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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 das Chipvolumen zwischen
den sich überlappenden
Elektrodenflächen das
strahlungsempfindliche Sensorelement bildet. Des Weiteren sind die
sich überlappenden
Elektrodenflächen
auf Oberseite und Unterseite des Chips sichelförmig ausgebildet. Der pyroelektrische
Infrarotdetektor besitzt zwei dieser sichelförmigen, lateral strukturierten
Elektrodenflächen
(Dualelementsensor), die vorzugsweise kreisförmig und entweder punktsymmetrisch
oder annähernd
axialsymmetrisch angeordnet sind. Durch Auswertung charakteristischer
Merkmale der Signalform, wie Signalbreite, Amplitude und Polarität, kann
nahezu jede beliebige Bewegungsrichtung, die auf der Sensorfläche abgebildet
wird, nachgewiesen werden. Durch die kreisförmige Ausrichtung der lateral
strukturierten Elektrodenflächen
in Sichelform kann für
geradlinige Bewegungen, deren Projektionen durch den Mittelpunkt des
Sensors verlaufen, ebenfalls die mittlere Objektgeschwindigkeit
ermittelt werden.
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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.
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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 Umgebungstemperatureinflössen und
Störstrahlungen
(Gleichtaktunterdrückung),
weshalb auch nur elf 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.
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In
DE 29716880 U1 wird
eine pyroelektrische Detektorvorrichtung zur Erfassung bewegter
Objekte mit weiteren Sensorelementgeometrien beschrieben. Diese
werden so ausgeführt,
dass sie durch eine scheibensegment-, kreissegment-, L- oder bogenförmige Umfangskontur
gekennzeichnet sind. Die verwendeten Geometrien werden so ausgelegt,
dass eine Bewegungsdetektion des Objektes, unabhängig von seiner Bewegungsrichtung,
möglich
ist. Die Detektion beliebiger Bewegungsrichtungen oder -geschwindigkeiten
ist mit den beschriebenen Geometrien jedoch nicht möglich.
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Ähnliches
beschreibt die
JP 02278131
A . Es wird ein pyroelektrischer Dualelementsensor aufgeführt, dessen
Sensorelementgeometrien axialsymmetrisch angeordnet sind und deren
Breite teilweise variiert. Die Breitenmodifikation soll so ausgeführt werden,
dass Objektbewegungen deren Projektionen genau zwischen den entgegengesetzt
gepolten Elektrodenflächen
verlaufen, keine Signalauslöschung bewirken.
Die Zielstellung ist wiederum die Detektierbarkeit von Objektbewegungen
unabhängig
von deren Bewegungsrichtung.
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Die
DE 32 40 920 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.
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Das
Gleiche betrifft den in
GB 1
377 891 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.
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Ähnliches
beschreibt die
DE
197 39 477 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.
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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
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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. Der Nachteil einer Ausführung als Doppel-Dualsensor besteht
darin, dass hierbei zwei Vorverstärker sowie ein Gehäuse mit
vier Anschlusspins benötigt
werden, womit sich die Herstellungskosten für einen solchen Infrarotdetektor
stark erhöhen.
Darüber
hinaus wird für
jeden Signalkanal eine eigene Verstärker- und Filtereinheit benötigt.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen
pyroelektrischen Infrarotdetektor mit drei Anschlusspins bereitzustellen,
der die Fähigkeit
hat, wenigstens zwischen den, in 9 dargestellten,
ausgewählten
Bewegungsrichtungen zu unterscheiden und zusätzlich auswertbare Informationen
zur Objektgeschwindigkeit zu generieren. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs ausgebildeten Infrarotdetektor gelöst.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels
mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1A, 2, 3 Bekannte
Anordnungen von pyroelektrischen Sensorelementen,
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1B, 4, 5 bekannte
Nachweisschaltungen für
Signale von pyroelektrischen Sensorelementen,
-
6 eine
Sensorelementgeometrie gemäß einer
ersten, bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
-
7 eine
Sensorelementgeometrie gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung,
-
8 die
Eingangsschaltung,
-
9 ausgewählte Bewegungsrichtungen,
-
10 das
Zeitverhalten des Sensorausgangssignals der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Abhängigkeit
von der Objektbewegungsrichtung,
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11 das
Zeitverhalten des Sensorausgangssignals der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in Abhängigkeit
von der Objektbewegungsgeschwindigkeit bei einer Bewegungsrichtung von
90°.
