CN1003103B - 热电型红外探测器 - Google Patents

Abstract

本发明通过增加窗和管壳间的导电率来抑制外部噪声，通过敏感元件的内、外环电极单位面积的电动势不同来改进温度补偿。对天花板型人体检测器，使上敏感电极电动势大于下敏感电极，对壁挂型人体检测器，改进总灵敏度。通过封入同一管壳内的一对敏感元件和其它敏感元件以及辅助元件的特性差异消除独立输出信号中同时产生的噪声。由高聚物材料构成的光学元件完成聚焦和偏转，调整光线垂直入射，还能调整视场和降低成本。

Description

热电型红外探测器

一般地说，本发明涉及热电型红外探测器，具体地说，本发明涉及如下改进和设计：敏感元件电动势的调整，敏感元件的尺寸大小和电学连接方法，敏感元件与其它辅助元件或部件的匹配，以及增设主要用于侵入报警系统的光学元件。

众所周知，同心园形状的敏感元件最适合用于安装在较高位置例如天花板等处的红外探测器上，并且每个敏感电极面积相同的多个敏感元件是最适合上述应用的。

显然，在一个基片上设置一对敏感电极在制造过程中是有效可行的，而且已经认识到，更符合要求的是一对敏感电极以及辅助元件具有互相对称或相似的特性。

此外，人们还知道，在制造过程中，在红外探测器上要安装一个由SiO做的，带有抗反射膜的，昂贵的新月形负透镜。

然而，具有同心园形状和相同敏感电极面积的敏感元件用于安装在上部即较高位置的红外探测器中，因为不能进行很好的温度补偿，会出现严重失误，随着环境温度的改变给出错误的报警信号。

在一个管壳里装有两对相同材料、相同特性的敏感元件及其辅助元件的红外探测器，能得到分别来自每对敏感元件的独立信号。但是，即使这些独立信号经过与门电路处理，由于每个敏感元件与信号同时产生白噪声或尖峰噪声，仍然不可避免地会引起错误的报警信号。

为提高适于安装在墙上的(壁挂型)侵入报警系统红外探测器的可靠性和灵敏度，本发明对上述几点进行了研究和改进。

本发明提供一种特别适于用在侵入报警系统中的红外探测器，改进了上述探测器的特性和可靠性，而且具有更广泛的用途。

本发明的红外探测器调整装设在较高位置的探测器的每单位敏感电极面积的电动势，实现金温度补偿，还给每一对敏感元件装配具有某些不同特性的辅助元件，避免由于环境改变而同时产生的白噪声和尖峰噪声。

图1是包含有红外探测器的实施本发明的各个部件的示意图。

首先，图1中给出一个实例，光学元件O₁和O₂装在具有滤光特性的窗1前，与管壳2的内壁导电性粘结的部分有开孔，用以在其顶部装配窗。

进而，图1表示安装在管壳内的，用于两种敏感元件的具有代表性的基片(在该基片上放置两种敏感电极)，即具有同心园形状敏感元件，且装配时须垫高的基片3C，和可以由一片或两片基片组成，有两组成对的敏感元件的基片3P_b，3P_a。图的下部给出了除敏感元件之外的其它电子元件4(仅仅是场效应晶体管、电阻、电容器、集成电路等的一部分)和组配所说的元件的管座5。为清楚起见，还进一步给出了敏感元件6的纵剖面。敏感元件6有装在基片3的上表面的前电极61，和装在基片背面的背电极62，基片3由热电材料制成。

敏感元件包括在上表面和背面的两个相对电极，通常在上述电极上做出一个引出电极，以便将敏感元件电连接到固定的位置。本例中没有在图内详细画出这一点，因为考虑到对本发明的内容没有必要。

图2a是装在较高位置的通常的红外探测器的同心园形状敏感电极的俯视图。

图2b是本发明的同心园形状敏感电极的俯视图。

图2a和2b表示同心地置于基片3上的两个敏感电极611和612。在图2b中，敏感电极612内表示出一块没有电极的区域41，它是未极化的。

另一方面，图3a，3b，3c和3e分别表示不是用于放置在较高位置，而是用作壁挂型探测器的每种基片，以及如何在每种基片上放置敏感电极。

图3a，四分之一园形的敏感电极511，512，521和522排列在由热电材料制成的基片3上，如图4c和4d所示，敏感电极的导线以极性串联相对或极性并联相对的形式各自独立地接到场效应晶体管1、场效应晶体管2上。在图3b中，四个方形敏感电极排列在一个基片3上，电极数码与图3a中相同，尽管所说的敏感电极与图3a，3d，3e中的不同。在图3c，3d，3e中也采用同样的方式。

