-
Die
Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Infrarotsensor insbesondere
für die
Anwendung in Bewegungsmeldern mit einem pyroelektrischen Chip mit
einer Dicke von maximal 50 μm
und beidseitig aufgebrachten Elektroden, wobei die sich überlappenden
Elektrodenflächen
die strahlungsempfindliche Fläche
bilden. Des Weiteren sind die sich überlappenden Elektrodenflächen auf
Oberseite und Unterseite des Chips zackenförmig ausgebildet. Die Signale
der verschalteten und erfindungsgemäß gestalteten Elektrodensysteme
werden durch rauscharme Vorverstärker
verarbeitet, die in einem Detektorgehäuse mit infrarotdurchlässigem Fenster
und drei Anschlusspins angeordnet sind.
-
Pyroelektrische
Infrarotsensoren werden schon seit über 30 Jahren in Passiv-Infrarot-Bewegungsmeldern
eingesetzt. Solche Bewegungsmelder sind beispielsweise aus dem Fachbuch „Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder”, Verlag
Moderne Industrie, Landsberg/Lech, 1996 bekannt. Die Hauptanwendungsgebiete
dieser Melder liegen insbesondere im Bereich der Gebäudeautomatisierung
und der Sicherheitstechnik, wobei sie für einfache Schaltaufgaben in
sehr großer
Stückzahl
eingesetzt werden. Die Bezeichnung passiv rührt daher, dass diese Melder keinerlei
Strahlung emittieren. Stattdessen reagieren sie auf bewegte Wärmequellen
in einem definierten Erfassungsbereich. Dabei wird die von der Wärmequelle
ausgehende Infrarotstrahlung über
spezielle Linsen und/oder Spiegel auf einen oder mehrere Infrarotsensoren
gelenkt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das dann in
einer entsprechenden Auswerteelektronik verarbeitet wird. Der pyroelektrische
Infrarotsensor bildet dabei das Herzstück und zugleich auch die anspruchvollste
Komponente eines jeden passiv infraroten Systems und besteht im
Wesentlichen aus dem pyroelektrischen Chip mit einem oder mehreren,
strahlungsempfindlichen Sensorelementen und einer ersten rauscharmen
Signalverarbeitungseinheit (Vorverstärker), die in einem geeigneten
Detektorgehäuse
mit infrarotdurchlässigem Fenster
untergebracht sind.
-
Bekannt
sind Dual- oder Zweielementsensoren, wobei sich die Verwendung von
Lithiumtantalat als pyroelektrisches Material zur führenden
Technologie entwickelt hat. Diese Dualelementsensoren besitzen einen
pyroelektrischen Chip mit zwei geometrisch und elektrisch nahezu
identischen Sensorelementen. Dabei erfolgt durch Reihen- oder Parallelschaltung
der beiden Sensorelemente eine Kompensation gegenüber Umgebungstemperatureinflüssen und
Störstrahlungen
(Gleichtaktunterdrückung),
weshalb auch nur ein Vorverstärker
sowie ein Gehäuse mit
drei Anschlusspins benötigt
werden. Ein Beispiel derartiger Dualelementsensoren sind etwa die
Typen LHi 954/958 von PerkinElmer. Diese bekannte Sensorgeometrie
ist in einer Draufsicht in 1A dargestellt.
Der als Quadrat symbolisierte pyroelektrische Chip 10 des
Detektors definiert die Erfassungsebene, in der die beiden gegenpolig
verschalteten Sensorelemente 1, 2 angeordnet sind. 1B zeigt
die entsprechende Eingangsschaltung eines solchen Sensors. Die beiden
Sensorelemente 1, 2 können dabei entweder, wie in
der 1B dargestellt, in Reihe oder aber parallel zueinander
mit dem Hochohmwiderstand 12 und dem Feldeffekttransistor 13 verbunden
werden und bilden somit einen Signalkanal, der über einen Anschlusspin 11 des
Gehäuses
nach außen
geführt
wird. Das Sensorsignal kann damit einer an die Pins des Sensors
anschließbaren
Auswerteelektronik zugeführt
werden. Diese Sensorgeometrie eignet sich insbesondere für Bewegungsmelder für die Wandmontage,
durch deren Optik die Sensorelemente vertikal in den Raum projiziert
werden und an dem sich die Erfassungsobjekte tangential vorbei bewegen.
