CN112798483A - 一种扁平化的微型烟雾探测传感器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扁平化的微型烟雾探测传感器及其工作方法，该微型烟雾探测传感器包括两个未封装的光源、至少一个未封装的探测器、PCB基板和壳体,光源、探测器和壳体均固定在PCB基板上，且光源和探测器位于壳体的内部；两个光源出射不同的波长，壳体的顶部开设有若干个透气孔，壳体顶部的内壁上设置有吸光层。在传感器中设置两个发射不同波长的光源和至少一个探测器，通过两个发射不同波长的光源可有效避免因粉尘进入而导致的误判。采用基于微电子技术的扁平化封装方式，采集效率得以保证；在传感器制作中可以采用裸芯片进行封装和集成，大大提高了光电感烟探测器的集成度，并降低了其成本。

Description

一种扁平化的微型烟雾探测传感器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种扁平化的微型烟雾探测传感器及其工作方法，属于光电元器件技术领域。

背景技术

烟雾检测技术广泛应用于大气环境检测、仓库火灾安全监控，以及电池安全监控等领域。目前常用的烟雾探测器大都基于光学散射原理，如图1所示，光源11(LED或半导体激光器)发出的光被烟雾颗粒散射，烟雾浓度越高，散射光就越强，通过在合适的位置放置探测器12(光电二极管)，可以有效检测散射光，进而根据探测器输出信号的大小判断烟雾浓度，此烟雾探测器又称作光电感烟探测器。

目前，常用的光电感烟探测器，有一对光源和探测器，一个用于吸收(或反射)直射光的结构，如光陷结构，用来减小反射光对探测器的影响，使探测器接收到的光信号大部分来自于颗粒物导致的散射光。

光电感烟探测器通过直接探测火灾中生成的烟颗粒散射光，进行火灾检测，虽然在家用等领域得以广泛使用，但仍存在三个主要的问题，使其难以满足很多高端应用场合。

第一、存在误报，由于空气中的水汽、粉尘等其他微小颗粒物密集度过大时产生的散射光，而非火灾本身产生得烟雾颗粒物，使得探测器发生报警现象。在光源和探测器位置固定的情况下，散射光(P_scatt)大小与光源的发射波长(λ)、颗粒物的大小相关(d)、颗粒物浓度(c)，P_scatt＝f(λ,d,с)即。虽然水汽、粉尘等干扰颗粒物的大小与火灾颗粒物的大小不同，但在单一光源下，仍难以区分是哪种颗粒物，即一个方程求解d和c两个未知量，解不唯一，因此会发生由非火灾颗粒物引起的误报。

第二、存在体积大、集成度低的问题；目前的方案大都基于分离的光源、探测器，以及较大的壳体结构等组装而成，导致体积较大、集成度低，难以满足如在微小空间内的烟雾检测和一些对成本要求较高的应用领域。目前的设计大都基于传统的分立器件组装方式进行制造，光源和探测器均为独立封装的器件，不适合集成，不适合电池包(用于自燃监控)、无人机等对体积和重量要求较高的高端场合。如中国专利CN110009863A公开了一种立式双光路感烟探测迷宫，但是该装置加上封装壳体整体的尺寸为85mm*46mm。另一方面，相对于未封装的裸光源芯片和探测器芯片，体积和成本大幅度增加，光电器件的封装成本一般是芯片成本2倍以上。

第三、抗干扰能力有限，现有的光电感烟探测器，受光源和探测器体积限制，摆放角度θ很难太小，摆放角度为光源中心线和探测器中心线之间的夹角，否则探测器所能得到的散射光就会被光源遮挡住，而背向散射光的光强随着摆放角度θ的减小而增加，因此探测器难以接收足够的背散光，探测器信号较弱，系统信噪比较差、抗干扰能力有限。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种扁平化的微型烟雾探测传感器，在传感器中设置两个发射不同波长的光源和至少一个探测器，通过两个发射不同波长的光源可有效避免因粉尘进入而导致的误判。采用基于微电子技术的扁平化封装方式，采集效率得以保证；在传感器的制作中可以采用裸芯片进行封装和集成，大大提高了光电感烟探测器的集成度，并降低了其成本。

本发明同时还提供了上述扁平化的微型烟雾探测传感器的工作方法。

本发明的技术方案为：

一种扁平化的微型烟雾探测传感器，包括两个未封装的光源、至少一个未封装的探测器、PCB基板和壳体,所述未封装的光源、未封装的探测器和壳体均固定在所述PCB基板上，且未封装的光源和未封装的探测器位于壳体的内部；两个未封装的光源出射不同的波长，一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源的波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，从而保证对烟雾颗粒物的有效识别；壳体的顶部开设有若干个透气孔，壳体顶部的内壁上设置有吸光层。