图3c表示四片敏感电极的电学连接，两个敏感电极组成一对，从左边数起奇数号为一对，偶数号为一对，横向排列，它们以极性并联相对或极性串联相对的形式连接。

图3d表示两块分开的基片3a和3b，每片上各有一对敏感电极。

图3e表示上下排列的敏感电极的面积在大小上有差别。

图4a和4b表示敏感电极以极性串联相对或极性并联相对的形式的基本电学连接。另外，图4c和4d表示发明红外探测器的典型电学连接，并表示敏感元件511，512，521，522和其它电子元件(电阻、场效应晶体管)。如果需要，可以在管壳中包含集成电路，如虚线所示，但是图4中略去了集成电路。

图5是表示装配了的本发明的有四片敏感元件的红外探测器的纵剖面图，其中，所说的基片3、一个电阻(图中未画出)、场效应晶体管和其它电子元件4都装在支架72上，管壳2罩着支架。管壳2的顶部有起密封作用的窗口。

图6表示所说的红外探测器在某环境下噪声信号的输出特性等。

图7表示在含有一个透镜91的壁挂型探测器Ws中，敏感元件Eu的感测距离Du和敏感元件E1的感测距离D1，前者由前敏感电极511(512)组成，后者由背敏感电极521(522)组成，在园形中放大了这个部分。

图8a表示对于通常的红外探测器，当红外能量由红外辐射体S辐射时，在基片3上的同心园形状的敏感电极611和612检测由光学透镜101会聚的能量的情况。

图8b是光路图，在红外辐射体S和敏感电极之间的光路上放置一个会聚透镜101，然后放置一个凹透镜O₁(102)，这是本发明在所说的会聚透镜101和敏感电极之间的光路上的特点。

图9a，9b，9c用纵剖面图表示装有凹透镜或具有同样功能的菲涅尔透镜的红外探测器，仅画出了有关部分。

图9a中，凹透镜102装在做成的红外探测器的管壳2的顶部，在图9b中，上面所说的透镜102装在滤光器1和敏感元件6之间。

在图9c中，具有与所说的透镜102同样功能的菲涅尔透镜102装在滤光器1和敏感元件6之间。

图10a为本发明的红外探测器的剖面图，该探测器上装着带有嵌合部1211的光学元件，该光学元件具有广角聚光功能，并且该探测器还包括装有敏感元件的基片3，支承3a和3b的支架122，和其上装有除了敏感元件之外的其它电子元件的垫块123。

图10b是通常的近红外探测器的剖面图，其中由SiO制成的广角会聚透镜121仅由支架124支承，并且敏感元件125放在滤光器126的背面，很清楚，这样的结构抗外部噪声信号的能力很差，并且因为探测目标不同于本发明的远红外探测器的目标，所以这样的结果也是势所必然。

本发明的目的是降低成本、扩大使用，它通过下述方法实现：新的调整敏感元件每单位面积的电动势效率的方法，该敏感元件具有在一个基片上的同心园形状的敏感电极；通过改变每两个敏感元件为一对的敏感电极的面积而得到的不同的电路连接方法；红外探测器管壳内的电子元件性能的新的构成方法，该红外探测器通过预设的连接电路得到封在一个管壳内的多个敏感元件产生的多个信号。

为了清楚系统地介绍本发明的结构，图1给出透视图。介绍为扩大应用和改进红外探测器的性能，被设计来调整广角或会聚光的方向的光学元件O₁，O₂。

下面将介绍在基片3c上装有敏感电极的敏感元件与在一个基片上至少有两对敏感电极的多个敏感元件之间，或者与电子元件4之间的相互关系。

装有上述元件的管座5在本发明中没有特殊的意义，但是，因为它是一个整体的部分，所以它的草图也表示在图1中。

为了使这里所提到的术语更清楚，敏感元件6的结构以纵剖面图的形式作为一个实例示于图1中。该敏感元件由前电极61、背电极62、基片3C或3P₁，3P_a组成。

因为敏感电极的含义是指其中间夹着基片的前电极与背电极相对的部分，所以起引线端子作用的前电极和背电极的连续延伸部分不是敏感电极。

下面按顺序参考附图详细介绍本发明的细节。

两个敏感电极组成一对，两对敏感元件放到一个基片或多个基片3，3a，3b上，从而提高用于人体检测的红外探测器的可靠性。图3a，3b，3c，3e以举例方式表示敏感元件的配置。

