CN107643126B - 热电红外传感器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电红外传感器装置，包括：热电红外传感器部件(2)；以及盖部(3)。所述热电红外传感器部件包括：热电元件(21)；壳体，所述热电元件置于所述壳体内，所述壳体包括面向所述热电元件受光面设置的开孔；以及红外透射滤光器(25)，用于覆盖所述壳体的所述开孔。所述盖部至少覆盖所述热电红外传感器部件的一上表面。所述红外透射滤光器具有透射波长大于或等于1μm的透射光的特性。所述盖部具有对于波长为3μm至5.5μm的红外光的透射率大于或等于10％的特性，并且在与所述热电红外传感器部件的所述上表面对应的区域具有均匀的材料质量。

Description

热电红外传感器装置
技术领域
本发明涉及一种热电红外传感器装置。
背景技术
热电元件为一种通过热电效应对包括红外光在内的光进行检测的元件。使用热电元件的热电红外传感器装置已得到开发。
日本未审查专利申请公开第8-062342号、日本未审查专利申请公开第10-281864号以及日本未审查专利申请公开第2010-217012号公开一种热电红外传感器装置，包括：热电元件；壳体，所述热电元件置于该壳体中，所述壳体包括开孔，红外光通过该开孔入射至所述热电元件上；覆盖所述壳体开孔的红外透射部件；以及置于所述壳体外部的透镜，所述透镜通过所述红外透射部件将红外光聚焦于所述热电元件的受光面上。
日本未审查专利申请公开第2012-215396号公开一种红外气体传感器，包括：红外光源；具有热电元件的红外传感器；表面上置有所述红外光源和红外传感器的印刷电路板；置于所述红外光源和红外传感器上部的圆顶状壳体；面向所述红外光源和红外传感器的圆顶状壳体表面上设置的凹型反射面；以及气道，该气道设置于所述印刷电路板和圆顶状壳体之间，以供气体通过。
发明内容
日本未审查专利申请公开第8-062342号、日本未审查专利申请公开第10-281864号以及日本未审查专利申请公开第2010-217012号因在所述热电红外传感器装置中使用透镜而存在难以降低该热电红外传感器装置厚度的问题。此外，日本未审查专利申请公开第2012-215396号所公开的红外气体传感器因使用所述圆顶状壳体而存在该圆顶状壳体的厚度使得薄型红外气体传感器难以实现的问题。
考虑到上述问题，本发明的目的在于实现所述热电红外传感器装置的薄型化。
根据本发明的一种热电红外传感器装置包括热电红外传感器部件以及盖部。此外，所述热电红外传感器部件包括：热电元件；壳体，所述热电元件置于该壳体内，所述壳体包括面向所述热电元件的受光面设置的开孔；以及红外透射滤光器，用于覆盖所述壳体的所述开孔。此外，所述盖部，在面向所述热电红外传感器部件的红外透射滤光器的位置上，至少覆盖所述热电红外传感器部件的一上表面。此外，所述红外透射滤光器具有透射波长大于或等于1μm的透射光的特性。此外，所述盖部具有对于波长为3μm至5.5μm的红外光的透射率大于或等于10％的特性，并且在与所述热电红外传感器部件的所述上表面对应的区域具有均匀的材料质量。
此外，优选地，所述盖部在具有两倍于与所述热电红外传感器部件的视角相对应的视场的尺寸的区域内具有均匀的材料质量。
此外，优选地，所述盖部在具有两倍于与所述热电红外传感器部件的视角相对应的视场的尺寸的区域内具有均匀的厚度。
此外，优选地，所述盖部阻挡可见光。
此外，更加优选地，所述热电元件的受光面与所述红外透射滤光器的面向所述热电元件的表面之间的距离为0.2mm至0.45mm。
此外，优选地，所述热电元件包括：热电基板；以及在该热电基板平行排列的两个电极，所述红外透射滤光器的面向所述两个电极中的一个的表面上形成有红外反射膜。
