具有加速度傳感器的紅外傳感器以及用於運行紅外傳感器的方法

2023-07-08 02:56:41 1

具有加速度傳感器的紅外傳感器以及用於運行紅外傳感器的方法
【專利摘要】本發明涉及一種傳感器裝置（1），其具有：紅外傳感器（2），所述紅外傳感器被設計用於檢測紅外輻射並且輸出紅外圖像數據（4a）；以及至少一個加速度傳感器（3），所述加速度傳感器被設計用於檢測所述傳感器裝置（1）的瞬時加速度並且輸出加速度數據（4b），其中如果所述傳感器裝置（1）的瞬時加速度超過可預先給定的閾值，那麼所述紅外圖像數據（4a）從所述紅外傳感器（2）的輸出被阻止。
【專利說明】具有加速度傳感器的紅外傳感器以及用於運行紅外傳感器 的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種具有集成的紅外傳感器和加速度傳感器的系統以及一種用於特 別是針對民用應用來運行具有加速度傳感器的紅外傳感器的方法。

【背景技術】
[0002] 特別是在遠紅外範圍（FIR, "far infrared"（遠紅外））中的紅外傳感器被用於不 同的成像方法、例如在基於陸地的運輸工具中用於行人識別或用於熱像相機。紅外傳感器 可以以由微機電結構（MEMS，"micro electromechanical structures"（微機電結構））構 成的陣列來製造。出版物DE 10 2008 041 587 A1和W0 2007/147663 A1例如公開了基於 MEMS的紅外傳感器。
[0003] 紅外傳感器和紅外傳感器陣列除了在民用應用中之外還可以在軍事應用中被使 用，例如在用於飛彈或其它軍事飛行體的控制的成像中被使用。出版物US 6, 279, 478 B1 例如公開了紅外傳感器在爆炸飛行體中的使用。因此紅外傳感器和紅外傳感器陣列被劃分 為所謂的"雙用"產品並且可能遭受使用或出口限制，即使所述紅外傳感器和紅外傳感器陣 列本來僅僅被設置用於民用應用。
[0004] 因此存在對由於其受限的功能性而不適用於軍事應用的紅外傳感器和紅外傳感 器陣列以及用於運行紅外傳感器和紅外傳感器陣列的方法的需求，所述方法不準許在軍事 應用中使用紅外傳感器和紅外傳感器陣列或者使紅外傳感器和紅外傳感器陣列在軍事應 用中的使用不感興趣。


【發明內容】

[0005] 本發明根據一個方面提出一種傳感器裝置，該傳感器裝置具有紅外傳感器和至少 一個加速度傳感器，該紅外傳感器被構造用於檢測紅外輻射並且輸出紅外圖像數據，該至 少一個加速度傳感器被構造用於檢測傳感器裝置的瞬時加速度並且輸出加速度數據，其中 如果傳感器裝置的瞬時加速度超過預先編程的閾值，那麼紅外圖像數據從紅外傳感器的輸 出被阻止（blockiert)。
[0006] 本發明根據另一方面提出一種傳感器系統，該傳感器系統具有根據本發明的傳感 器裝置和分析電路，該分析電路被構造用於接收加速度傳感器的加速度數據並且將傳感器 裝置的瞬時加速度與預先編程的閾值進行比較，並且根據該比較在預先確定的持續時間內 阻止紅外圖像數據從紅外傳感器的輸出。
[0007] 本發明根據另一方面提出一種用於運行傳感器系統的方法，該方法具有以下步 驟：檢測傳感器系統的瞬時加速度的值；將所檢測的瞬時加速度的值與可預先給定的閾值 進行比較；如果所檢測的值沒有超過或沒有足夠長時間地超過閾值，那麼釋放紅外傳感器 的紅外圖像數據；以及如果所檢測的值在足夠長的時間段內超過了閾值，那麼阻止紅外傳 感器的紅外圖像數據或去激活紅外傳感器。
[0008] 本發明的優點 本發明的構思是，將加速度傳感器與紅外傳感器或紅外傳感器陣列集成在傳感器裝置 中，使得在傳感器裝置的、超過預先給定的閾值的加速度值情況下去激活紅外傳感器或紅 外傳感器陣列或在確定的時間段內中斷其傳感器數據輸出。為此例如可以設置分析電路， 該分析電路根據通過加速度傳感器所確定的加速度值阻止或允許紅外傳感器或紅外傳感 器陣列的數據輸出。
