CN107036719A - 双元件热释电运动和存在检测器 - Google Patents

双元件热释电运动和存在检测器 Download PDF

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Abstract

提出了一种配置为感测监控空间中的存在和运动的装置。装置包括双元件组件，双元件组件具有配置为产生直流输出的第一热感测元件和第二热感测元件，该直流输出维持在与在热感测元件处接收的热能的量大致成比例的水平。透镜阵列(或等效的光学器件)耦合到所述元件、具有多个透镜，所述多个透镜将来自多个光学限定的空间区域的入射热能导引到感测元件上。电子电路配置为读取双元件组件所得到的信号以及第一热感测元件和第二热感测元件中的每个的单独输出信号。

Description

双元件热释电运动和存在检测器
相关申请的交叉引用
本申请是于2013年4月22日递交的、题为“具有透镜阵列的热传感器模块”的、在审理中的第13/867,356号美国专利申请的部分接续申请，并要求该美国专利申请的权益，该美国专利申请通过引用以其整体包含于本文中。
技术领域
本申请涉及具有透镜阵列的热传感器模块，更具体地，涉及基于穿过透镜阵列的入射热能产生直流(D.C.)输出的热传感器模块。
背景技术
运动检测器是检测运动对象尤其是人的设备。运动检测器通常整合成自动地执行任务或针对用户在区域中的运动作出告警的系统的组件。运动检测器可形成安全系统、自动照明控制系统、家庭控制系统和其他系统的重要部件。
运动检测器通常使用热释电材料检测人在房间中的运动。如果(从热源例如人体)输入的热辐射改变，则热释电材料生成信号。从数学上说，热释电检测器生成遵循输入的热通量的时间导数的电信号。因此，如果人进入或离开检测器的视场(FOV)，则热通量改变并生成相应的信号。信号的高度取决于热源的温度和所谓的视场填充因子。
热源的温度越高且热源越多地填充检测器的FOV，则所得到的信号越高。该信号将仅在热通量改变之后的有限时间内存在，因此，如果热通量保持不变，则不生成信号。这样，不能够检测静止的发热对象例如站着不动或已离开传感器区域的人的存在或不存在。
例如Junkert等人的美国专利US 4,722,612描述了两个差别布置的热DC传感器的使用，该美国专利所针对的是用于使用双热电堆来最小化与环境温度梯度关联的误差的红外温度计，其中第二热电堆用作补偿元件。在一些情况下，第二元件用于对主传感器的热漂移进行热补偿和电补偿，这样，补偿设备通常察觉不到输入的辐射且仅提供环境温度补偿。
在基于热电堆的流量计中，两个相同的传感器可受到来自局部加热器的热，但是位于该加热器的相反侧上，使得气体在传感器-加热器-传感器的组合上的流动可影响热流并产生输出，但是是在固有热漂移补偿的情况下。类似地，使用锆钛酸铅(PZT)的热释电器件可使用类似的构造以防止DC漂移，但是每个热释电器件在不同的时间通常由不同的光照亮，例如通过传感器前方的透镜布置照亮，以产生AC信号但是抑制DC信号。在典型的实现中，本文公开的技术解决上面提到的缺陷中的一个或多个。
发明内容
本发明的实施例提供一种双元件热红外运动和存在检测器。简要地描述，本发明针对一种配置为感测监控空间中的存在和运动的装置。装置包括双元件组件，双元件组件具有配置为产生直流输出的第一热感测元件和第二热感测元件，该直流输出维持在与在热感测元件处接收的热能的量大致成比例的水平。透镜阵列耦合到热感测元件，透镜阵列具有多个透镜，所述多个透镜将来自多个光学限定的空间区域的入射热能导引到热感测元件上。电子电路配置为读取双元件组件所得到的信号以及第一热感测元件和第二热感测元件中的每个的单独输出信号。
对于具有本领域中的普通技能的人员，通过检查下面的附图和详细描述，本发明的其他系统、方法和特征将是显而易见的或将变得显而易见。这意味着，所有这种附加的系统、方法和特征包括在本说明书中，落入本发明的范围内且由所附的权利要求保护。
附图说明
图1是示例性检测器的示意性剖面侧视图。
图2是图1中的检测器的局部俯视图。
图3是示出了用于实现图1的检测器的计算机系统的示例性电气布局的示意图。
图4是示出了布置为对空间进行监控的、图1的检测器的示意性俯视图。
图5是其中存在大致静止的人的、图4中的监控空间的侧视图。
图6是检测器可识别人在监控空间中的存在所凭借的示例性过程的流程图。
图7是检测器可识别人在监控空间中的大概位置所凭借的示例性过程的流程图。
图8是图4中的监控空间的侧视图、示出了人穿过监控空间。
图9是检测器可识别图8中的人在运动所凭借的示例性过程的流程图。
图10是适合于感测监控空间内的运动的、图1中的检测器的一个具体实现的示意性表示。
图11是示出了检测器的示例的示意图。
图12是示出了具有示意性光学器件和电子器件的、简化的双元件热释电检测器的示意图。
图13是用于实现运动和存在两者的检测的、反极性串联电路中的、直流(DC)热传感器的实施例的示意图。
具体实施方式
图1是示例性检测器100的示意性剖面侧视图，检测器100配置为检测位于监控空间内的生物(例如，人)的存在、位置、运动和/或方向。一般来说，短语“监控空间”指的是物理区域(例如，房间、走廊、室外区域等)，检测器100布置在该物理区域中且检测器100可在该物理区域中检测生物。