此外，更加优选地，所述盖部由高密度聚乙烯、玻璃、ABS树脂和丙烯酸树脂中的任一个或其组合形成。
根据本发明，可实现所述热电红外传感器装置的薄型化。
通过以下详细描述及附图，本发明的上述和其它目的、特征和优点将得到更加充分的理解，其中，附图仅作为说明，因此不应视为对本发明的限制。
附图说明
图1为根据第一实施方式的热电红外传感器装置的截面图。
图2为根据第一实施方式的热电红外传感器装置的平面图。
图3为根据第一实施方式的热电红外传感器部件的截面图。
图4为根据第一实施方式作为盖部的高密度聚乙烯以及红外透射滤光器透射率的分光特性图。
图5为根据第一实施方式作为盖部的玻璃以及所述红外透射滤光器透射率的分光特性图。
图6为根据第一实施方式作为盖部的ABS树脂以及所述红外透射滤光器透射率的分光特性图。
图7为根据第一实施方式作为盖部的丙烯酸树脂以及所述红外透射滤光器透射率的分光特性图。
图8为根据实施例1的热电红外传感器装置的灵敏度图。
图9为根据实施例2的热电红外传感器装置的灵敏度图。
图10为根据实施例3的热电红外传感器装置的灵敏度图。
图11为根据实施例4的热电红外传感器装置的灵敏度图。
具体实施方式
【第一实施方式】
以下参考附图，对本发明实施方式进行说明。图1为根据第一实施方式的热电红外传感器装置100的截面图。图2为根据第一实施方式的热电红外传感器装置100的平面图。如图1和图2所示，本实施方式的热电红外传感器装置100包括热电红外传感器部件2以及盖部3。热电红外传感器装置100置于基板1上。此外，除了热电红外传感器装置100之外，在基板1上还可设置电子部件4，5。应该注意的是，电子部件4，5是与热电红外传感器装置100安装于同一装置内的电子部件，电子部件4，5并不具体限定。此外，如图2所示，电子部件4，5的上表面由热电红外传感器装置100的盖部3覆盖。电子部件4，5也可安装于热电红外传感器装置100上。应该注意的是，虽然第一实施方式的热电红外传感器装置100设想为用作人体检测传感器，但是本发明热电红外传感器装置100的用途并不限定于人体检测。
如图1所示，热电红外传感器部件2以及电子部件4，5安装于基板1上。如图2所示，热电红外传感器部件2和电子部件4，5的上表面由盖部3覆盖。应该注意的是，热电红外传感器装置100包括框体(未图示)，盖部3通过该框体支承于基板1上。此外，所述框体在平面图的所见尺寸应大至足以允许热电红外传感器部件2置于其内，该尺寸并不具体限定。类似地，盖部3在平面图的所见尺寸(面积)应大至足以允许热电红外传感器部件2上表面被覆盖，该尺寸并不具体限定。此外，盖部3可与所述框体一体成型。换句话说，盖部3可包括平板以及框体，所述平板遮蔽所述框体及该框体的开孔，所述框体的尺寸大至足以允许内置热电红外传感器部件2。
基板1例如为印刷电路板等电子电路基板。基板1例如为安装有热电红外传感器装置100的上述装置的基板，基板1并不具体限定。
如图3所示，热电红外传感器部件2包括热电元件21、导电胶22、结型场效应晶体管23、壳体24、红外透射滤光器25以及红外反射膜26等。
如图3所示，热电元件21包括热电基板21A、受光电极21B以及温度补偿电极21C。
举例而言，热电基板21A由锆钛酸铅(PZT)等具有自发电极化性质的陶瓷制成。
受光电极21B和温度补偿电极21C形成于热电基板21A的受光面(热电元件21的受光面)上。如图3所示，受光电极21B与温度补偿电极21C在热电基板21A上平行排列。应该注意的是，受光电极21B包括形成于热电基板21A的受光面上的表面电极以及形成于与热电基板21A受光面相对的表面上的背面电极，此处对图3中的所述背面电极不再赘述。类似地，温度补偿电极21C包括形成于热电基板21A受光面上的表面电极以及形成于与热电基板21A受光面相对的表面上的背面电极，此处对图3中的所述背面电极不再赘述。