[0009] 該傳感器裝置的一個顯著的優點在於，可以通過該行為方式顯著地限制針對軍事 應用的可使用性，因為出現在典型的民用應用中的加速度值顯著地小於出現在典型的軍事 應用中的加速度值。
[0010] 特別有利的是，將一個或多個紅外傳感器和加速度傳感器整體地集成在襯底中。 由此可以一方面節省結構空間，另一方面由此使在太高的加速度值情況下通過修改或分離 紅外傳感器而迴避受限的傳感器數據輸出變得困難。通過不同的傳感器在襯底中的集成， 可以遵循垂直的集成方式，由此可以降低製造成本並且簡化製造過程。
[0011] 有利地，加速度傳感器可以附加地被用於確定通過紅外傳感器所檢測的對象的運 動方向。例如所檢測的對象的橫向加速度或速度可以通過對紅外傳感器的傳感器數據以及 加速度傳感器的加速度數據同時進行分析來確定。如果在運輸工具前運動的生物如行人或 野生動物被檢測到，那麼這在實施夜視儀器的情況下對於基於陸地的運輸工具、例如汽車 是特別有利的。通過確定行人或動物的運動方向，可以自動地採取躲避措施。
[0012] 按照根據本發明的傳感器裝置的一種實施方式，紅外傳感器和至少一個加速度傳 感器可以具有微機電結構。
[0013] 按照根據本發明的傳感器裝置的另一種實施方式，紅外傳感器和至少一個加速度 傳感器可以整體地被集成在半導體襯底中。
[0014] 按照根據本發明的傳感器裝置的另一種實施方式，至少一個加速度傳感器可以具 有壓阻式或電容式檢測元件。
[0015] 按照根據本發明的傳感器裝置的另一種實施方式，至少一個加速度傳感器可以被 構造用於檢測指向紅外傳感器的檢測方向上的加速度。軍事應用經常對準紅外傳感器的運 動方向上的成像方法。該使用在確定傳感器系統在紅外傳感器的視向上的加速度的情況下 例如在飛彈發射（Raketenstart)時極為有效地被禁止。
[0016] 按照根據本發明的傳感器系統的一種實施方式，分析電路此外可以被設計用於， 如果傳感器裝置的瞬時加速度比預先確定的時間段更長地超過預先編程的閾值，那麼在預 先確定的持續時間內阻止通過紅外傳感器對紅外圖像數據的輸出。這提供以下優點，即在 釋放紅外圖像數據時例如在使用傳感器系統的設備落下的情況下不考慮對閾值的短期超 過。
[0017] 按照根據本發明的傳感器系統的另一種實施方式，可預先給定的閾值可以是10g。 這提供以下優點，即該傳感器系統針對民用應用保持幾乎不受限制地可投入使用。
[0018] 按照根據本發明的方法的一種實施方式，該方法此外可以具有步驟：將紅外圖像 數據與所檢測的瞬時加速度的值組合，用以確定在紅外圖像數據中所檢測的運動的對象的 運動參數。
[0019] 本發明的實施方式的其它特徵和優點由參考附圖的隨後描述得出。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1不出根據一種實施方式的具有紅外傳感器和加速度傳感器的傳感器系統的 示意圖； 圖2示出根據另一種實施方式的具有紅外傳感器和加速度傳感器的傳感器系統的示 意圖； 圖3示出根據另一種實施方式的具有一個紅外傳感器像素和三個加速度傳感器的 MEMS傳感器裝置的示意圖； 圖4示出圖1中的傳感器裝置的橫截面的示意圖；以及 圖5示出根據另一種實施方式的用於運行傳感器系統的方法的示意圖。

【具體實施方式】