检测器100具有传感器模块102和透镜阵列104，传感器模块102具有一个或多个热感测器件(例如，热电堆)，透镜阵列104至少部分地覆盖传感器模块102。透镜阵列104具有多个透镜，所述多个透镜中的每一个布置为将来自监控空间的入射热能导引到传感器模块102的至少一部分上。在一些实现中，每个单独的透镜将来自监控空间中多个不同的物理区域中的一个物理区域的入射热能导引到传感器模块102上。
透镜阵列可如附图中那样直接附接到检测器100，但是透镜阵列还可安装在距检测器一定距离处。
每个热感测器件通常被操作成产生直流(DC)输出，DC输出与在热感测器件处接收的热能的量大致成比例。只要输送到热感测器件的热能的量总体上保持不变，由该热感测器件产生的DC输出就总体上保持不变。输送到热感测器件的热能的量的增加通常将导致由该感测器件产生的DC输出成比例的增加。同样地，输送到热感测器件的热能的量的减小将导致由该感测器件产生的DC输出成比例的减小。
来自热感测器件的DC输出可以是DC电压或DC电流。
在一些实现中，热传感器模块102仅有一个热感测器件(例如，一个热电堆)。一般来说，热电堆是将热能转换成电能的电子器件。通常，热电堆由通常串联地电连接或者不太常见的并联地电连接的数个热电偶组成，以产生单个直流(DC)输出。
在一些实现中，热传感器模块102具有多个热感测器件(例如，多个热电堆)。在一些实现中，传感器模块102中所有的热感测器件电连接在一起，以从传感器模块102产生单个DC输出信号。在一些实现中，热感测器件配置为从传感器模块102产生多个不同的DC输出信号。
在示出的实现中，传感器模块102嵌入在衬底或外壳110内，透镜阵列104被支承在位于衬底110顶部的传感器模块102上方。
透镜阵列104可具有各种可能的配置。例如，透镜阵列可包括菲涅尔透镜或其他透镜、菲涅尔带、波带片、全息光学元件、衍射光学元件、折射光学元件、二元光学元件、这些元件的任何组合或包括有多个透镜的任何其他布置。
图2是图1中的检测器100的局部俯视图。示出的视图示出了检测器的透镜阵列104的一个示例性实现。透镜阵列的任务是将监控空间分成不同的区段。通过使透镜阵列上的光学元件只将来自某个区段的辐射导引到模块102内的某个热感测器件上，来实现这种区段化。这些光学元件可与诸如图2的视图中的离散物理区域重合，但是可以像使用全息光学元件的情况那样，这些光学元件还可分布在透镜阵列表面上。
通常，每个光学元件不仅将监控空间分成区段，而且将从该区段入射的辐射约束到特定热感测器件上。如果人穿过区段，则由相应的热感测器件生成的信号开始变低且在人位于该区段的中部时达到最大。如果人进一步运动，则信号再次变小。因此，穿过多个区域的人将生成变化的输出图案，其中最大信号完全位于区段内，最小信号位于区段之间的边界处。
监控空间的区段的总数可小于或等于透镜阵列的光学区域的数量与模块102的热感测器件的数量的乘积。或者，监控空间的区段的总数可小于或等于透镜阵列的光学区域的数量与模块102的热感测器件的数量的乘积的2倍。
在一个实施例中，透镜阵列104具有交替的、透射率相对高的区域和透射率相对低的区域。一般来说，透射率相对高的区域使得入射热能中处于感兴趣波长的相对一大部分能够穿过以到达传感器模块102，而透射率相对低的区域使得热能中处于感兴趣波长的相对一小部分能够穿过以到达传感器模块102。在进一步的实施例中，如图2所示，每个透镜214的中央部分216形成产生相对高的输出信号的区域，每个透镜214的外围部分和相邻的透镜214之间的空间形成具有相对低的、来自感测器件的输出信号的区域。
交替的、输出信号相对高的区域和输出信号相对低的区域帮助方便运动检测，其原因是当人穿过监控空间，例如从对应于透镜阵列104的输出信号相对高的区域的空间运动到对应于透镜阵列104的输出信号相对低的区域的空间时，来自这个人的热能的、到达透镜阵列104下方的热传感器模块102的那一部分将改变。实际上，透镜阵列获得的人的热能不变，透镜阵列调节热能以在感测器件处形成交替的信号。
通常，短语“感兴趣波长”指的是热感测器件作出响应所针对的波长(或波长范围)(即，诸如此类的波长可影响来自热感测器件的DC输出)。在典型的实现中，感兴趣的波长将是对应于由生物(例如，人)发射的热能的波长。在一些实现中，感兴趣的波长在4μm和20μm之间。
再次参照图1，示出的检测器100具有集成电路106，在各种实现中，集成电路106形成基于计算机的处理器、基于计算机的存储器存储设备和/或其他电路，以执行和/或支持本文描述的功能中的一个或多个功能。设置电导体(例如，沿着衬底110的上表面和/或下表面延伸的迹线、延伸穿过衬底的通孔108、焊料凸起112等)以连接检测器的电气部件并将检测器连接到外部部件。
图3是示出图1的检测器100的示例性电气布局的示意图。
示例性布局示出了处理器302、存储设备304、其中存储有限定上面提到的功能中的至少一部分的软件308的存储器306、输入和输出(I/O)设备310(或外围设备)、传感器模块102、允许检测器100的子部件之间通信的局部总线或本地接口312。
