TWI472726B - 輻射感測器 - Google Patents

Description

輻射感測器

根據申請專利範圍之獨立項所述，本發明係關於一種輻射感測器。這種輻射感測器係由專利DE 19735379與DE 10 2004 028022所揭示。

輻射感測器轉換入射輻射成為電子信號以進行偵測。該偵測之性質可為定性或定量。

定性偵測，例如在該感測器之視野內的動作偵測。定量偵測可為用於溫度偵測的溫度測定，例如量測人體的溫度。

在該感測器中的一或多個感測元件轉換輻射成為電子信號，並將它們適當地成形與格式化。因為通常入射的信號非常微弱，成形化通常至少包括放大及/或阻抗轉換。亦可能進行濾波。這種成形化的信號被輸出用以進行進一步處理，來完成所需要的定性或定量偵測。定性偵測可以包含一強度臨界值之比較。定量偵測可以包含一強度-溫度信號之轉換。

通常空間中的解析度需要位在該感測器的視野之內。然後該感測器具有某種光束成形化元件，例如在其外殼中有某種鏡片或鏡面，用於收斂或聚焦入射輻射到感測元件之上。可提供複數個感測元件，一特定的感測元件輸出一信號，使得其可由該等個別感測元件的不同輸出來推斷出空間的資訊，係根據在那些元件接收到收斂或聚焦的輻射。

第1圖所示為感測器10之典型結構的側視圖。其測量之輻射通常為紅外線輻射，其靈敏度之最大值在波長區域高於1 μm。在第1圖中，1根據該等個別入射輻射被指定為複數個感測元件輸出，而無關於各個其它電子輸出信號。該入射輻射之符號為光束9。落到感測器10上的光束可假設為平行的輻射，因為該輻射源相較於該感測器尺寸通常為很遠。光束收斂手段5，例如提供做為整體外殼4至6的一部份，收斂該輻射到感測元件1之上。收斂可為聚焦，且感測元件1位在該聚焦平面中。光束收斂手段5可為鏡片，尤其是具有平行於或重合於該外殼之軸心的光學軸之球形透鏡。11代表做為收斂手段5的光學軸的軸，其重合於金屬蓋4的對稱軸，其通常為管狀。

亦提供某種電路2，其接收來自感測元件1的信號。該感測器另具有終端7，其可以包括用於供應電力至該感測器內之電子組件的電力終端，及輸入與輸出終端，其用於根據該入射輻射而輸入控制信號及輸出信號。

已知的感測器之缺點在於它們的輸出信號會受到雜訊影響，因此無法精確地反應所要偵測的狀況，且使用很複雜，且因此需要其它外部處理。

本發明之目的在於提供一種輻射用感測器，用於提供準確並簡易地使用輸出信號。

此目的由申請專利範圍第1項之特徵達成。附屬項係關於本發明之較佳地具體實施例。

一輻射感測器包含一或多個輻射感測元件，及接收該等感測元件之電子信號的電路，並根據該感測元件之電子信號提供一感測器輸出信號。該電路包含一切換信號電路，用於產生在該感測器外部的一可切換組件之開/關輸出信號，或包含一數位輸出信號電路，用於提供一多位元序列輸出信號。該感測器另具有一輸出終端，較佳地是僅一個輸出終端，用於以交替的方式輸出該開/關輸出信號或該多位元序列輸出信號或同時輸出兩者。

利用前述的特徵，該輸出信號因為其以「即可使用」(ready-to-use)格式由該感測器輸出而可簡易地使用。僅提供一個輸出終端可降低內部組件受到外部雜訊的影響，因為整體而言，所提供的少數終端僅會收集到少量的外部雜訊。

在該感測器外殼內提供的電路可設計成具有少於50 μW的電力消耗，較佳地是少於20 μW，或少於10 μW。所消耗的電力被轉換成熱量，因此在該感測器內的加熱功率低於公稱值，使得內部被加熱所造成內部產生的感測失真可被維持較小，且在可忽略的位準之下。