本发明中，采用不同波长的两个光源，可以区分颗粒物的直径，根据空气中粉尘颗粒径为1-200um，而烟雾或烟尘粒径范围一般为0.001-1um，当粒子直径小于光源发出光的波长时就会产生散射现象，在该条件下选取不同波长的两个光源，一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源则根据烟雾产生的颗粒物的粒径选取，光源波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，即保证对烟雾颗粒物的有效识别避免因粉尘进入而导致的误判。

采用裸芯片光源和探测器进行封装和集成，裸芯片体积比较小，形成扁平化的封装方式。采用裸芯片使得微小空间内的目标光信号的采集效率得以保证，杜绝二次封装的探测器占空比大且感光区域小的问题。除此之外，裸芯片在价格上比先在市面上的烟雾传感器中的探测器的价格低50％-67％，因此不仅极大的提高了光电感烟探测器的集成度，更能降低了其成本。

另外设计独特的腔体结构，以探测器探测到颗粒物产生的背极散射光为目标，规避常规方法中只抓取烟雾颗粒物在某些固定的角度如30°，90°产生的目标信号，提高信噪比，尽可能的保证有效信号的精准抓取。

根据本发明优选的，两个未封装的光源出射的波长均为450-700nm；

进一步优选的，两个光源出射的波长分别是550nm和625nm。使用发出不同波长的两个光源，可以区分颗粒物的直径，根据空气中粉尘颗粒径为1-200um而，烟雾或烟尘粒径范围一般为0.001-1um，当粒子直径小于光源发出光的波长时就会产生散射现象，在该条件下选取不同波长的两个光源，两个光源出射不同的波长选择以上波长范围，能够使得一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源则根据烟雾产生的颗粒物的粒径选取，光源波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，即保证对烟雾颗粒物的有效识别。

此外，探测器对于这550nm和625nm两个波长的光的吸收率高，最重要的是颗粒物对改波段的光的散射效果也很可观。

根据本发明优选的，两个封装的光源均为垂直面发射激光器，或均为单色LED，或者一个封装的光源是垂直面发射激光器，另一个封装的光源是单色LED。

LED相对于光束比较窄激光光源来说，光束宽，光源比较发散，能更完整，更全面的发现空气中的烟雾粒子。激光光源光束窄，高准直性输出尖锐、狭窄的发射光谱、高微分效率和总效率、速度快。二者结合更能保证光信号的有效捕捉。

根据本发明优选的，所述烟雾探测传感器中设置有两个未封装的探测器，两个探测器和两个光源均水平固定在PCB基板上，以两个光源的中心的所在直线为轴线，两个探测器对称设置在轴线的两侧，且两个光源沿着探测器的长侧边设置。

两个未封装的探测器和两个未封装的光源均直接水平固定在PCB基板上，结构简单，封装成本低。两个探测器会使得设备对目标信号的捕捉能力提高，增加设备的灵敏度。

根据本发明优选的，所述烟雾探测传感器中设置有两个未封装的探测器，以两个光源的中心的所在直线为轴线，两个探测器垂直于轴线分别设置在两个光源的两侧。

根据本发明优选的，两个探测器和两个光源均水平固定在PCB基板上。两个未封装的探测器和两个未封装的光源水平直接固定在PCB基板结构简单，封装成本低；另外，当探测器与光源在同一水平位置，光程覆盖范围大，两个探测器能够尽可能的捕捉该区域内的有效光信号。

根据本发明优选的，所述PCB基板上设置有支撑基板，两个探测器固定在支撑基板的横板上，支撑基板的横板上设置有两个透光孔，两个探测器分别位于两个透光孔的两侧，两个光源位于两个透光孔的下方。在光源上方设置透光孔，使得光源散射角减小，为了保证探测器对目标信号的准确捕捉，将探测器放于光源腔体上方，减小颗粒物产生散射光的传播光程，保证该散射信号的光能，从而进一步提高信号的信噪比；同时，探测器能够尽可能靠近光源位置，可以实现更多的背向散射光的接收。

根据本发明优选的，所述PCB基板上开设有凹槽，两个光源设置在所述凹槽中，两个探测器分别设置在凹槽的上边缘上。

如此设置，探测器能够尽可能靠近光源位置，可以实现更多的背向散射光的接收。且保留了探测器在腔体上方的设计，在保证散射光的光能不减的情况下提高光源激发光的工作效率，为高灵敏度烟雾探测传感器的实现提供一种技术方案。