本地接口312可以是例如一个或多个总线或其他有线或无线连接。本地接口312可具有为了简化而省略了的附加元件，例如控制器、缓冲器(缓存)、驱动器、中继器和接收器，以能够进行通信。此外，本地接口312可包括地址、控制和/或数据连接，以能够在上面提到的子部件之间进行合适的通信。
处理器302是用于运行软件例如存储在存储器306中的软件的硬件设备。处理器302可以是任何定制品或者市场上可买到的单核或多核处理器、中央处理单元(CPU)、与检测器100关联的数个处理器之间的辅助处理器、基于半导体的微处理器(处于微芯片或芯片组的形式)、宏处理器、或通常用于运行软件指令的任何设备。处理器302可集成到例如图1的集成电路106中。
存储器306可包括易失性存储元件(例如，随机存取存储器(RAM，例如DRAM、SRAM、SDRAM等))和/或非易失性存储元件(例如，ROM、硬盘驱动器、磁带、CDROM等)中的任何一个或其组合。此外，存储器306可包含电子、磁性、光学和/或其他类型的存储介质。注意的是，存储器306可具有分布式架构，其中，各部件彼此远离地布置，但是可由处理器302访问。存储器306可集成到例如图1的集成电路106中。
一般来说，软件308包括指令，当所述指令由处理器302运行时，所述指令使得处理器302执行本文公开的检测器的功能中的一个或多个功能。存储器306中的软件308可包括一个或多个单独的程序，其中每个程序包含可执行指令的有序列表。存储器306可包含操作系统(O/S)308。操作系统被操作成控制检测器100内的程序的运行，并可提供调度、输入-输出控制、文件和数据管理、存储管理、通信控制和相关的服务。
I/O设备310可包括至外部设备的接口，以允许向各外围部件输出收集的数据或指令。I/O设备310还可便于将软件等上传到检测器100。
传感器模块102可以是例如红外传感器或对热能作出响应的任何种类的传感器。传感器模块102可包括单元件传感器或者包括两个或多个传感器元件的传感器阵列。传感器阵列可包括单个外壳内的多个传感器元件，或者可包括多个外壳，其中每个外壳包括两个或多个传感器元件。传感器模块102可配置为只检测红外辐射，或者可调整以接收更宽的带宽。传感器模块102还可包括电压调节和噪声降低部件。传感器模块102可通过本地接口312向处理器302传输感测参数，例如环境温度和感测对象的温度。类似地，对于阵列传感器，传感器模块102可传输用于每个单独的阵列元件的参数，或者可发送从所有单独的阵列传感器元件整理的导出参数。传感器模块102可包括模数转换器，例如以在模拟格式和数字格式之间转换信号。另外，传感器模块102可配置为例如在启动时和当参数变化被检测到时或通过发送周期性参数报告，自主传输信息。传感器模块102可配置为当例如由处理器302查询或轮询时，传输参数信息。
存储设备304可以是任何类型的存储器存储设备。一般来说，存储设备304被操作成存储将帮助检测器100执行本文公开的功能中的一个或多个功能的任何数据。存储设备304可集成到图1中的集成电路106中。
当检测器100操作时，处理器302运行存储在存储器306中的软件308、向存储器306和存储设备304传达数据以及传达来自存储器306和存储设备304的数据、通常控制检测器100的操作。应该注意的是，在一些实施例中，可以不存在示例性实施例中的元件中的一个或多个元件。另外，在一些实现中，示例性实施例中的元件中的一个或多个元件可位于检测器100的外部。
图4是示出布置为对空间320进行监控以获得在监控空间中人的存在、运动、位置和/或方向的检测器100的示意性俯视图。
在示出的实现中，透镜阵列104多次将传感器模块102在监控空间320中成像。透镜阵列104中的每个透镜布置为将来自监控空间中的多个不同的区域中相应的区域的入射热能导引到热传感器模块102上。因此，透镜阵列104将监控空间虚拟地分成多个不同的区域。在示出的示例中，不同的区域322a、322b、322c和322d由从检测器100延伸到监控空间中的虚线虚拟地划界。
在示出的示例中，每个区域322a、322b、322c和322d是大致楔形或锥形、起源于检测器100处、从检测器100张开到监控空间320中。在一些实现中，每个区域可从监控空间的地面延伸到监控空间的天花板。此外，区域布置为使得走过房间的人可横穿两个或多个区域。在典型的实现中，传感器的透镜阵列中的每个透镜可配置为将来自示出的区域322a、322b、322c和322d中对应的一个(或多个)区域的入射热能导引到检测器的传感器模块102的至少一部分上。
在各种实现中，检测器100能够基于在传感器模块102处接收的热能确定在监控空间内是否存在有人。在一些实现中，检测器100能够基于在传感器模块102处接收的热能确定人位于一个或多个区域322a、322b、322c和322d中的哪个区域。在一些实现中，检测器100能够基于在传感器模块102处接收的热能确定人是否在监控空间内来回运动。在一些实现中，检测器100能够基于在传感器模块102处接收的热能确定人在监控空间内运动的方向。本文描述这些功能(即，存在检测、位置、运动检测和方向检测)中的每个的示例。