Dabei wird die Wärmestrahlung
des Erfassungsobjekts über die
Optik des Bewegungsmelders auf den pyroelektrischen Chip abgebildet,
wobei diese zeitlich nacheinander auf die beiden strahlungsempfindlichen
Sensorelemente trifft. Durch die unterschiedliche Polarität der beiden
Sensorelemente lassen sich damit die horizontalen Bewegungsrichtungen
0° und 180° unterscheiden,
wohingegen bei den vertikalen Bewegungsrichtungen 90° und 270° keine bzw.
nur unzureichende Signale erzeugt werden, die zudem keine Richtungsabhängigkeit
aufweisen.
-
Des
Weiteren sind Vierelementsensoren (quad element) bekannt. Diese
besitzen vier strahlungsempfindliche Sensorelemente in Form eines Quadrats
oder Rechtecks, die quadrantenförmig
angeordnet sind. Dadurch wird eine höhere räumliche Auflösung erreicht.
Ein Beispiel derartiger Vierelementsensoren sind etwa die Typen
LHi 1128/1148 von PerkinElmer. Diese Sensorgeometrien sind in einer
Draufsicht in den
2 und
3 dargestellt. Der
als Quadrat symbolisierte pyroelektrische Chip
10 des Detektors
definiert dabei die Erfassungsebene, in der die vier Sensorelemente
1,
2,
3,
4 angeordnet
sind. Werden diese vier Sensorelemente alle gegenpolig miteinander
auf einen Ausgang verschalten (vgl.
4), dann
werden zwar nur ein Vorverstärker und
ein Gehäuse
mit drei Anschlusspins benötigt,
jedoch können
damit keine zusätzlichen
Informationen über
die Bewegungsrichtung gewonnen werden. Anders ist das bei einer
Verschaltung als sog. Doppel-Dualsensor (siehe
5).
Bei der in
DE 19607608
A1 beschriebenen Ausführung
kommt ein Doppel-Dualsensor
zum Einsatz, der ein vertikales Dualelement und ein horizontales
Dualelement besitzt, wobei das vertikale Dualelement zur Erfassung radialer
Bewegungen und das horizontale Dualelement zur Erfassung tangentialer
Bewegungen ausgebildet sind und somit einen Vertikalkanal und einen Horizontalkanal
bilden. Mit einer derartigen Sensorgeometrie ist es möglich, mehrere
Bewegungsrichtungen zu unterscheiden. Ähnliche Ergebnisse werden mit
der in
US 5432350 beschriebenen
Struktur erzielt. Hierbei werden vier L-förmige, gekrümmte Sensorelementgeometrien
definiert, die punktsymmetrisch um den Mittelpunkt der Erfassungsebene angeordnet sind.
Mit der beschriebenen Ausführung als
Doppel-Dualsensor können
Objektbewegungen aus jeder Richtung detektiert und einer der vier Hauptbewegungsrichtungen
zugeordnet werden.
-
Die
SU 1827552 A1 beschreibt
einen koordinatenempfindlichen pyroelektrischen Strahlungswandler
zur Anwendung als Positionssensor, dessen Ausgangsparameter eine
Abhängigkeit
von der Lage der auf den Wandler einfallenden Strahlung aufweist. Dieser
besitzt vier elektrisch voneinander isolierte Elektroden, die jeweils
paarweise auf den gegenüberliegenden
Flächen
der pyroelektrischen Platte angeordnet sind. Jede der Elektroden
ist in der Form eines Kamms, wobei sich die geometrischen Füllkoeffizienten
entlang der X- und Y-Achse ändern.