根据本发明优选的，所述烟雾探测传感器中设置有一个未封装的探测器，两个光源沿着探测器的长侧边依次设置，且两个光源的中心的所在直线与探测器的长侧边平行。使得尽可能多的目标散射光信号落在传感器的探测区域上。

根据本发明优选的，所述烟雾探测传感器中设置有一个未封装的探测器，两个光源设置在探测器上，且两个光源的中心的所在直线与探测器的长侧边平行。

根据本发明优选的，吸光层为吸光薄膜或者纳米结构的吸光材料。例如：铂黑结构、硅黑结构。吸光层用来吸收或者散射光源透过待测颗粒物之后的光，减小此部分光对探测器的干扰，使探测器只接收由颗粒物导致的散射光，提高探测器的信噪比。

上述扁平化的微型烟雾探测传感器的工作方法，该方法包括：

两个光源发射出不同波长的光，正常的使用过程中，光源发射出的光被壳体内壁上的吸光层吸收，此时探测器接收到的散射光强度未达到设定的阈值；

当发生火灾时，烟雾颗粒从壳体的透气孔进入传感器的腔体内，产生散射光，使得探测器接收到的散射光强度瞬间增大，达到设定阈值时，微型烟雾探测传感器立刻发出报警。

本发明的有益效果为：

1.本发明提出一种扁平化的微型烟雾探测传感器，采用不同波长的两个光源，可以区分颗粒物的直径，根据空气中粉尘颗粒径为1-200um，而烟雾或烟尘粒径范围一般为0.001-1um，当粒子直径小于光源发出光的波长时就会产生散射现象，在该条件下选取不同波长的两个光源，一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源则根据烟雾产生的颗粒物的粒径选取，光源波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，大大提高对烟雾探测的准确度，保证对烟雾颗粒物的有效识别，避免因粉尘进入而导致的误判。

2.本发明提出一种扁平化封装方式，采用裸芯片进行封装和集成，采用裸芯片使得微小空间内的目标光信号的采集效率得以保证，杜绝二次封装的探测器占空比大且感光区域小的问题。裸芯片在价格上比先在市面上的烟雾传感器中的探测器的价格低50％-67％，因此不仅极大的提高了光电感烟探测器的集成度，更能降低了其成本的烟雾探测器具有较高的集成度，较低的体积和成本。本发明提供的微型烟雾探测传感器可以用于电池包内烟雾检测、普通安防、智能家居领域，实现对日常生活中可能产生火灾的场所的烟雾监测。

附图说明

图1为基于散射光检测的光电感烟探测器的原理示意图；

图2为本发明实施例3提供的一种微型烟雾探测传感器的平面结构示意图；

图3为本发明实施例3提供的一种微型烟雾探测传感器的截面结构示意图；

图4为本发明实施例4提供的一种微型烟雾探测传感器的截面结构示意图；

图5为本发明实施例5提供的一种微型烟雾探测传感器的截面结构示意图；

图6为本发明实施例2提供的一种微型烟雾探测传感器的平面结构示意图；

图7为本发明实施例6提供的一种微型烟雾探测传感器的平面结构示意图；

图8为本发明实施例7提供的一种微型烟雾探测传感器的平面结构示意图；

1、第一光源，2、第二光源，3、第一探测器，4、第二探测器，5、PCB基板，6、壳体，7、吸光层，8、透气孔，9、焊料，10、金属电极，11、光源，12、探测器。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种扁平化的微型烟雾探测传感器，包括两个未封装的光源、至少一个未封装的探测器、PCB基板5和壳体6,未封装的光源、未封装的探测器和壳体6均固定在PCB基板5上，且未封装的光源和未封装的探测器位于壳体6的内部；两个未封装的光源出射不同的波长，一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源的波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，从而保证对烟雾颗粒物的有效识别；壳体6的顶部开设有若干个透气孔8，壳体6顶部的内壁上设置有吸光层7。壳体6通过焊料9固定在PCB基板5上，PCB基板5的底部设置有两个金属电极10。

两个光源分别为第一光源1和第二光源2。

本发明中，采用不同波长的两个光源，可以区分颗粒物的直径，根据空气中粉尘颗粒径为1-200um，而烟雾或烟尘粒径范围一般为0.001-1um，当粒子直径小于光源发出光的波长时就会产生散射现象，在该条件下选取不同波长的两个光源，一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源则根据烟雾产生的颗粒物的粒径选取，光源波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，即保证对烟雾颗粒物的有效识别避免因粉尘进入而导致的误判。