图5是示出坐在图4的监控空间320中的计算机工作站426处的人424的侧视图。在示出的示例中，人424几乎完全坐在区域322b内，除了与在计算机工作站426处工作关联的相对小的运动之外，可预计人424大致保持静止。
在示出的构造中，检测器100安装到人424和计算机工作站426所在的房间的壁上。如本文讨论的，在一些实现中，检测器100可检测人424的存在，以及在一些实现中，检测器100可检测人424在监控空间320内的大概位置。在工作站426处的人424将一定量的处于特定波长的热能发射(即，辐射)到监控空间中。一般来说，监控空间中的其他项(例如，计算机等)也会将热能辐射到监控空间中。
图6是检测器100可识别图5中的人存在于监控空间320中所凭借的示例性过程的流程图。
根据示出的方法，入射热能(包括来自人424和监控空间320中的其他项的热能)穿越房间并到达检测器100的透镜阵列104处(步骤530)。
透镜阵列104将入射热能中的一部分导引到热传感器模块102的至少一部分上(步骤532)。
作为响应，热传感器模块102产生DC输出，DC输出与入射热能中被导引到热传感器模块102的那一部分大致成比例(步骤534)。只要在热传感器模块处接收的热能保持不变，则DC输出大致保持不变。因此，只要人424在监控空间320中大致保持静止且在监控空间320中不存在其他明显的热变化，则DC输出大致保持不变。
处理器302(在536)考虑来自热传感器模块102的DC输出是否指示人存在于监控空间320中。例如通过将DC输出与阈值比较，可实现该确定。如果DC输出指示人存在于监控空间320中，则处理器(在538)提供其确定的合适指示。该指示可例如用于控制监控空间的各个环境因素(例如，打开监控空间320中的灯)。
如果处理器(在536)确定来自与区域322b关联的一个或多个热感测器件的DC输出不指示人存在于监控空间320中，则处理器继续监测。
在一些实现中，检测器100能够确定人424在监控空间320内的大概位置。更具体地，在那些实现中，检测器100能够确定人424主要存在于监控空间320的区域322b中。通过该信息，处理器302能够控制关联的各种功能(例如，控制位于监控空间的特定区域中的灯)。
图7是检测器100可识别图5中的人424存在于监控空间320中的哪个区域所凭借的示例性过程的流程图。
根据示出的方法，入射热能(包括来自人424和监控空间320中的其他项的热能)穿越房间并到达检测器100的透镜阵列104处(步骤630)。
透镜阵列104将入射热能中的一部分导引到热传感器模块102的至少一部分上(步骤632)。更具体地，阵列中对应于人424所在的区域322b的一个或多个透镜将来自该区域322b的入射热能中的一大部分导引到热传感器模块102的特定部分上(例如，导引到与区域322b逻辑关联的一个或多个特定热感测器件上)。
在步骤632，与区域322b逻辑关联的一个或多个热感测器件(在步骤634)产生DC输出，DC输出与入射热能中被导引到那些热感测器件的那一部分大致成比例。只要在那些热感测器件处接收的热能保持不变，则来自那些感测器件的DC输出大致保持不变。因此，只要人424在监控空间320的区域322b中大致保持静止且在区域322b中不存在其他明显的热变化，则DC输出大致保持不变。
处理器302(在636)考虑来自与区域322b关联的一个或多个热感测器件的DC输出是否指示人存在于区域322b中。例如通过将DC输出与阈值比较，可实现该确定。如果DC输出指示人存在于区域322b中，则处理器(在638)提供其确定的合适指示。该指示可例如用于控制区域322b的各个环境因素(例如，打开区域322b中的灯)。
如果处理器(在636)确定来自与区域322b关联的一个或多个热感测器件的DC输出不指示人存在于区域322b中，则处理器继续监测。
在一些实现中，图1的检测器100配置为检测由生物(例如，人)在整个监控空间(例如，320)中导致的运动。
图8是示出坐在图5中的计算机工作站426处的人424站起来且已从区域322b走到区域322c的侧视图。检测器100安装到人424在其中行走的房间的壁上。
如本文讨论的，在一些实现中，检测器100配置为使得它可检测人在整个监控空间320(图4和8)中的运动。人424将一定量的处于特定波长的热能发射(即，辐射)到监控空间中。一般来说，监控空间中的其他项(例如，计算机等)也会将热能辐射到监控空间中。
图9是检测器100可识别图8中的人穿过监控空间320(图4和8)所凭借的示例性过程的流程图。入射热能到达检测器100处，如框930所示。检测器的透镜阵列将入射热能导引到热传感器模块上，如框532所示。热传感器模块产生与入射热能大致成比例的DC输出，如框534所示。如果检测到人424存在于监控空间320(图4和8)中(如确定框536所示)，则提供存在人的指示，如框538所示。如果没有检测到人424存在于监控空间320(图4和8)中，则过程继续监测监控空间320(图4和8)，一直到存在人424。
如上讨论的，参照图5，当人在区域322b中大致静止且坐在计算机工作站426处时，透镜阵列104将大致恒定量的热能导引到热传感器模块102的各部分。当人从区域322b运动到区域322c(及后面的区域)时，输送到热传感器模块102的各部分的热能特性(profile)改变。这是由于因透镜阵列104所导致的交替的、输出信号相对高的区域和输出信号相对低的区域。