可以提供一溫度基準元件用於測量該感測器之相關部份的溫度，做為信號評估的考慮。

該等感測元件可為溫差電堆、熱輻射計或熱電感測元件。它們可用配對方式提供做為共通模式抑制。複數感測元件可提供成一陣列(縱向配置)或做為一矩陣(覆蓋某個區域)，以用於允許空間解析度。

該等感測元件可具有吸收及/或反射層，用於改善/降低該入射輻射的吸收。

該電路可包含一數位零件，用於完成數位信號處理，並可包含一類比/數位轉換器(AD轉換器)，用於轉換類比信號成為數位信號，其中後者可提供為複數平行位元或做為一序列位元流。

濾波手段可提供在該光學路徑上，或在該類比信號路徑或在該數位信號路徑上。

該外殼可具有相當好的熱傳導性。尤其是其熱傳導率優於純銅的20%，較佳地是優於其50%。

另外，該外殼可為導電性，用於遮蔽內部電路對抗外部電磁輻射，此可降低其對於內部電路的影響。

該外殼可具有標準化的尺寸，例如依據TO5標準或TO46標準。其亦可成形為一SMD(表面黏著元件，Surface mounted device)。

第1圖所示為可應用本發明之一種感測器。一電路板3承載感測元件1與電路2。終端7逐一穿過一外殼4至6的基底板6，藉由如接合線8所示，被連接至電路2及/或感測元件1，。電路板3可提供在基底板6上。在所示的具體實施例中，該感測器僅包含一輸出終端7a，以用於輸出 該偵測信號。

第2圖所示為該開放感測器之平面圖。在該感測器的基底板6上，一小型電路板3用於提供支撐一基板20，其承載有感測元件1與電路2，較佳地是形成一ASIC。編號7a到7d代表終端7之內側末端到達外側，如第1圖所示。他們在內側端處可被加寬來預備接合。接合線8可由該等終端末端處到達適當的計數器終端，例如在電路/ASIC 2上。感測元件1亦可經由接合連接或其它種類的連線來連接至ASIC 2。

21代表一溫度基準感測器，用於感測該感測器之相關部份的溫度。該相關部份可為承載感測元件1的基板。但同樣地，溫度基準感測器21可被整合到ASIC 2當中。其亦藉由適當的手段連接至電路2。其輸出信號可被考慮用於評估來自感測元件1的信號。

整體而言，外殼基底板6、電路板3、基板20與在基板20上的感測元件1及電路2可行成一堆疊。

光束收斂手段5可為一鏡片或Fresnel鏡片。其與提供有感測元件1的該平面之距離D可為該鏡片之焦距，或可與其在z方向上(朝向或遠離該鏡片)偏離一限定值。

在第2圖中，11代表光束收斂手段5的光學軸。該感測元件1可相對於該光學軸對稱地被具有，或以某種非對稱地方式。

感測元件1可具有共通模式抑制。用於紅外線輻射的感測元件通常在它們的終端處提供DC信號。該配置可使得兩個感測元件在相同方向上(共通模式)接收的信號成分彼此抵消。此可藉由串聯或並聯連接兩個具有相反極性的感測元件來達成，即在串聯連接中為連接該等個別正終端或該等個別負終端，且並聯連接一個感測元件之正極到其它感測元件的負極。然後，該共通模式抵消並僅聚焦來自一不同來源的輻射，僅撞擊到該等感測元件中之一，而將造成一信號，因為其並未由來自該個別其它感測元件的相同但相反極性的信號成分所抵消。藉此擾動量，例如整個裝置之溫度上升，或散佈很廣的輻射源，例如對於入射的陽光造成表面的加熱，皆不會造成漏失偵測。該等連接的感測元件可以彼此相鄰，或比一感測元件的尺寸要距離更遠。