电子元件每对以极性串联相对或极性并联相对的形式分别与场效应晶体管相接。

在一个管壳内，极性并联相对连接的一对敏感元件与极性串联相对连接的另一对敏感元件相结合，也属于本发明，而且组成一对的两个敏感元件的特性最好应该是相同的，尽管图中省略了，但是在某些情况下，理想的是两个敏感元件的特性，包括其大小，互相不同。

例如，如图7所示，在红外探测器用作壁挂型人体检测器时，敏感元件6探测较低位置的一对，包括分别位于上、下位置的敏感元件Eu，El的两对敏感元件中的一对，比位于较高位置的另一对敏感元件覆盖范围窄，两者通过同样的透镜91接收，所以，位于较低位置的一对敏感元件的灵敏度可以低于位于较高位置的一对敏感元件的灵敏度。

换言之，本发明包括如下的考虑：使上面一对敏感元件的尺寸大于下面的一对，如图3e所示，这个设计是为了满足灵敏度要求，使灵敏度与位于上、下位置的敏感元件各自的探测距离Du，Dl成比例，以便有效地分隔利用基片3的有限面积。

本发明的主要内容之一是具有多对元件(至少由两对敏感元件组成，它们有独立的输出端)的红外探测器的每对元件相互之间具有不同性质。

作为一个例子，包括两对敏感元件的红外探测器的截面图示于图5。若连接到每对敏感元件的所有电子元件都具有相同的性质，很低频率的尖峰噪声则会同时出现于各个独立的输出端，所以使用与门电路不可能防止由尖峰噪声引起的错误报警，这样就不可能生产具有高可靠性的人体检测器。

如果根据本发明的特征，每对敏感元件的电子元件具有不同的特性，那么，因为输出1的分量与输出2的分量之间的差别，即输出1倾向于在夏季(那时温度高)产生尖峰噪声，而输出2倾向于在冬季(那时温度低)产生尖峰噪声，则尖峰噪声不会同时在两个输出端产生，如图6所示，因此当两个噪声信号通过与门电路后，其总输出(TOUT)将不会错误报警。这样，本发明能够提供高可靠性的用于人体检测的红外探测器。

另外，如果敏感元件(其在用热电材料制成的基片3上备有同心园形状的敏感电极611，612，并装在较高位置)的每单位面积的电动势效率是相等的，那么外环敏感电极611和内环敏感电极612由于温度改变而产生的热电输出，将由于如图4a，4b所示的极性并联相对或极性串联相对的连接而相互抵消。

然而，事实上如图8a所示，由于在红外能量辐射源S和敏感电极611，612之间常常要使用会聚透镜101或反射镜，则敏感电极表面接收的不是垂直入射的红外光线。

通过透镜会聚的红外能量直接到达会聚透镜的焦点，并且到达带有敏感电极的平面基片3上。

在这种情况下，随着红外光线离透镜中心轴的距离增加，红外线的入射线与中心轴的夹角θ₁，θ₂，θ₃逐渐增加。

结果，由于有效能量Ee∞EIcosθ(E：辐射因子，I：输入红外能量的强度)，敏感电极中心部分的θ₁小，则有效敏感能量比外环大。

由于上述原因，对相同的红外能量，热电性能相同但具有相同的敏感电极面积的外环敏感元件与内环敏感元件通过透镜接收的入射红外能量却产生不同的电动势。

这就是说，中心敏感电极612接收的有效敏感能量是Ee(θ≤10°)＝EIcos10°，假定θ₁≤10°，外环电极611接收的有效能量为

Ee(θ＝50°)＝EIcos50°，认为θ＝50°，

它们之间的比是

Ee(θ≤10°)/Ee(θ≤50°)＝cos10°/cos50°＝1.53

换句话说，假定入射到内环电极的平均角度近似为

大约如图8a所示，而入射到外环电极的平均角度为θ＝(θ₂+θ₃)/2＝50°，那么，内环敏感电极每单位面积的电动势是外环电极的1.53倍。

结果，为了使本发明所采用的外环敏感电极和内环敏感电极因温度漂移而产生的输出相互抵消，需要涂上反射涂料来改变发射率E，或者使内环敏感电极小于外环敏感电极，或者增大幅射热，这样，内环敏感电极每单位面积的电动势效率可以低于外环敏感电极每单位面积的电动势效率。