更具体地，当人从区域322b(可对应于透镜阵列中第一高输出信号区域)运动到区域322c(可对应于透镜阵列中第二高输出信号区域)时，人穿过对应于透镜阵列的低输出信号区域的地方。该地方在图8中由区域322b和322c之间的垂直虚线表示。当人走过对应于透镜阵列的低输出信号区域的地方时，输送到热传感器模块的各部分的热能特性改变。
在典型的实现中，该改变可被可产生合适输出的处理器302检测到。图10是示出适合于感测监控空间(例如，320)内的运动的、图1中的检测器100的一个具体实现的示意性表示。
图10中的检测器100具有传感器模块102，传感器模块102具有两个热感测器件425a、425b。示出的检测器100的透镜阵列将监控空间320分成6个离散区域，在示出的示例中每个离散区域标记为“A”或“B”。在图8的示例中，区域322b可认为是“A”区域，而区域322c可认为是“B”区域。
在示出的示例中标记为“A”的区域对应于热感测器件425a，而在示出的示例中标记为“B”的区域对应于热感测器件425b。换句话说，示出的检测器100的透镜阵列(未在图10中示出)将来自标记为“A”的区域的入射热能导引到热感测器件425a上，示出的检测器100的透镜阵列将来自标记为“B”的区域的入射热能导引到热感测器件425b上。
热感测器件425a和425b的输出端子如所示出的连接到可选的输出设备426a和426b。输出设备426a和426b可以是放大器或任何类型的电耦合器件。每个输出设备426a、426b产生D.C.输出(在示出的示例中标记为ADC和BDC)，D.C.输出与在热感测器件中对应的热感测器件处接收的热能成比例。
每个输出设备426a和426b如所示出的连接到微分器428。在典型的实现中，微分器428包括配置为基于D.C.输出(ADC和BDC)产生输出信号的电路，该输出信号表示D.C.输出(ADC和BDC)之差的变化率。在示出的示例中微分器428的输出信号标记为“d(A-B)/dt”。
在典型的实现中，输出设备426a、426b的输出端子和微分器428的输出端子连接到处理器(例如，302)，处理器可以是图1中的集成电路106的一部分或者可完全位于检测器100外部。
应该认识到，给基于D.C.的热检测器(例如，如图1中具有一个或多个热感测器件的热传感器102)增加多区域光学元件(例如，图1的透镜阵列104)，提供了在生物从一个区域运动到下一个区域时可记录信号变化的优点。
一般来说，在操作期间，如果人进入监控空间320(图8)中的“A”区域中的一个，则热感测器件425a的D.C.输出将增加，如果人从该“A”区域离开，则热感测器件425a的D.C.输出将减小。同样地，如果人进入监控空间320(图8)中的“B”区域中的一个，则热感测器件425b的D.C.输出将增加，如果人从监控空间320(图8)中的“B”区域中的一个离开，则热感测器件425b的D.C.输出将减小。因此，当人从“A”区域运动到相邻的“B”区域时，热感测器件425a的D.C.输出减小且热感测器件425b的D.C.输出同时增加。在典型的实现中，微分器428从这种事件产生时间导数信号，该时间导数信号是大的且易于使用相对基本的模拟电路或数字电路来辨别。
特别地，在操作期间，即使人站着不动，示出的检测器100也生成D.C.输出。该信号可用于检测生物的存在，且根据尤其相对于热传感器102如何布置光学区域，该信号还可提供关于人的大概位置的附加信息。
在一些实现中，除了检测生物在整个监控空间中的运动之外，检测器100还能够确定生物的运动方向。就这一点而言，一旦基于从透镜阵列104输送到热传感器模块102的热能的特性改变而检测到运动，则通过精确地检查热能特性在多个不同的热感测器件(或多组热感测器件)中的每一个处如何改变，可确定运动的方向。例如，如果在“B”区域信号之前出现“A”区域信号改变，或者如果辨别的信号的极性是正的，则运动沿着一个方向，而如果在“A”信号之前出现“B”信号，或者如果辨别的信号是负的，则运动沿着相反的方向。
在一些实现中，检测器100的处理功能在数字域中通过微控制器单元(MCU)执行。图11是示出检测器的示例的示意图，其中检测器100包括四个热感测器件425a-425d。多路复用器和模数(A/D)转换器1150将热感测器件425a-425d的输出传递到数字域中，并通过合适的接口1152将所述输出传输到微控制器单元(MCU)1154，在示出的示例中接口1152是I2C总线。MCU可位于传感器本身的外部，可以是控制检测器100的其他设备(例如，TV、计算机，移动设备、家庭用品)的一部分。在示出的实现中，软件应用本身通常存在于MCU中并由软件代码限定。
已经描述了本发明的多个实施例。然而，将理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可进行各种修改。
例如，基于计算机的处理器、基于计算机的存储器和/或支持本文公开的检测器功能的任何其他电气电路可位于检测器本身的外部。