此外，热电基板21A的受光面和与该受光面相对的表面在基板1上由导电胶22在该两表面边缘上的预定点处连接。
结型场效应晶体管23设置于基板1上。受光电极21B的背面电极(未图示)连接于结型场效应晶体管23的栅极输入电极。温度补偿电极21C的背面电极(未图示)连接于结型场效应晶体管23的接地端。热电元件21的输出信号通过G(栅极)端输入结型场效应晶体管23，结型场效应晶体管23执行阻抗转换并通过S(源极)端输出阻抗转换信号。
壳体24为竖立于基板1上的框体。如图3所示，热电元件21和结型场效应晶体管23位于壳体24的框体内部。壳体24包括位于面向热电元件21受光面(热电基板21A的受光面)位置处的开孔。此外，壳体24由例如阻挡波长为0.36μm至1μm的红外光的电绝缘材料制成。
红外透射滤光器25用于覆盖壳体24的上述开孔。换句话说，红外透射滤光器25至少覆盖热电元件21的受光面(热电基板21A的受光面)。此外，举例而言，作为一种防噪的措施，红外透射滤光器25的端部可粘接至壳体24的开孔周围，壳体24的一端可电连接至所述接地端。
红外透射滤光器25的下表面面向热电基板21A内的受光电极21B及温度补偿电极21C。红外反射膜26形成于红外透射滤光器25下表面上面向温度补偿电极21C的位置。此外，红外透射滤光器25的下表面和热电基板21A的受光面之间的距离为0.2mm至0.45mm。这使得热电红外传感器部件2具有较宽的视角。
此外，红外透射滤光器25具有透射波长为1μm至14μm的透射光的特性。此外，红外透射滤光器25可具有透射波长为3μm至14μm的透射光的特性。红外透射滤光器25的厚度并不具体限定，但例如为0.45mm至0.55mm。
红外反射膜26形成于红外透射滤光器25的下表面上面向温度补偿电极21C的位置。如图3所示，这使得热电红外传感器部件2具有较宽视角的同时，防止红外光入射至温度补偿电极21C。其中，红外反射膜26例如通过溅射或真空蒸镀法形成于红外光透射滤光器25的下表面上，且厚度小于或等于1μm，以防止该红外反射膜26的形成对热电元件21的高度造成影响。举例而言，红外反射膜26为形成于红外透射滤光器25的下表面上的0.075μm的镍膜。此外，红外反射膜26可在用于制造红外透射滤光器25的真空蒸镀工艺中形成，从而同时形成该两者。
红外反射膜26的热容量足够小于热电元件21的热容量，从而使得照射至红外反射膜26上的红外光对热电元件21产生的影响极小。
红外反射膜26可通过印刷法，或者通过涂布法、转印法和浸渍法中的一种形成于红外透射滤光器25的下表面。红外反射膜26可先形成于薄板表面，然后可将该薄板剪切为预定形状并粘贴至红外透射滤光器25的下表面。通过这些方法，可在无需使用溅射设备和真空蒸镀设备等大规模生产设备的情况下，在红外透射滤光器25的下表面上形成红外反射膜26。
如图1和图2所示，盖部3在面向热电红外传感器部件的所述红外透射滤光器25的位置上，至少覆盖热电红外传感器部件2的一上表面。此外，与热电红外传感器部件2的上表面相对应的盖部3区域具有基本均匀的厚度及基本均匀的材料质量。盖部3的一个两倍于热电红外传感器部件2的视角对应的视场大小的区域具有均匀的材料质量。此外，盖部3的一个两倍于热电红外传感器部件2的视角对应的视场大小的区域具有均匀的厚度。其中，“均匀的厚度”及“均匀的材料质量”是指使得盖部3的上述区域透射的红外光量变得基本恒定的厚度和材料质量。优选地，盖部3的厚度和材料质量使得，盖部3的与热电红外传感器部件2的上表面相对应的区域所透射的红外光量的变化小于或等于10％。