Die elektrische Verschaltung entspricht der eines Doppel-Dualsensors,
d. h. es gibt zwei Signalausgänge. Der
entscheidende Nachteil einer Ausführung als Doppel-Dualsensor
besteht darin, dass hierbei zwei Vorverstärker sowie ein Gehäuse mit
vier Anschlusspins benötigt
werden. Dadurch sind die Herstellungskosten für einen solchen Infrarotdetektor
wesentlich höher
gegenüber
einem einfachen Dualelementsensor mit nur drei Anschlusspins. Darüber hinaus
wird für
jeden Signalkanal eine eigene Verstärker- und Filtereinheit benötigt.
-
Die
DE 3240920 C2 beschreibt
einen pyroelektrischen Infrarotstrahlungsdetektor auf der Basis eines
Polymers oder Mischpolymers mit einer angepassten Kompensationsmethode,
die Störungen,
insbesondere in Form von Temperaturdriften, verringern soll. Dazu
sind zwei Bereiche symmetrisch zu einer Mittellinie des pyroelektrischen
Elements ausgebildet, ein Detektionsbereich S1 und ein Kompensationsbereich
S2. Dabei ist die Elektrode auf der Vorderseite des Detektionsbereiches
strahlungsdurchlässig
und die des Kompensationsbereiches strahlungsreflektierend. Des
Weiteren ist eine gemeinsame Elektrode auf der Rückseite vorgesehen. Durch die
Ausgestaltung der Frontelektroden als Kammform wird eine Störungsherabsetzung
erreicht, da die auf diese beiden Bereiche auftreffende Infrarotstrahlung
gleichförmiger
verteilt ist. Eine Detektion der Bewegungsrichtung ist mit diesem
Infrarotsensor allerdings nicht möglich.
-
Das
Gleiche betrifft den in
GB 1377891 beschriebenen
Infrarotdetektor, der auf der Vorderseite des pyroelektrischen Films
zwei kammförmige,
interdigital angeordnete Elektroden besitzt. Auf der Rückseite
des pyroelektrischen Films sind keine Elektroden ausgebildet. Als
Pyroelektrikum wird ein Polymer verwendet, das durch Anlegen einer
hohen Spannung an die beiden Elektroden polarisiert wird. Durch die
kammförmige
Ausgestaltung der Elektroden wird eine Polarisation an der Oberfläche des
pyroelektrischen Films entlang einer ausgewählten Richtung möglich. Die
Polarisationsrichtung entspricht dann nicht mehr der Dickenrichtung
des Pyroelektrikums, weshalb auf eine Reduzierung der Dicke des
pyroelektrischen Materials und die damit verbundenen Nachteile,
wie mechanische Instabilität,
verzichtet werden kann.
-
Ähnliches
beschreibt die
DE
19739477 B4 , wobei hier noch zusätzlich eine ganzflächige Elektrode
auf der Rückseite
des pyroelektrischen Films aufgebracht und auf Masse gelegt wird,
um die Dipolkonzentration zwischen den räumlich interdigital angeordneten
Fingern zu verbessern. Zusätzlich
nimmt der Elektrodenabstand intervallmäßig in einer spezifizierten
Richtung sukzessive zu, wodurch das Zeitverhalten des Sensorsignals
bei Bewegung in genau dieser Richtung beeinflusst wird. Damit lassen
sich zwei Bewegungsrichtungen unterscheiden. Die zusätzlich erwähnten 3D-Sensorstrukturen
sollen eine multidirektionale Erfassung ermöglichen und die exakte Bewegungsrichtung
eines Objektes detektieren können.
Dazu ist aber eine Vielzahl von Sensorelementen notwendig, wodurch
Komplexität
und Herstellungskosten stark ansteigen.
-
Bisher
besitzen nur Mehrelementsensoren sowie Zeilen- und Matrixsensorarrays
mit mindestens vier oder mehr strahlungsempfindlichen Sensorelementen,
bei denen das Signal eines jeden Sensorelements getrennt ausgewertet
werden kann, eine ausreichend hohe räumliche Auflösung, um
beliebige Bewegungsrichtungen eines Objekts zu erkennen.