本说明书提供多个实现细节。然而，这些不应该解释为对本公开的范围进行限制或者对可要求保护的项目进行限制。相反，它们是对本公开的特定实现或实施例所特有的特征的描述。在单独的实现的上下文中描述的某些特征可在单个实现中组合地实现。另一方面，在单个实现的上下文中描述的各个特征可在多个不同的实现中实现或者以特征的任何合适的子组合实现。此外，虽然特征可描述成以某些组合起作用，但是在一些情况下可从组合中省略这些特征中的一个或多个。
类似地，操作在本文中描绘成以特定顺序发生。然而，这不应该理解成为了实现期望的结果，要求这些操作以示出的顺序或以先后顺序执行，或者实际上要求执行所有操作。在某些情况下，多任务处理和并行处理可实现且是可期望的。另外，可完全省略本文公开的过程和功能中的一些步骤。
此外，在本文描述的实现中各个系统部件的分离不应该理解为在所有实现中要求这种分离，应该理解的是，描述的部件和系统通常可一起集成在单个产品中或封装在多个产品中。
部件和子部件的物理尺寸和相对布置可相当程度地改变。透镜阵列的设计可相当程度地改变。
处理器可适合于基于它从热感测器件接收的信息提供附加功能，包括提供所有区域上的平均温度的测量、单独区域集合(bundle)的平均温度的测量。处理器可适合于控制用于室温控制、过热控制的恒温器。检测器100可集成在火灾检测系统中。在透射窗调节到气体的吸收波长(例如，CO2的吸收波长在4.26μm)的情况下，气体检测也是可行的。
图12是示出具有示意性光学器件和电子器件的、简化的双元件热释电AC检测器1200的示意图。为了简单起见，上述实施例中数个实施例的热释电检测器可建模成两个检测器元件1221、1222，两个检测器元件1221、1222极性相反地串联连接。区域光学器件1210将两个元件1221、1222交替地成像到多个视场(FOV)区域中。FOV中运动的人交替地在两个元件1221、1222上生成信号。
如之前提出的，原则上，如果光学器件1210将足够的幅度变化输送到传感器元件中的一个或多个上，则单个元件1221也能够检测运动。当早期的热释电运动检测器最初进入市场时，该方法可用于早期的热释电运动检测器。双元件方法的优点是对两个元件1221、1222都检测到的信号的抑制(热信号的共模抑制)。由多个FOV元件检测到的信号通常来自大的热源，例如有云彩在运动的明亮天空或者打开的窗户。此外，如果由于热源导致检测器的温度改变，则所得到的信号可被衰减，因此可不触发运动事件。因此，较新的热释电检测器通常使用至少两个元件以检测运动信号。
热释电检测器仅对改变的信号作出反应的事实，意味着来自静态热源的信号按照检测器的时间常数逐渐减弱，因此不会给读出电子器件输入的输入范围造成问题。然而，这种行为还可使检测器对静态热源基本上视而不见，所以不会检测静止对象。热释电检测器通常用作用于房间例如办公室的“占用”传感器，但是实际上，如果在房间中存在物理运动，则热释电检测器仅触发“占用”信号。
图13是用于实现运动和存在两者的检测的DC热运动和存在传感器1300的实施例的示意图，该传感器1300具有处于反极性串联电路中的直流(DC)热传感器。检测器1300改进了之前提出的热释电检测器的实施例，并扩展了热释电检测器的实施例以变成真正的运动和存在检测器。用于检测器1300的本实施例的目的是满足智能家居和/或办公室和智能照明系统的现代需求，同时使用最先进的微机电系统(MEMS)和微电子技术的概念以及相关联的封装概念。
总体上，检测器1300类似于AC检测器1200(图12)，将交流(AC)响应热释电材料1221、1222替换成DC热感测元件1321、1322，例如MEMS热电堆。原理图在图13中示出。
与AC检测器1200(图12)不同，检测器1300的感测元件1321、1322(A和B)对入射辐射的绝对水平敏感并根据该水平生成DC信号。这种感测元件1321、1322之前通常用于温度的远程测量，如体温计或耳温计中那样，但是通过感测由(静止的)人体发射的热辐射，这种感测元件1321、1322还可用作存在检测器。
虽然早前的实施例将感测元件1321、1322用作运动检测器，但是感测元件1321、1322可以不与传统的热释电检测器处于同一水平来执行。此外，在由于大的热源或由于因环境温度波动造成的热激增而导致的热瞬态的情况下，由用于执行存在检测的感测元件1321、1322提供的附加DC分量可导致关联的放大器或模/数(A/D)转换器1230(图12)的输入级的溢出。
图12的AC检测器1200通过从第一元件1221的正端到差动放大器1230的第一引线1231提供第一信号，通过从第二元件1222的正端到差动放大器1230的第二引线1232提供第二信号。同样地，图13的检测器1300通过从第一感测元件1321的正端到电子电路1330的第一引线1331提供第一信号，通过从第二感测元件1322的正端到电子电路1330的第二引线1332提供第二信号。在可选的实施例中，第一感测器件1331和第二感测器件1332的端子的极性可以相反。
为了克服图12的AC检测器1220的输入级溢出，检测器1300将第一感测元件1321和第二感测元件1322极性相反地串联布置、提供从第一感测元件1321和第二感测元件1322中的每个的负端到电子电路1330的中央引线1333。电子电路1330例如特定用途集成电路(ASIC)或现场可编程门阵列(FPGA)，可因此读取双元件组件所得到的信号或单独地读取第一感测元件1321和第二感测元件1322中的每个的输出信号。