被建構在該感測器內的電路2，使得其在操作模式下具有少於50 μW的電力消耗，較佳地是少於20 μW，或少於10 μW。消耗的電力被轉換成熱量。藉由設計使得消耗的電力較小，所得到的加熱功率亦小。然後，該內部加熱不會造成漏失偵測。其亦顯示出由該內部電路本身產生的熱量明顯地會造成漏失偵測。感測元件1通常基於轉換入射輻射由該等感測元件操作感測的熱量。該等感測元件無法區別由入射輻射產生的熱量或是由鄰近的內部電路產生的熱量。因此，為了最小化來自電路功率加熱造成的漏失偵測，電路功率被設計成相當地小，如上所述。

為了避免由於改變內部感測器操作狀態(例如待機或是繁忙運算中)造成功率消耗的改變所產生的溫度變化，設計上可使得在該等多種操作狀態下的功率消耗(最大功率Pmax，最小功率Pmin)僅差異在一預定量內。例如，Pmax/Pmin的比例可低於3、低於2、低於1.5或低於1.2，或者Pmax-Pmin的差值可低於10μW、5μW、2μW或1μW。

此可藉由適當地設計該電路之固有特性來達成。其可提供專屬的功率消耗控制手段，例如功率消耗控制器，其中可包括一適當控制的虛擬消耗者，其用於保持功率消耗高於相對於所有可能的操作狀態之最高可能的功率消耗所定義的某個位準之上。該功率消耗控制器可能增加功率消耗，例如在該虛擬消耗者或是當消耗較低時在另一組件中。藉此，功率消耗可相當地均勻，且因此內部加熱功率相當均勻，因此其所造成的溫度變化可相當低。

電路2包括該切換信號電路，用於產生該開/關輸出信號，或包括該數位輸出信號電路，用於提供該多位元序列輸出信號。其在架構上連接於感測元件1與輸出終端7a之間。

光束收斂手段5可由IR透明材料製成。其可包含矽或鍺做為主要成份或其混合物。該鏡片可由微型加工來成形。

在該光學路徑上的濾波可藉由提供濾波層來達到，例如在光束收斂手段5上提供像是具有濾波層之鏡片或Fresnel鏡片。它們可成形為抗反射層，或為帶通、低通或高通層。複數個層可以堆疊的方式提供來設計出所需要的傳輸特性。該光學濾波可以包含高於5層或高於10層或高於20層。

為了避免整體感測器之熱不平衡性，該感測器之外殼可以包含具有相當良好熱傳導性的材料。其可優於純銅的20%或優於50%之熱傳導性。該感測器外殼4至6可以包含由前述材料以適當方式(特別是同心)形成的金屬蓋4，並承載一輻射入口，例如收斂手段5。藉此，該感測器之熱不平衡性可降低，使得同樣地可降低由於熱不平衡性造成的漏失偵測。

該外殼(蓋子)的感測器內壁之反射率可小於0.5、小於0.2或小於0.1，即少於被反射之入射輻射的50%、20%、10%。對於選擇的應用，其可小於5%或小於1%。此經由收斂手段5而用於最小化該預定輻射路徑之側向輻射路徑的影響，與經由內部反射而可能發現進入到該等感測元件之路徑。其可被快速地吸收，且不會貢獻於在該感測元件處的信號。

第3圖所示為在感測器10之外殼內所提供之電路的示意方塊圖。電路2可為一ASIC(特定應用積體電路，Application specific integrated circuit)，並可包含一類比部份與數位部份，及一類比/數位轉換器。該ASIC可在一個晶片內包含所有前述的組件與功能性。一類比/數位轉換器可為類比組件與數位組件之間的一鏈結。