[0021] 圖1示出具有傳感器裝置1和分析電路4的傳感器系統10的示意圖。傳感器裝置 1例如可以具有紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2和至少一個加速度傳感器3。傳感器裝 置1例如可以具有基於微機電的傳感器（MEMS傳感器）並且例如以SOI技術("silicon on insulator"（絕緣體上娃)）來構造。紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2的像素（Pixel)的 數量以及加速度傳感器3的數量在圖1中僅僅示例性地被示出並且原則上不受限制。
[0022] 紅外傳感器2例如可以被設計用於檢測要映射（abzubildenden)的對象的遠紅外 範圍（FIR, "far infrared (遠紅外）"）中的福射，並且輸出紅外圖像數據4a。在此紅外傳 感器2或紅外傳感器陣列2可以具有主檢測方向，該主檢測方向基本上垂直於傳感器裝置 1的有效表面。該主檢測方向在下文中被稱為紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2的視向。
[0023] 加速度傳感器3可以被設計用於檢測傳感器裝置1的加速度並且將所檢測的加速 度的值作為加速度數據4b輸出。在此加速度傳感器3例如可以檢測加速度，所述加速度基 本上在相對於傳感器裝置1的有效表面的垂直方向上、也就是說在紅外傳感器2或紅外傳 感器陣列2的視向上出現。也可以使用其它的、在圖1中未被明確示出的加速度傳感器，所 述加速度傳感器在另外的空間方向上檢測傳感器裝置1的加速度。
[0024] 紅外圖像數據4a和加速度數據4b可以被轉交給分析電路4c，該分析電路可以組 合所述數據，以便輸出運動參數4c，所述運動參數表徵運動的對象，該對象通過紅外傳感器 2或紅外傳感器陣列2以成像的方式被檢測。
[0025] 如果傳感器裝置1的瞬時加速度超過可預先給定的閾值、例如10g，那麼通過紅外 傳感器2對紅外圖像數據4a的輸出可以被阻止。為此，分析電路4可以被設計用於，接收 加速度傳感器3的加速度數據4b並且將傳感器裝置1的瞬時加速度與預先編程的閾值進 行比較，並且根據該比較在預先確定的持續時間內阻止通過紅外傳感器2對紅外圖像數據 4a的輸出或相應地暫時去激活紅外傳感器2。預先確定的持續時間例如可以是幾秒。
[0026] 圖2示出根據另一個實施例的具有傳感器裝置1和分析電路4的傳感器系統10 的示意圖。傳感器裝置1例如可以具有紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2和至少一個加速 度傳感器3。在圖1中的傳感器裝置1和在圖2中的傳感器裝置1之間的區別基本上在於， 分析邏輯電路2c被集成到紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2中，該分析邏輯電路被設計用 於，分析加速度傳感器3的加速度數據4b並且根據該比較在預先確定的持續時間內阻止通 過紅外傳感器2對紅外圖像數據4a的輸出。
[0027] 圖3示出具有一個紅外傳感器像素2和三個加速度傳感器3、5和6的MEMS傳感 器裝置1的示意圖。紅外傳感器像素2例如可以擁有兩個串聯的二極體2a、2b作為微機電 結構（MEMS)。然而，在此二極體2a、2b的數量原則上不受限制。加速度傳感器3示例性作 為z加速度傳感器被示出，該z加速度傳感器具有MEMS檢測元件3a，該MEMS檢測元件例如 可以以壓電的方式被耦合到傳感器裝置1的襯底上。以類似的方式，加速度傳感器5和6 作為橫向加速度傳感器被不出，所述橫向加速度傳感器具有相應的MEMS檢測兀件5a或6a， 所述MEMS檢測元件例如可以以壓電的方式或以壓阻的方式被耦合到傳感器裝置1的襯底 上。該紅外傳感器像素2和三個加速度傳感器3、5和6在此整體地被集成在MEMS襯底中， 也就是說紅外傳感器像素2和三個加速度傳感器3、5和6的MEMS功能性被集成在MEMS襯 底的相同的有效表面上。紅外傳感器像素2和加速度傳感器3、5和6的整體集成提供以下 優點，即工作方式的重新編程、也就是說在超過閾值加速度的情況下紅外圖像數據4a的輸 出的阻止的取消不能容易地被執行。