此外，如图8b所示，基于上述同样的考虑，也可以通过在红外辐射源的辐射路径上安装会聚透镜101或反射镜来调整入射到外环电极和/或内环电极的入射角。

在本发明中，我们在敏感元件6的前表面安装一个平-凹透镜O₁(102)来平衡上述的外环、内环敏感元件产生的电动势，如截面图9a，9b，9c所示。

图9a表示在制造一个通常的红外探测器之后，在管壳2外部安装平凹透镜，其优点是能调整光学补偿元件O₁，以达到会聚透镜的聚光性能。

在图9b中，由于来自光学元件O₁内部的压力，改进了窗1和管壳2之间的粘结功能。

如图9c所示，当使用菲涅耳平凹透镜时，能够使敏感元件6和窗1之间的空间缩小。

正如图10a中以剖面图给出的本发明的典型例子所示，在本发明中应用新月形平凹透镜121的红外探测器，在组成结构上与用SiO作衬底，用于通常的近红外光的红外探测器的光学元件很不相同，它非常经济，而且容易制造。

此外，正如图10a所示，由于使用新月形平凹透镜作为光学元件，从而能制造远红外探测器，其前部视场有180°立体角。象通常的红外探测器一样，将元件3、122，123装配在支架5上，然后罩上带有窗1的管壳2，并与支架焊接起来，即可完成。

美国专利№4,322,124的通常的近红外探测器的设计波长带宽从2.4μm到3.0μm，考虑到红外幅射的能量差，这与本发明红外探测器的设计带宽从6.5μm到9.5μm在机理上是非常不同的。

举一个例子，通常的红外探测器带宽从2.4μm到3.0μm的平均波长认为是2.7μm(这里只为简单地求出平均值，尽管它并不是能量的中心值)。而本发明的平均波长为(6.5μm+9.5μm)/2＝8μm。。假定红外幅射能量相同，能量之比正比于其波长对应的绝对温度值的4次方。(1.073)⁴/(0.362)⁴≈77，即本发明的探测器可以探测的红外能量比普通结构的红外探测器可以探测的能量弱77倍(即能量为通常探测器的1/77≈1.3％，)。

本发明的红外探测器与通常的红外探测器的绝然不同之处在于：本发明的结构是在背面由金属支架5，在管壳侧面由管壳2，在管壳顶部由半导体基片如Si或Ge制成的窗1完全地屏蔽起来，如图10a中所示。

另外，本发明的红外探测器的顶部还装有可移卸的光学元件O₁。

如图10b所示，通常的探测器的结构无法防止外部噪声干扰。通常的探测器因为探测强的红外能量，可以不受外部噪声影响，而本发明的探测器具有高得多的灵敏特性，以便探测弱红外能量，同时也对外部噪声敏感，因此要求完全屏蔽的结构。

基于这个理由，本发明的设计思想是根本不同的。

从本发明我们能得到更灵敏、更可靠的远红外波段的红外探测器，所有这些优点适用于作人体检测器。同时，本发明有益于工业上推广应用。

Claims (4)

1.一种红外探测器，其特征是，在一个基片上有内和/或外同心的园环电极，使其外环电极的电动势高于内环电极，能够增加上述红外敏感元件的电动势。

2.权利要求1中所述的红外探测器，其特征是，在一个基片上的红外敏感电极前面放置一个会聚透镜，并且在射线的光路中使用一个象平凹透镜那样的光学元件，使大多数光束垂直入射到内环敏感电极表面上。

3.权利要求1中所述的红外探测器，其特征是，该红外探测器有两组红外敏感元件，每组敏感元件至少有两对或更多对，它们之间以极性串联相对或极性并联相对地连接起来，封装到同一管壳内，并且每组的输出信号独立引出，组成某一对敏感元件的电子元件的性能和组成另一对敏感元件的电子元件在许多性能上有差异，其中至少一对敏感元件是封装在同一管壳内的。

4.权利要求1中所述的红外探测器，其特征是，红外敏感元件成对地装在基片上。

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