采用裸芯片光源和探测器进行封装和集成，裸芯片体积比较小，形成扁平化的封装方式。采用裸芯片使得微小空间内的目标光信号的采集效率得以保证，杜绝二次封装的探测器占空比大且感光区域小的问题。除此之外，裸芯片在价格上比先在市面上的烟雾传感器中的探测器的价格低50％-67％，因此不仅极大的提高了光电感烟探测器的集成度，更能降低了其成本。

另外设计独特的腔体结构，以探测器探测到颗粒物产生的背极散射光为目标，规避常规方法中只抓取烟雾颗粒物在某些固定的角度如30°，90°产生的目标信号，提高信噪比，尽可能的保证有效信号的精准抓取。

实施例2

根据实施例1提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，区别之处在于：

如图6所示，烟雾探测传感器中设置有两个未封装的探测器，即裸片探测器，两个未封装的探测器分别为第一探测器3和第二探测器4，第一探测器3、第二探测器4、第一光源1和第二光源2均水平固定在PCB基板5上，以第一光源1和第二光源2的中心的所在直线为轴线，第一探测器3、第二探测器4对称设置在轴线的两侧，且两个光源沿着探测器的长侧边设置。

两个未封装的探测器和两个未封装的光源均直接水平固定在PCB基板5上，结构简单，封装成本低。两个探测器会使得设备对目标信号的捕捉能力提高，增加设备的灵敏度。

实施例3

根据实施例1提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，区别之处在于：

如图2和图3所示，烟雾探测传感器中设置有两个未封装的探测器，即裸片探测器，分别为第一探测器3和第二探测器4，第一探测器3、第二探测器4、第一光源1和第二光源2均固定在PCB基板5上，以第一光源1和第二光源2的中心的所在直线为轴线，第一探测器3、第二探测器4垂直于轴线分别设置在两个光源的两侧。且两个探测器和两个光源均水平固定在PCB基板5上。

两个未封装的探测器和两个未封装的光源水平直接固定在PCB基板5结构简单，封装成本低；另外，当探测器与光源在同一水平位置，光程覆盖范围大，两个探测器能够尽可能的捕捉该区域内的有效光信号。

本实施例中，第一光源1和第二光源2采用封装为0.8mm×1.6mm的LED灯珠，均为单色LED，波长：550-700nm，PCB基板5的尺寸为4mm×4mm,壳体6的尺寸为5mm×5mm。

第一探测器3和第二探测器4采用3.2mm×3.2mm的裸片光电探测器，第一探测器3、第二探测器4、第一光源1和第二光源2按照设计结构摆放在4mm×4mm的PCB基板5上，各器件可集成于5mm*5mm的壳体6内。

现有的烟雾传感器大多是非集成结构，光源采用和光电探测器多采用独立的元件，而一个独立LED体积大约在4-5mm,独立光电探测器约8-10mm,再加上各个器件要按照一定要求的陈列摆放所以一般体积较大。

实施例4

根据实施例3提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，区别之处在于：

如图4所示，PCB基板上设置有支撑基板，第一探测器3、第二探测器4固定在支撑基板的横板上，支撑基板的横板上设置有两个透光孔，第一探测器3、第二探测器4、分别位于两个透光孔的两侧，第一光源1、第二光源2均位于两个透光孔的下方。在光源上方设置透光孔，使得光源散射角减小，为了保证探测器对目标信号的准确捕捉，将探测器放于光源腔体上方，减小颗粒物产生散射光的传播光程，保证该散射信号的光能，从而进一步提高信号的信噪比；同时，探测器能够尽可能靠近光源位置，可以实现更多的背向散射光的接收。

第一光源1为单色LED，第二光源2为垂直面发射激光器，垂直面发射激光器的尺寸：250um*250um；单色LED的大小：0.8mm*1.6mm，在波长：550-700nm。

实施例5

根据实施例3提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，区别之处在于：

如图5所示，PCB基板上开设有凹槽，第一光源1和第二光源2设置在凹槽中，第一探测器3、第二探测器4分别设置在凹槽的上边缘上。

如此设置，探测器能够尽可能靠近光源位置，可以实现更多的背向散射光的接收。且保留了探测器在腔体上方的设计，在保证散射光的光能不减的情况下提高光源激发光的工作效率，为高灵敏度烟雾探测传感器的实现提供一种技术方案。