該等類比組件可包含來自感測元件1之信號的某種放大器33。放大器系數可視需要選擇，並亦可為1倍或小於1倍。放大器可包括阻抗轉換，以用於得到更強的信號做為後續評估。

32可為一類比濾波器，其可過濾掉對於所要偵測的狀況並非典型的信號量。其可為一種低通濾波器，可過濾掉例如高於10Hz或高於5Hz或高於2Hz的頻率。

如果提供複數個感測元件1，可提供某種多工器31，以用於序列地輪詢個別感測元件1，並一個接一個地提供它們的輸出至該等個別提供的類比組件之輸入。同樣地，溫度基準感測器21可連接至多工器31。但同樣地，其亦可直接經由類比/數位轉換器34或多或少地進行。

該等前述的組件可在於該數位電路部份中所提供的一控制器39的控制之下。

該數位電路部份(如35所示)可包含一記憶體36，用於儲存程式資料、輸入資料、暫時資料、測量資料、歷史資料及類似者。

一處理器37可提供用於提供所需要的主要功能性，特別是用於實施該切換信號電路，以用於產生一開/關輸出信號，及/或用於實施該數位輸出信號電路，以用於提供一多位元序列輸出信號。

為了完成這些功能性並產生該等前述的輸出信號，處理器37可執行適當的程式來評估該等測量的數值，以及亦可能經由該等終端中之一而自外部輸入的數值。

當實施用於產生開/關輸出信號的切換信號電路時，該處理器可比較自類比/數位轉換器34接收的該等測量值中的一或多者，與預先定義或調整的臨界值，且在當超過該臨界時產生一偵測信號。該臨界可由來自一輸入終端的一 外部輸入定義，以用於定義該感測器的靈敏度。在發現到一正偵測之後，一輸出信號可由第一狀態切換到第二狀態(關到開)。其可根據亦由處理器37實施的預定條件來重置(至第一狀態，即關閉狀態)。該條件在當量測的信號消失，或在一預定時間(例如2秒)之後重置，或在經由該等輸入終端中之一接收的一輸入信號決定的時間之後重置時可被重置。該處理器之輸出可被給定至輸出終端7a。其特性(振幅及/或內部電阻及/或頻率及/或編碼)可使得其適用於立即驅動可直接連接至該感測器之外部切換組件。該等兩個狀態(開/關)可由不同的電壓來反應。該等兩個電壓之間的電壓差可高於0.2伏特，或高於0.5伏特，或高於1伏特。於輸出終端7a處的輸出電阻可小於100歐姆，或小於50、20或10歐姆。

當具體實施數位編碼的定量輸出信號電路時，處理器37可再次進行來自類比/數位轉換器34的該等測量信號之評估，其依此接收來自一或多個感測元件1之輸入。該評估可在由儲存在記憶體36中的一程式所反應的給定條件之下來進行。該等評估的結果可得到一定量值，例如用於反應一溫度值。此數值可被給定至一Codec(編碼/解碼電路(Coding/decoding circuit))38，其可以編碼該定量值成為一預先定義的編碼方式之一序列位元流。此可被給定至輸出終端7a。藉由Codec 38，該序列信號被再次成形(振幅、位元持續時間、內部電阻)而適合於由符合所選擇的編碼方式的外部(聆聽)組件來立即接收。Codec 38可根據一種已知 的編碼方式來操作，例如二元化或類似者。

該感測器可被調整成以一可選擇的方式來同時實施一切換信號電路與一數位輸出信號電路，例如可由經由終端7其中之一的一輸入信號來做選擇。

該感測器可具有三個終端7，即一個輸出終端7a與兩個電力終端7b與7c，7b用於供應電壓，而7c用於接地。輸出終端7a輸出前述之數位序列輸出信號或前述之切換信號，或以交替方式輸出兩者。該感測器亦可具有第四終端7d，以用於一輸入信號。其可為一靈敏度設定信號，或一開啟時間設定信號，或一致能信號，或一選擇信號，或一同步信號，其用於同步化感測器內部循環/時序與外部需求。該感測器亦可包含一個以上的輸入終端。其可包含對於該等前述之輸入量之每一者的輸入終端，即一個終端用於靈敏度設定，一個終端用於開啟時間設定，一個終端用於致能設定，一個輸入終端用於前述的選擇信號，而一個輸入信號用於該同步信號。