[0028] 圖4示出傳感器裝置1，特別是紅外傳感器像素2和加速度傳感器3的橫截面視 圖的示意圖。傳感器裝置1可以被構造在襯底13、例如半導體襯底如矽上。在襯底13上 可以施加有外延層12或器件層12 (在SOI技術的情況下)。在外延層或器件層12之上可 以施加有例如由氧化矽構成的絕緣層11。紅外傳感器像素2可以具有摻雜的二極體島2a、 2b，所述二極體島包含用於電接觸的金屬化結構18。此外，接觸層17可以被設置作為通向 二極體島2a、2b的電引線。通過自由蝕刻步驟（Freijitzschritt)，二極體島2a、2b可以通 過在襯底13或外延層或器件層12中的島之下的空洞結構14與襯底相間隔，以便將紅外傳 感器像素2與周圍環境溫度去耦。為此，蝕刻通道可以被引入到絕緣層11中，通過所述蝕 刻通道可以實現外延層或器件層12以及襯底13的自由蝕刻。
[0029] 在同一自由蝕刻步驟中，也可以實現加速度傳感器3的檢測元件3a之下的空洞結 構15的自由蝕亥lj。檢測元件3a可以是加速度傳感器3的慣性質量（tdge Masse)並且具 有另外的金屬化結構19。加速度傳感器3例如可以相對於襯底13以電容的方式分離，或基 於壓阻效應。在此應該清楚的是，存在以MEMS結構來成形加速度傳感器3的很多可能性， 並且基本上可以自由選擇加速度傳感器3、5和6的類型。
[0030] 傳感器裝置1可以包括真空在內被封裝，使得紅外傳感器像素2和加速度傳感器 3、5和6相應地被隔離並且被保護免受外部的影響。
[0031] 圖5示出用於運行傳感器系統、特別是如結合圖1至4所描述的傳感器系統10的 方法20的示意圖。該方法20例如可以被用於將傳感器系統10的可用性限制到民用應用 如熱像相機、夜視儀器或類似的領域上。
[0032] 在第一步驟21中，首先可以檢測傳感器系統10或傳感器裝置1的瞬時加速度的 值。為此例如可以分析傳感器裝置1的加速度傳感器3、5和6中的至少一個的輸出數據 4b。該分析在此可以通過分析電路4來實現。在第二步驟22中，可以將所檢測的瞬時加速 度的值與預先編程的閾值進行比較。可預先給定的閾值在此可以根據應用情況被定義。例 如該閾值可以是l〇g。但是也可能可以將更高或更低的閾值作為程序輸入。
[0033] 在步驟23中可以確定，所檢測的瞬時加速度的值是否超過閾值。在此例如可以僅 僅進行簡單的瞬時值比較。然而也可以規定，只有當所檢測的值在至少一個可預先給定的 時間段內位於該閾值之上，才確定出超過閾值。該時間段例如可以是一秒。然而，也可以根 據應用情況更高或更低地選擇該時間段。如果在步驟23中已經確定出所檢測的值沒有超 過或沒有足夠長時間地超過閾值，那麼在步驟24中促使釋放紅外傳感器2或紅外傳感器陣 列2的傳感器數據或紅外圖像數據4a。此後在步驟21處開始可以重新檢查或監控傳感器 系統10的加速度值。
[0034] 如果在步驟23中已經確定出所檢測的值在足夠長的時間段內超過了閾值，那麼 在步驟25中促使阻止紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2的傳感器數據或紅外圖像數據4a 或去激活紅外傳感器2或紅外傳感器陣列2。該阻止或去激活可以在預先確定的持續時間 內、例如幾秒內被維持。在該持續時間到期之後才可以在步驟21處開始重新檢查或監控傳 感器系統10的加速度值。由此使得該傳感器系統10對於軍事應用是不可用的，因為在那 裡高的加速度值經常並且在較長的時間間隔上出現並且需要高的圖像重複率，以便可以跟 蹤快速飛行的對象。通過合適地預先給定閾值，可以排除傳感器系統10的軍事使用，而民 用使用沒有實質上的限制地繼續保持可能。