第一光源1和第二光源2均为单色LED，单色LED的尺寸为：0.8mm*1.6mm，波长：550-700nm。

实施例6

根据实施例1提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，区别之处在于：

如图7所示，烟雾探测传感器中设置有一个未封装的第一探测器3，第一光源1和第二光源2均沿着第一探测器3的长侧边依次设置，且两个光源的中心的所在直线与第一探测器3的长侧边平行。使得尽可能多的目标散射光信号落在第一探测器3的探测区域上。

实施例7

根据实施例1提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，区别之处在于：

如图8所示，烟雾探测传感器中设置有一个未封装的第一探测器3，第一光源1和第二光源2均设置在第一探测器3上，且两个光源的中心的所在直线与第一探测器3的长侧边平行。

实施例8

实施例1-7任一个实施例提供的一种扁平化的微型烟雾探测传感器的工作方法，该方法包括：

两个光源发射出不同波长的光，正常的使用过程中，光源发射出的光被壳体6内壁上的吸光层7吸收，此时探测器接收到的散射光强度未达到设定的阈值；

当发生火灾时，烟雾颗粒从壳体6的透气孔8进入传感器的腔体内，产生散射光，使得到达探测器的光信号瞬间增大，

在光源和探测器位置固定的情况下，散射光(P_scatt)大小与光源的发射波长(λ)、颗粒物的大小相关(d)、颗粒物浓度(c)，P_scatt＝f(λ,d,с)，在两个光源的情况下，

P_scatt1＝f(λ1,d,с) (I)；

P_scatt2＝f(λ2,d,с) (II)；

由第一探测器3求得P_scatt1，由第二探测器4求得P_scatt2，λ1和λ1已知数值，由式(I)、(II)求得颗粒物的大小相关d和颗粒物浓度c。

当达到探测器的设定阈值时，微型烟雾探测传感器立刻发出报警。

Claims (10)

1.一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，包括两个未封装的光源、至少一个未封装的探测器、PCB基板和壳体,所述未封装的光源、未封装的探测器和壳体均固定在所述PCB基板上，且未封装的光源和未封装的探测器位于壳体的内部；两个未封装的光源出射不同的波长，一个光源用以标定腔体内因空气粉尘等颗粒产生的背景噪声，另一个光源的波长大于烟雾颗粒物粒径且小于粉尘颗粒物粒径，从而保证对烟雾颗粒物的有效识别；壳体的顶部开设有若干个透气孔，壳体顶部的内壁上设置有吸光层。

2.根据权利要求1所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，两个封装的光源均为垂直面发射激光器，或均为单色LED，或者一个封装的光源是垂直面发射激光器，另一个封装的光源是单色LED；

两个未封装的光源出射的波长均为450-700nm；

进一步优选的，两个光源出射的波长分别是550nm和625nm。

3.根据权利要求2所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，所述烟雾探测传感器中设置有两个未封装的探测器，两个探测器和两个光源均水平固定在PCB基板上，以两个光源的中心的所在直线为轴线，两个探测器对称设置在轴线的两侧，且两个光源沿着探测器的长侧边设置。

4.根据权利要求2所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，所述烟雾探测传感器中设置有两个未封装的探测器，以两个光源的中心的所在直线为轴线，两个探测器垂直于轴线分别设置在两个光源的两侧。

5.根据权利要求4所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，两个探测器和两个光源均水平固定在PCB基板上。

6.根据权利要求4所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，所述PCB基板上设置有支撑基板，两个探测器固定在支撑基板的横板上，支撑基板的横板上设置有两个透光孔，两个探测器分别位于两个透光孔的两侧，两个光源位于两个透光孔的下方。

7.根据权利要求4所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，所述PCB基板上开设有凹槽，两个光源设置在所述凹槽中，两个探测器分别设置在凹槽的上边缘上。

8.根据权利要求2所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，所述烟雾探测传感器中设置有一个未封装的探测器，两个光源沿着探测器的长侧边依次设置，且两个光源的中心的所在直线与探测器的长侧边平行。

9.根据权利要求2所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器，其特征在于，所述烟雾探测传感器中设置有一个未封装的探测器，两个光源设置在探测器上，且两个光源的中心的所在直线与探测器的长侧边平行。

10.权利要求1-9任一项所述的一种扁平化的微型烟雾探测传感器的工作方法，其特征在于，该方法包括：

两个光源发射出不同波长的光，正常的使用过程中，光源发射出的光被壳体内壁上的吸光层吸收，此时探测器接收到的散射光强度未达到设定的阈值；

当发生火灾时，烟雾颗粒从壳体的透气孔进入传感器的腔体内，产生散射光，使得探测器接收到的散射光强度瞬间增大，达到设定阈值时，微型烟雾探测传感器立刻发出报警。

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