电子电路1330可配置为读取包含双感测元件1321、1322的组件的实际差分输出。在这种构造中，检测器1300可以以与热释电AC检测器1200(图12)类似的方式捕获运动信号。检测器1300的双元件布置的输出信号包括由双感测元件1321、1322生成的信号的差异。如果双感测元件1321和1322均检测相同的热流，则输出为零。多区域光学器件1310以与热释电AC检测器1200(图12)的光学器件1210相同的方式分割FOV、通过区域图案使运动对象交替地在感测元件1321和1322上成像。然后，输出信号免于DC偏移，且例如通过电子电路1330可放大到更大的水平，但不存在超过信号限制(例如，使电路过载)的风险。
另外，电子电路1330可配置为仅读取第一感测元件1321或仅读取第二感测元件1322，然后确定入射辐射的实际DC电平。该设置类似于之前描述的实施例，该设置的不同之处在于检测器1300中的光学器件1310交替地仅聚焦于第一感测元件1321或仅聚焦于第二感测元件1322，而在之前的实施例中，光学器件可设计为将输入信号调整到相同的传感器元件上。
AC热释电检测器1200通常配置为感测切换单元或报警系统中的运动。该功能主要通过材料和组装确定。热释电材料的输出信号相当大，所以数十年来使用的简单读出电路可执行提供运动感测触发器信号的任务。
检测器1300的使用需要复杂得多的电子器件，这些电子器件最近才变得可购得。感测元件1321、1322的信号电平小于AC检测器1200的热释电传感器1221、1222的信号电平。例如，通过更新一代的电子器件，能够以与用于AC检测器1200的信噪比相等的信噪比解决在100nV范围内的信号电平差。通常，用于DC检测器的全域动态范围在±5mV至50mV的范围内。感测元件1321、1322中的DC偏移使之尤其难以实现入射辐射水平的良好的分辨率和动态范围。上面描述的基于硬件的电子电路1330，可配置为抑制用于处于运动检测模式的检测器1300的DC值，同时允许热辐射的输入DC电平的测量，以用于存在检测和/或远程温度测量。
与热释电检测器1200(图12)相比，DC热运动和存在检测器1300的优点包括更小的尺寸、组装的容易度和改进的功能。关于尺寸，与热释电晶体相比，基于MEMS的热检测器(热电堆或辐射热测量计)可被制造成小得多的尺寸。例如，热释电晶体通常具有更大的尺寸(典型的敏感区域>1mm2)以对检测运动的人所需要的低运动频率具有足够的灵敏度。热DC传感器天生具有这种低频能力，不管尺寸如何。
关于组装的容易度，热MEMS感测元件1321、1322可在硅加工(CMOS)晶圆制造时生产。进入小晶片形式的器件可随后从硅晶圆切除。与使用热释电材料(例如，PZT或LiTa)的传感器相比，这些晶片与读出和处理电子电路1330例如ASIC晶片一起，可更加容易地通过标准封装技术封装。这允许缩放到更大的容量。
关于功能，与AC检测器1200相比，DC检测器1300具有更大的功能，其原因是AC检测器1200限于简单的运动检测。通过评估输入热辐射的DC分量，DC检测器1300可附加执行静止的人的存在检测或远程温度感测。
DC检测器1300可配置为对处于例如但不限于3μm和20μm之间的波长范围(或其一部分)内的辐射敏感。感测元件1321、1322可以是例如但不限于MEMS红外传感器、热电堆、辐射热测量计和/或红外本征或非本征半导体。
光学器件1310可以是通过多透镜阵列(研磨或模制透镜)提供的红外透射多区域光学器件、模制菲涅尔透镜阵列、或多透镜和菲涅尔透镜阵列的组合。检测器1300上的IR光学器件1310中或IR光学器件1310上的合适的图案可表示菲涅尔透镜阵列、菲涅尔带阵列、全息光学元件(HOE)、衍射光学元件、二元光学元件、或者能够提供感测元件1321、1322的多区域图像的、光学窗口中或光学窗口上的任何衍射、折射或全息图案中的一个或其组合。
多区域光学器件1310可例如配置物体空间中的传感器(阵列)的多个图像、交替的成像和遮挡区域、和/或任意形式的区域。例如，光学器件1310可具有类似棋盘的图案，但是还可通过具有环形图案实现分区。用于光学器件1310的图案不限于这些示例中的任何示例。
电子电路1330可包括软件库元件，软件库元件可限定一个或多个应用并能够在中断线1340处提供中断信号。电子电路1330可配置为寻找代表FOV中人的运动的、具有特定高度和频率的峰值图案。类似地，电子电路1330可配置为寻找指示人例如静止的人的存在的DC信号图案。电子电路1330可评估在运动的作用下区域变化模式并确定运动的方向。多元件传感器例如象限传感器可以是有利的，其原因是该传感器可提供处于两个方向或角度的运动矢量。电子电路1330可测量FOV的所有区域上的平均温度、测量单独区域集合的平均温度、提供室温的恒温控制、提供过热控制、和/或提供火灾检测以及其他功能。如果光学器件1310和/或感测元件1321、1322调节到气体的吸收波长(例如，CO2的吸收波长在4.26μm等)，则检测器1300还可检测气体的存在。