[0035] 如果使用合適的加速度傳感器3、5或6,也可以可選地將加速度數據4b與紅外圖 像數據4a組合，以便映射在紅外圖像數據4a中所檢測的運動的對象的運動。如果橫向加 速度傳感器5和/或6的橫向加速度值存在，那麼這例如可以在分析電路4中實現。分析 電路4於是可以輸出運輸工具或設備的運動參數4c，使得如果紅外傳感器2已經檢測到行 人、動物或其它的運動的對象，那麼例如在運輸工具的夜視儀器中使用傳感器系統10的情 況下可以基於運動軌跡採取躲避措施。
【權利要求】
1. 傳感器裝置（1)，具有： 紅外傳感器（2)，所述紅外傳感器被設計用於檢測紅外輻射並且輸出紅外圖像數據 (4a);以及 至少一個加速度傳感器（3)，所述加速度傳感器被設計用於檢測所述傳感器裝置（1) 的瞬時加速度並且輸出加速度數據（4b)， 其中如果所述傳感器裝置（1)的瞬時加速度超過預先編程的閾值，那麼所述紅外圖像 數據（4a)從所述紅外傳感器（2)的輸出被阻止。
2. 根據權利要求1所述的傳感器裝置（1 )，其中所述紅外傳感器（2)和所述至少一個加 速度傳感器（3)具有微機電結構。
3. 根據權利要求2所述的傳感器裝置（1 )，其中所述紅外傳感器（2)和所述至少一個加 速度傳感器（3)整體地被集成在半導體襯底（13)中。
4. 根據權利要求2和3之一所述的傳感器裝置（1 )，其中所述至少一個加速度傳感器 (3)具有壓阻式或電容式檢測元件（19)。
5. 根據權利要求1至4之一所述的傳感器裝置（1 )，其中所述至少一個加速度傳感器 (3)被構造用於檢測指向紅外傳感器（2)的檢測方向上的加速度。
6. 傳感器系統（10)，具有： 根據權利要求1至5之一的傳感器裝置（1);以及 分析電路（4)，所述分析電路被設計用於接收所述加速度傳感器（3)的加速度數據 (4b)並且將所述傳感器裝置（1)的瞬時加速度與可預先給定的閾值進行比較，並且根據所 述比較在預先確定的持續時間內阻止紅外圖像數據（4a)從所述紅外傳感器（2)的輸出。
7. 根據權利要求6所述的傳感器系統（10)，其中所述分析電路（4)此外被構造用於，如 果所述傳感器裝置（1)的瞬時加速度比預先確定的時間段長地超過可預先給定的閾值，那 樣在預先確定的持續時間內阻止通過所述紅外傳感器（2)對所述紅外圖像數據（4a)的輸 出。
8. 根據權利要求6和7之一所述的傳感器系統（10)，其中所述可預先給定的閾值是 10g。
9. 用於運行根據權利要求6至8之一的傳感器系統（10)的方法（20)，具有以下步驟： 檢測（21)所述傳感器系統（10)的瞬時加速度的值； 將所檢測的瞬時加速度的值與可預先給定的閾值進行比較（22); 如果所檢測的值沒有超過或沒有足夠長時間地超過所述閾值，那麼釋放（24)所述紅外 傳感器（2)的紅外圖像數據（4a);以及 如果所檢測的值在大於所確定的時間段的時間段內超過了所述閾值，那麼阻止（25)所 述紅外傳感器（2 )的紅外圖像數據（4a)或去激活所述紅外傳感器（2 )。
10. 根據權利要求9所述的方法（20)，此外具有以下步驟： 將所述紅外圖像數據（4a)與所檢測的瞬時加速度的值組合，以便確定在所述紅外圖像 數據（4a)中所檢測的運動的對象的運動參數（4c )。
【文檔編號】G01J3/51GK104145476SQ201380012466
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年1月24日 優先權日:2012年3月5日
【發明者】I.赫爾曼, C.舍林 申請人:羅伯特·博世有限公司