此外，盖部3具有使得波长为3μm至5.5μm的红外光的透射率大于或等于10％的特性。此外，盖部3具有阻挡可见光的特性。换句话说，盖部3由对于波长为3μm至5.5μm的红外光的透射率大于或等于10％且阻挡可见光的材料形成。优选地，盖部3由高密度聚乙烯(HDPE)、玻璃(SiO2)、ABS树脂和丙烯酸树脂中的任一种形成。此外，其中，“可见光”指波长为0.36μm至1μm的光，“阻挡可见光”是指阻挡波长为0.36μm至1μm的光。
如上所述，在第一实施方式的热电红外传感器装置100中，在不像现有热电红外传感器装置一样使用透镜的情况下，便可制成热电红外传感器装置100。如此，可实现减小热电红外传感器装置100的厚度，从而优化热电红外传感器装置100的设计，并使得其可安装于各种装置上，例如平板电脑或智能手机等移动装置、监视器或个人电脑等显示单元、家用电器、无线遥控器及鼠标、以及非接触式开关。
此外，盖部3在面向热电红外传感器部件2的红外透射滤光器25的位置上，至少覆盖热电红外传感器部件2的上表面。在采用透镜的现有热电红外传感器装置中，热电红外传感器的位置和存在因该透镜而可被察觉。相反，在第一实施方式的热电红外传感器装置100中，由于盖部3覆盖所述未采用透镜的热电红外传感器部件2的上表面，从热电红外传感器装置100外部，无法察觉到热电红外传感器部件2安装于热电红外传感器装置100上。如此，即使当将热电红外传感器部件2安装于防止犯罪等安防领域装置上时，人们也难以意识到热电红外传感器部件2的存在和位置，因此热电红外传感器部件2适于实现防止犯罪的目的。
此外，红外透射滤光器25具有透射波长大于或等于1μm的透射光的特性。因此，红外透射滤光器25可透射足够量的红外光。这使得热电元件21的温度增大，从而提高热电红外传感器装置100的灵敏度。
盖部3具有对于波长为3μm至5.5μm的红外光的透射率大于或等于10％的特性，并且在与热电红外传感器部件2上表面相应区域具有均匀的厚度和均匀的材料质量。具体而言，盖部3在具有两倍于热电红外传感器部件2的视角对应的视场大小的区域内具有均匀的材料质量。此外，盖部3在具有两倍于热电红外传感器部件2的视角对应的视场大小的区域内具有均匀的厚度。这使得盖部3可替代热电红外传感器装置100中用于透射红外光的透镜和窗口，从而消除热电红外传感器装置100对该透镜和窗口的需求。此外，盖部3的上述特性还使得足够量的红外光可入射至红外透射滤光器25，从而可使热电红外传感器装置100保持足够的灵敏度水平。
此外，盖部3具有阻挡可见光的特性。这可防止不必要的光入射至热电红外传感器装置100。
热电元件21的受光面(热电基板21A的受光面)与红外透射滤光器25的面向热电元件21的表面之间的距离为0.2mm至0.45mm。这使得热电红外传感器部件2的视角较宽。如此，可改善热电红外传感器装置100在所述装置上的安装位置，以及改善安装有热电红外传感器装置100的该装置的设计灵活性。
红外反射膜26形成于红外透射滤光器25的下表面上面向温度补偿电极21C的位置。这使得热电红外传感器部件2具有较宽视角的同时，还可以防止红外光入射至温度补偿电极21C内。
接下来，参照图4至图7，对本发明的盖部3和红外透射滤光器25的透射率分光特性进行描述。图4为将高密度聚乙烯(厚度1.0mm)用作盖部3并将3μm长通滤光器和5.5μm长通滤光器用作红外透射滤光器25时的透射率分光特性图。图5为将玻璃(SiO2，厚度0.5mm和1.0mm)用作盖部3并将1μm长通滤光器、3μm长通滤光器及5.5μm长通滤光器用作红外透射滤光器25时的透射率分光特性图。图6为将ABS树脂(厚度1.0mm)用作盖部3并将3μm长通滤光器和5.5μm长通滤光器用作红外透射滤光器25时的透射率分光特性图。图7为将丙烯酸树脂(厚度0.5mm和1.0mm)用作盖部3并将3μm长通滤光器和5.5μm长通滤光器用作红外透射滤光器25时的透射率分光特性图。