检测器1300的应用可包括但不限于例如灯开关和控制、闯入警报、显示器开关和控制(例如，电视、计算机和移动设备)、家庭用品、家用电器、汽车应用、智能家居应用和/或手势识别等。

Claims (18)

1.一种配置为感测监控空间中的存在和运动的装置，所述装置包括：
双元件组件，其进一步包括第一热感测元件和第二热感测元件，所述第一热感测元件和所述第二热感测元件进一步包括具有第一极性的第一端子和具有第二极性的第二端子；
透镜阵列，耦合到一个或多个热感测元件，其中，所述透镜阵列包括多个透镜，所述多个透镜中的每个透镜配置为将来自位于所述监控空间内的多个光学限定的空间区域中相应的空间区域的入射热能导引到所述第一热感测元件和/或所述第二热感测元件上；以及
电子电路，与所述双元件组件电连通并配置为读取所述双元件组件所得到的信号以及读取所述第一热感测元件和所述第二热感测元件中的每个的单独输出信号，
其中，所述电子电路、所述第一热感测元件和所述第二热感测元件在包括它们的第一端子或第二端子的连接点处电连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子电路还包括数字接口。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子电路还包括中断端子。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述电子电路配置为对所述中断端子上指示运动、存在和/或温度水平和/或模式的信号作出反应。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子电路还包括模数转换器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热感测元件和所述第二热感测元件各自还包括由以下各项组成的组中的一个：微机电系统MEMS红外传感器、热电堆、辐射热测量计和/或红外本征或非本征半导体。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜阵列产生交替的、对于所述入射热能来说输出信号相对高的区域和对于所述入射热能来说输出信号相对低的区域。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，输出信号相对低的所述区域位于透镜的边缘处或所述透镜阵列中的透镜之间。
9.根据权利要求7所述的装置，其中，输出信号相对低的所述区域对应于所述监控空间内的所述空间区域之间的虚拟分界线。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜阵列的所述透镜选自由以下各项组成的组：菲涅尔透镜阵列、菲涅尔带阵列、全息光学元件、衍射光学元件、折射光学元件、二元光学元件和网格图案。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜是在所述透镜阵列上方不可物理地定位的光学图案。
12.根据权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述电子电路的基于计算机的处理器和耦合到所述处理器的基于计算机的存储器存储设备，
其中，所述存储器存储设备存储指令，当所述指令由所述处理器运行时，所述指令使得所述处理器基于从一个或多个热感测器件接收的数据确定在所述监控空间中是否存在生物或者是否存有生物在所述监控空间内来回运动。
13.根据权利要求8所述的装置，其中，一个或多个热感测元件、所述透镜阵列、处理器和存储器存储设备容纳在单晶片级封装中。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜阵列的第一透镜配置为将来自所述监控空间中的物理区域中对应的物理区域的入射热能导引到热感测元件中的第一热感测元件和热感测器件中的第二热感测器件上。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述透镜阵列的第一透镜配置为将来自所述监控空间中的物理区域中对应的第一物理区域的入射热能导引到所述第一热感测元件上，而不导引到所述第二热感测元件上，并且其中，所述透镜阵列的第二透镜配置为将来自所述监控空间中的物理区域中对应的第二物理区域的入射热能导引到所述第二热感测元件上，而不导引到所述第一热感测元件上。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，一个或多个热感测元件对具有4μm和20μm之间的波长的辐射敏感。
17.根据权利要求1所述的装置，适合于通过评估总的输入热信号强度来确定整个所述监控空间上的温度值。
18.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一热感测元件和所述第二热感测元件各自配置为产生直流输出，所述直流输出维持在与在相应热感测元件处接收的热能的量大致成比例的水平。
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