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Wie
in 6 und 7 gezeigt, sind erfindungsgemäß zwei Sensorelemente
mit einer kreisringsegmentähnlichen
Elektrodenstruktur vorgesehen, wobei die Ringsegmentbreite in einer
Richtung vorwiegend kontinuierlich zu- bzw. abnimmt, so dass sich
die zwei Krümmungsbögen vorzugsweise
an einem Ende dieser Struktur in genau einem Punkt schneiden. An
dem anderen Ende dieser sichelförmigen
Strukturen sind die Krümmungsbögen vorzugsweise
durch eine Gerade miteinander verbunden. Diese beiden erfindungsgemäßen Sensorelemente sind
bevorzugt annähernd
axialsymmetrisch angeordnet, so dass sie zusammen nahezu einen vollständigen Kreisring
ergeben. Die entsprechende Symmetrieachse verläuft vorzugsweise durch den Mittelpunkt
des sich damit ergebenden Kreisrings. Die Abweichung von der Axialsymmetrie
stellt das in 6 gezeigte Ineinandergreifen
der breiteren Enden der Sichelstruktur dar. Durch dieses Ineinandergreifen
wird bei dieser Sensorgeometrie das Auftreten nicht detektierbarer
Bewegungsrichtungen verhindert. Die in 6 und 7 angegebenen
Polaritäten
der beiden Sensorelemente ergeben sich aus der bevorzugten gegenpoligen
Verschaltung (vgl. 8) 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 13 zugeführt, der zusammen
mit dem Hochohmwiderstand 12 einen Impedanzwandler darstellt.
Anschließend
wird das Sensorsignal über
einen Anschlusspin 11 des Sensorgehäuses nach außen geführt.
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Durch
die gewählte
geometrische Gestaltung und Anordnung der Sensorelemente wird beim Einsatz
im Bewegungsmelder ein richtungsabhängiges Zeitverhalten des Sensorausgangssignals
erzeugt, das in 10 für ausgewählte Bewegungsrichtungen der
erfindungsgemäßen ersten,
bevorzugten Sensorgeometrie (6) dargestellt
ist. Die in 10 dargestellten Signale geben
die Bewegung von Infrarotstrahlung emittierenden Wärmequellen für ausgewählte Bewegungsrichtungen
wieder. Die Bewegungsrichtung einer Wärmequelle kann aus dem Sensorsignal
durch Auswerten der Polarität
und des Signalbreiten- bzw. Amplitudenverhältnisses der gegenpoligen Signale
eindeutig bestimmt werden. Durch die kontinuierliche Änderung
der sichelförmigen
Elektrodenbreite können
bei vergleichbarer Auswertung alle weiteren Bewegungsrichtungen
detektiert werden. Für
geradlinige Bewegungen, deren Projektionen durch den Mittelpunkt
des Kreisrings verlaufen, kann zusätzlich die mittlere Objektgeschwindigkeit
ermittelt werden. Typische Signalverläufe für drei verschiedene Objektgeschwindigkeiten werden
in 11 gezeigt. Zur Geschwindigkeitsbestimmung wird
die Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der gegenpoligen Signale
ausgewertet.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
wird in 7 gezeigt. Hier sind die sichelförmigen Elektroden
punktsymmetrisch um den Mittelpunkt des Kreisrings angeordnet. Die
Bewegungsrichtung kann bei dieser Ausführung durch Auswertung der
Polaritätsreihenfolge
und der absoluten Signalbreite und/oder Amplitude beider gegenpoliger
Signale bestimmt werden. Somit lassen sich nahezu beliebige Bewegungsrichtungen
unterscheiden.
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Die
Objektgeschwindigkeit ist in Analogie zum ersten, bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das in 6 gezeigt wird, ermittelbar.
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- 1,
2, 3, 4
- Sensorelemente
- 5
- Rückelektrodenverbindung
- 6,
7
- Frontelektrodenkontaktierung
- 10
- Pyroelektrischer
Chip
- 11
- Anschlusspins
des Detektorsystems
- 12
- Hochohmwiderstand
- 13
- Feldeffekttransistor
(FET)