-
So
wird z. B. in
US 4914298 eine
Detektoranordnung mit vier strahlungsempfindlichen Sensorelementen
(in Quadrantenanordnung) beschrieben, wobei für jedes Sensorelement ein eigener
Vorverstärker
im Gehäuse
integriert ist und die vier resultierenden Sensorsignale einer an
das Gehäuse
anschließbaren
Auswerteelektronik zugeführt
werden. Derartige Detektorvorrichtungen benötigen aber spezielle Sensorgehäuse, da
für jedes
Sensorelement ein eigener Vorverstärker im Gehäuse untergebracht, sowie jedes
einzelne Signal über
einen entsprechenden Anschlusspin nach außen geführt werden muss. Dadurch steigen
Aufwand und Herstellungskosten enorm an.
-
Handelsübliche Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder
mit Zweielementsensoren nach dem Stand der Technik, die nur einen
Vorverstärker
sowie ein Gehäuse
mit drei Anschlusspins aufweisen, können im Wesentlichen nur die
Anwesenheit eines bewegten Objekts in ihrem Erfassungsbereich feststellen. Für zahlreiche
Applikationen sind aber zunehmend Aussagen zur Bewegungsrichtung
gefordert.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen
pyroelektrischen Infrarotdetektor mit drei Anschlusspins bereitzustellen,
der die Fähigkeit
hat, wenigstens zwischen den, in 8 dargestellten,
vier ausgewählten
Bewegungsrichtungen 0°,
90°, 180°, 270° zu unterscheiden.
Speziell für
Bewegungsmelder der Deckenmontage ist es wünschenswert, noch weitere Bewegungsrichtungen
45°, 135°, 225°, 315° zu erkennen.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs ausgebildeten Infrarotdetektor gelöst.
-
Die
Aufgabenstellung wird derart umgesetzt indem das Elektrodensystem
des pyroelektrischen Infrarotdetektors so ausgebildet ist, dass
beim Einsatz im Bewegungsmelder ein richtungsabhängiges Zeitverhalten des Sensorausgangssignals
hervorgerufen wird. Entscheidend ist dabei, dass nur ein Vorverstärker sowie
ein Standardgehäuse
mit drei Anschlusspins verwendet werden und dadurch die Herstellungskosten
für einen
solchen Detektor vergleichsweise niedrig sind. Des Weiteren wird
für die Auswerteelektronik
auch nur eine Verstärker-
und Filtereinheit benötigt,
da lediglich ein Signalkanal vorhanden ist.
-
Der
Aufbau und die Eingangsschaltung des pyroelektrischen Infrarotsensors
gemäß der vorliegenden
Erfindung entsprechen dem eines Standard-Dualelementsensors. Dies umfasst einen
pyroelektrischen Chip mit beidseitig aufgebrachten Elektrodensystemen
und eine erste rauscharme Signalverarbeitungseinheit (Vorverstärker), die
in einem Detektorgehäuse
mit drei Anschlusspins und infrarotdurchlässigem Fenster untergebracht
sind. Der pyroelektrischen Chip besteht aus einem Pyroelektrikum, wie
z. B. Lithiumtantalat oder Lithiumniobat, und ist 4 × 4 mm2 groß mit
einer Dicke von maximal 50 μm.
Auf der Vorderseite sowie auf der Rückseite des Chips sind die
Elektroden aufgebracht, wobei Front- und Rückelektrode eine nahezu identische
geometrische Form haben und annähernd
deckungsgleich angeordnet sind. Das Chipvolumen zwischen Front-
und Rückelektrode
bildet das strahlungsempfindliche Sensorelement. Erfindungsgemäß besitzen
die Elektrodensysteme (und damit die strahlungsempfindlichen Sensorelemente)
eine spezielle geometrische Struktur, so dass beim Einsatz im Bewegungsmelder ein
richtungsabhängiges
Zeitverhalten des Sensorausgangssignals hervorgerufen wird.