在图4至图7中，纵轴表示透射率(％)，横轴表示波长(μm)。此外，使用东芝IT控制系统株式会社(Toshiba IT control systems Co.,Ltd.)制造的开放型微焦X射线荧光检查装置测量透射率。
从图4至图7可知，作为用于形成盖部3的高密度聚乙烯、玻璃(SiO2)、ABS树脂和丙烯酸树脂全部可透射波长约为3μm至5.5μm的光。从图5可知，玻璃(SiO2)可透射波长为1μm至5.5μm的光。此外，还可知的是，作为红外透射滤光器25的所述1μm长通滤光器可透射波长大于或等于约1μm的光。还可知的是，作为红外透射滤光器25的所述3μm长通滤光器可透射波长大于或等于约3μm的光。此外，还可知的是，作为红外透射滤光器25的所述5.5μm长通滤光器可透射波长大于或等于约5.5μm的光。从图5和图7可知，透射率随盖部3厚度的增大而减小。
实施例
以下，参考图8至图11，对本发明的实施例进行说明。
本发明根据以下实施例进行具体说明，但本发明并不限于这些实施例。此外，在每个实施例中，使用黑体炉(株式会社IR系统(IR system Co.,Ltd.)制造，商品名为“黑体”)作为加热源。该黑体炉的温度变化量(ΔT)为10℃。在每个实施例中，作为加热源的所述黑体炉固定不动，而热电红外传感器装置相对于该黑体炉以0.5m/s、1.0m/s、1.5m/s和2.0m/s的速度运动。1.0m/s的移动速度设想为人的行走速度，2.0m/s的移动速度设想为人的慢跑速度。此外，在每个实施例中，输出电压0.4(V0-p)设定为检测电压限，即如果输出电压大于或等于0.4(V0-p)，则判定为该输出电压可检测。在图8至图11中，纵轴表示热电红外传感器装置100的输出电压(V0-p)，横轴表示检测距离(mm)。其中，输出电压从0V检测到最大值(最大值，振幅水平，V0-p)。此外，用作阈值的所述检测电压限0.4(V0-p)可根据噪声发生抑制电路设计等设计更改。
实施例1
在实施例1的热电红外传感器装置100中，厚度为1.0mm的玻璃(SiO2)用作盖部3。此外，3μm长通滤光器用作红外透射滤光器25。图8所示为实施例1的热电红外传感器装置100的灵敏度。
实施例2
在实施例1的热电红外传感器装置100中，厚度为1.0mm的玻璃(SiO2)用作盖部3。此外，5.5μm长通滤光器用作红外透射滤光器25。图9所示为实施例2的热电红外传感器装置100的灵敏度。
实施例3
在实施例3的热电红外传感器装置100中，厚度为1.0mm的ABS树脂用作盖部3。此外，3μm长通滤光器用作红外透射滤光器25。图10所示为实施例3的热电红外传感器装置100的灵敏度。
实施例4
在实施例4的热电红外传感器装置100中，厚度为1.0mm的ABS树脂用作盖部3。此外，5.5μm长通滤光器用作红外透射滤光器25。图11所示为实施例4的热电红外传感器装置100的灵敏度。
比较图8和图9可知，红外透射滤光器25使用所述3μm长通滤光器时，热电红外传感器装置100的输出电压(V0-p)大于检测限阈值(0.4(V0-p))的检测距离范围宽于当红外透射滤光器25使用所述5.5μm长通滤光器时的检测距离范围。具体而言，当红外透射滤光器25使用所述5.5μm长通滤光器时，在100mm至300mm的检测范围内，热电红外传感器装置100的输出电压(V0-p)低于上述检测限。另一方面，当红外透射滤光器25使用所述3μm长通滤光器时，在100mm至150mm的检测范围内及0.5m/s和1.0m/s的移动速度下，热电红外传感器装置100可检测到所述热源。
