與實施例2的不同之處在於，該邏輯「與」門判斷電路連接有一個設置輸出時間電路，設置輸出時間電路通過相連接的電阻Rt來調整時間，輸出信號為隨人體移動有效的高電平REL。該傳感器可以直接輸出隨人體移動的、具有時間常數的、具有一定驅動能力的高電平REL。可以直接驅動單片機I/0、LED和其它需要直接監控的單元，靈活控制諸如安防、 家電、燈具、玩具、通信產品的紅外感應功能。實施例4 結合附圖9所示及參照實施例2，本實施例傳感器的信號輸出單元為邏輯「與」門判斷電路，靈敏度置於最高狀態。本實施例與實施例2的不同之處在於，該邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路和設置光控閥值電路，設置靈敏度電路連接有用於調整靈敏度的電阻Rs，設置光控閥值電路連接有用於調整光控閥值的電阻Ro，輸出信號為隨人體移動有效的脈衝信號。該傳感器直接輸出隨人體移動的、具有時間常數的、具有一定驅動能力的脈衝信號。可以直接驅動單片機I/0、LED和其它需要直接監控的單元。靈活控制諸如安防、家電、 燈具、玩具、通信產品的紅外感應功能。實施例5:結合附圖10所示及參照實施例2，本實施例傳感器的信號輸出單元為邏輯「與」門判斷電路，靈敏度置於最高狀態。本實施例與實施例2的不同之處在於，該邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路和設置輸出時間電路，設置靈敏度電路連接有用於調整靈敏度的電阻Rs，設置輸出時間電路連接有用於調整時間的電阻Rt，輸出信號為隨人體移動有效的高電平REL。該傳感器可以直接輸出隨人體移動的、具有靈敏度可調整的、且具有時間常數的、 具有一定驅動能力的高電平REL。可以直接驅動單片機I/0、LED和其它需要直接監控的單元。靈活控制諸如安防、家電、燈具、玩具、通信產品的紅外感應功能。實施例6 結合附圖11所示及參照實施例2，本實施例傳感器的信號輸出單元為邏輯「與」門判斷電路，靈敏度置於最高狀態。本實施例與實施例2的不同之處在於，該邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路、設置輸出時間電路和設置光控閥值電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt，所述的設置光控閥值電路連接有調整光控閥值的電阻Ro，輸出信號為隨人體移動有效的高電平REL。該傳感器可以直接輸出隨人體移動的、具有靈敏度可調整的、具有時間常數的、光閥值可控的、具有一定驅動能力的高電平REL。可以直接驅動單片機I/O、LED和其它需要直接監控的單元。靈活控制諸如安防、家電、燈具、玩具、通信產品的紅外感應功能。儘管以上描述了本實用新型的較佳實施例，應當理解本實用新型的範圍並非由所述的實施例所限制。各實施例可以單獨使用和組合使用，以封裝成不同系列的產品。
權利要求1.一種智能熱釋電紅外線傳感器，其特徵是包括有紅外敏感材料元件；外殼，包括有基板和蓋板，基板中部向下凹入形成收容空間，收容空間內部用於收納與封裝紅外敏感元件及集成電路晶片模塊，蓋板設有供紅外光學衍射濾光元件使用的矽基窗口，紅外敏感材料元件和集成電路晶片模塊直接鍵合在封裝材料內；紅外光學衍射濾光元件，安裝在矽基窗口內，其是平面型矽基菲涅爾透鏡，表面設有由小到大的同心圓，底部平面蒸鍍有紅外增透材料層，位於紅外敏感材料元件上方，同時起到紅外濾光和紅外聚焦雙重的作用；集成電路晶片模塊，其是高度集成的嵌入式集成電路晶片，其內集成有信號放大電路、 模數轉換電路、低通/高止濾波電路和信號輸出單元。
2.根據權利要求1所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的集成電路晶片模塊還集成有參考電壓源、溫度補償電路及內部震蕩器，以穩定晶片工作。
3.根據權利要求1所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的紅外光學衍射濾光元件上的同心圓為不同斜率的鋸齒槽。
4.根據權利要求2所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的信號輸出單元為數位化輸出單元。
5.根據權利要求2所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的信號輸出單元為邏輯「與」門判斷電路。
6.根據權利要求5所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置輸出時間電路，所述設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt。
7.根據權利要求5所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路和設置光控閥值電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述的設置光控閥值電路連接有調整光控閥值的電阻Ro。
8.根據權利要求5所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路和設置輸出時間電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述的設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt。
9.根據權利要求5所述的熱釋電紅外線傳感器，其特徵在於所述的邏輯「與」門判斷電路還連接有設置靈敏度電路、設置輸出時間電路和設置光控閥值電路，所述的設置靈敏度電路連接有調整靈敏度的電阻Rs，所述設置輸出時間電路連接有調整時間的電阻Rt，所述的設置光控閥值電路連接有調整光控閥值的電阻Ro。
專利摘要本實用新型涉及一種微型化的智能型熱釋電紅外線傳感器。一種智能熱釋電紅外線傳感器，其特徵是包括有紅外敏感材料元件；外殼，包括有基板和蓋板，基板中部向下凹入形成收容空間，收容空間內部用於收納與封裝紅外敏感元件及集成電路晶片模塊，蓋板設有供紅外光學衍射濾光元件使用的矽基窗口；紅外光學衍射濾光元件，安裝在矽基窗口內，其是平面型矽基菲涅爾透鏡，底部平面蒸鍍有紅外增透材料層；集成電路晶片模塊，其是高度集成的嵌入式集成電路晶片，其內集成有信號放大電路、模數轉換電路、低通/高止濾波電路和信號輸出單元。採用嵌入式智能集成電路晶片，內部集成各種傳感器電路，形成一種微型化、智能型可輸出多種可控信號的熱釋電傳感器。
文檔編號G01J5/08GK202188910SQ201120256960
公開日2012年4月11日 申請日期2011年7月20日 優先權日2011年7月20日
發明者鄭國恩 申請人:鄭國恩