-
Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1A,
Bekannte Anordnungen von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
2,
Bekannte Anordnungen von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
3 Bekannte
Anordnungen von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
1B,
bekannte Nachweisschaltungen für Signale
von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
4,
bekannte Nachweisschaltungen für Signale
von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
5 bekannte
Nachweisschaltungen für Signale
von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
6 eine
Sensorelementgeometrie gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
-
7 die
Eingangsschaltung,
-
8 ausgewählte Bewegungsrichtungen,
-
9 das
Zeitverhalten des Sensorausgangssignals der erfindungsgemäßen Sensorelementgeometrie.
-
Wie
in der 6 gezeigt, sind erfindungsgemäß zwei Sensorelemente mit einer
zackenförmigen Elektrodenstruktur
vorgesehen, wobei jeweils vorwiegend zwei Zacken ausgebildet und
mit einem schmalen Steg miteinander verbunden sind. Die beiden Sensorelemente
sind zueinander so angeordnet, dass deren Zacken wie die Zähne zweier
im Eingriff befindlicher Zahnräder
ineinander greifen, sich aber nicht berühren. Die Zacken bilden dabei
vorzugsweise ein allgemeines Dreieck. Die in der 6 angegebenen
Polaritäten
der beiden Sensorelemente ergeben sich aus der bevorzugten gegenpoligen
Verschaltung (vgl. 7) der Einzelsensorelemente. Dabei
verbindet die Rückelektrodenverbindung 5 die beiden
strahlungsempfindlichen Sensorelemente 1, 2 elektrisch
miteinander. Das Sensorsignal wird an den beiden Kontaktierungsflächen 6, 7 der
Frontelektrode abgegriffen und dem Feldeffekttransistor (FET) 13 zugeführt, der
zusammen mit dem Hochohmwiderstand 12 einen Impedanzwandler
darstellt. Anschließend
wird das Sensorsignal über
einen Anschlusspin 11 des Sensorgehäuses nach außen geführt.
-
Durch
die gewählte
geometrische Gestaltung und Anordnung der Sensorelemente wird beim Einsatz
im Bewegungsmelder ein richtungsabhängiges Zeitverhalten des Sensorausgangssignals
erzeugt, das in 9 für ausgewählte Bewegungsrichtungen dargestellt
ist. 9 zeigt dabei nicht das Sensorsignal, wie es am
Ausgangssignalpin des Sensors vorliegt, sondern nachdem es im Bewegungsmelder
verstärkt
und gefiltert wurde. Durch die Optik des Bewegungsmelders trifft
die Wärmestrahlung
der sich bewegenden Wärmequelle
zeitlich nacheinander auf die strahlungsempfindlichen Bereiche der
Sensorelemente. Für
die ausgewählten
Bewegungsrichtungen 0°,
90°, 180°, 270° (vgl. 8) ergeben
sich dabei unterschiedliche Zeitverläufe, die aus einer Sequenz
von Signalen unterschiedlicher Anzahl und Polarität bestehen.
Während
die Wärmestrahlung
bei den vertikalen Bewegungsrichtungen 90° und 270° auf jedes Sensorelement nur
einmal trifft, trifft sie bei den horizontalen Bewegungsrichtungen
0° und 180° (aufgrund
der vier ausgebildeten Zacken) auf jedes Sensorelement zweimal.
Deswegen lassen sich die Bewegungsrichtungen 0°, 90°, 180°, und 270° durch die Anzahl und die Polarität der Extremwerte
im Sensorsignal unterscheiden. Ferner ist es möglich weitere Bewegungsrichtungen,
wie z. B. die diagonalen Bewegungsrichtungen 45°, 135°, 225° und 315° zu erkennen, weil durch die
kontinuierlich abnehmende Breite der Zacken in einer Richtung zusätzlich das
Signalmuster beeinflusst wird (9). Somit
lassen sich nahezu beliebige Bewegungsrichtungen unterscheiden.
-
- 1,
2, 3, 4
- Sensorelemente
- 5
- Rückelektrodenverbindung
- 6,
7
- Frontelektrodenkontaktierungsflächen
- 10
- Pyroelektrischer
Chip
- 11
- Anschlusspins
des Detektorsystems
- 12
- Hochohmwiderstand
- 13
- Feldeffekttransistor
(FET)