比较图10和图11可知，红外透射滤光器25使用所述3μm长通滤光器时，热电红外传感器装置100的输出电压(V0-p)大于检测限阈值(0.4(V0-p))的检测距离范围宽于当红外透射滤光器25使用所述5.5μm长通滤光器时的检测距离范围。具体而言，当红外透射滤光器25使用所述5.5μm长通滤光器时，在100mm的检测范围内及0.5m/s、1.0m/s和1.5m/s的移动速度下，以及在150mm的检测范围内及0.5m/s和1.0m/s的移动速度下，热电红外传感器装置100可检测到所述热源。另一方面，当红外透射滤光器25使用所述3μm长通滤光器时，在100mm至300mm的检测范围内及0.5m/s、1.0m/s和1.5m/s的移动速度下，以及在150mm的检测范围内及0.5m/s至2.0m/s的移动速度下，热电红外传感器装置100可检测到所述热源。
从以上描述中可知，当红外透射滤光器25使用所述3μm长通滤光器时，热电红外传感器装置100的检测灵敏度优于其使用所述5.5μm长通滤光器时的检测灵敏度。其原因认为是所述3μm长通滤光器透射的红外光量大于所述5.5μm长通滤光器透射的红外光量。因此，红外透射滤光器25优选具有透射波长大于或等于3μm的光的特性。此外，红外透射滤光器25优选具有透射波长大于或等于1μm的透射光的特性。
根据以上对本发明的描述，容易理解的是，本发明实施方式可具有多种变化。这些变化并不被视为偏离了本发明的精神和范围，而且对于本领域技术人员而言为容易理解的所有此类修改均旨在包括于所附权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种热电红外传感器装置，其特征在于，包括：
热电红外传感器部件；以及
盖部，其中，
所述热电红外传感器部件包括：
热电元件；
壳体，所述热电元件置于所述壳体内，所述壳体包括面向所述热电元件的受光面设置的开孔；以及
红外透射滤光器，用于覆盖所述壳体的所述开孔，
所述盖部包括平板，且在面向所述热电红外传感器部件的所述红外透射滤光器的位置上，至少覆盖所述热电红外传感器部件的整个上表面，所述盖部还覆盖与所述热电红外传感器装置安装于同一装置内的电子部件的上表面，
所述红外透射滤光器具有透射波长大于或等于1μm的透射光的特性，
所述盖部具有对于波长为3μm至5.5μm的红外光的透射率大于或等于10％的特性，并且在具有两倍于与所述热电红外传感器部件的视角相对应的视场的尺寸的区域内具有均匀的材料质量，
其中，所述盖部阻挡可见光。
2.根据权利要求1所述的热电红外传感器装置，其特征在于，所述盖部在具有两倍于与所述热电红外传感器部件的视角相对应的视场的尺寸的区域内具有均匀的厚度。
3.根据权利要求1所述的热电红外传感器装置，其特征在于，所述热电元件的受光面与所述红外透射滤光器的面向所述热电元件的表面之间的距离为0.2mm至0.45mm。
4.根据权利要求1所述的热电红外传感器装置，其特征在于，
所述热电元件包括：
热电基板；以及
在所述热电基板上平行排列的两个电极，
所述红外透射滤光器的面向所述两个电极中的一个的表面上形成有红外反射膜。
5.根据权利要求1所述的热电红外传感器装置，其特征在于，所述盖部由高密度聚乙烯、玻璃、ABS树脂和丙烯酸树脂中的任一个或其组合形成。
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