39代表一控制器，用於控制該等個別的類比與數位組件之功能性。技術上而言，數位電路部份35可具有一CPU，其在適當時間實施處理器37、控制器39與Codec 38。

控制器39可以控制多工器31、濾波器32、類比/數位轉換器34，以及該等數位組件之操作。

Codec 38亦可用於解碼來自該等輸入終端中之一的編碼輸入資料。

該致能輸入可以接收來自一感光裝置的信號，使得當 已經偵測到有光線時，可避免輸出一切換信號電路的一開/關輸出信號。此可避免例如在白天期間進行操作。

感測器之靈敏度可經由晶片級，較佳地是在ASIC層級的遮罩程式化來定義。電路2可以包含可能被永久修正來得到所需要之靈敏度的結構。此可在該類比信號部份或該數位信號部份中完成。其在第3圖中以編號40代表，且其顯示為做為濾波器32及/或放大器33之類比分支影響操作的一部份。但同樣地，其可提供在數位電路部份35中。

在其外觀中，該感測器之尺寸可根據某些標準，例如TO5或TO46。該感測器亦可形成為一表面黏著元件(SMD)，在該表面其中之一上具有接點區域或接點凸塊。

前述關於感測器內部電力消耗的特徵(例如最大值、虛擬消耗者、消耗控制與其它者)亦可無關於該輸出信號之格式，無關於該感測器之終端數目，即不具有該等特徵來使用。

在本說明書中所述之特徵只要它們的組合未因技術原因而排除者，皆應視為可彼此組合。同樣地，參照先前技術所述之特徵只要未與其有衝突皆亦可結合於本發明之特徵使用。

1‧‧‧感測元件

2‧‧‧電路

3‧‧‧電路板

4‧‧‧金屬蓋

5‧‧‧收斂手段

6‧‧‧基底板

7a‧‧‧輸出終端

7b‧‧‧電力終端

7c‧‧‧電力終端

7d‧‧‧輸入終端

8‧‧‧接合線

9‧‧‧光束

10‧‧‧感測器

11‧‧‧光學軸

20‧‧‧基板

21‧‧‧溫度基準感測器

31‧‧‧多工器

32‧‧‧類比濾波器

33‧‧‧放大器

34‧‧‧類比/數位轉換器

35‧‧‧數位電路部份

36‧‧‧記憶體

37‧‧‧處理器

38‧‧‧編碼解碼電路

39‧‧‧控制器

40‧‧‧部份

本發明之具體實施例將參照附屬圖式做說明，其中：第1圖為可應用本發明之感測器的截面圖。

第2圖為該感測器之內部說明的平面圖。

第3圖為該感測器之內部信號處理的區塊電路圖。

1‧‧‧感測元件

2‧‧‧電路

7a‧‧‧輸出終端

7b‧‧‧電力終端

7c‧‧‧電力終端

7d‧‧‧輸入終端

21‧‧‧溫度基準感測器

31‧‧‧多工器

32‧‧‧類比濾波器

33‧‧‧放大器

34‧‧‧類比/數位轉換器

35‧‧‧數位電路部份

36‧‧‧記憶體

37‧‧‧處理器

38‧‧‧編碼解碼電路

39‧‧‧控制器

40‧‧‧部份

Claims (17)

1. 一種輻射感測器(10)，其包含：一或多個輻射感測元件(1)，其根據入射輻射提供一電子信號；一外殼(4至6)，其限定該感測元件，並允許輻射由外部入射到該感測元件上；複數個終端(7)，用於供應電力至該感測器，並用於輸出一感測器輸出信號；及電路(2)，其接收該感測元件的電子信號，並根據該感測元件的電子信號提供該輸出信號，其特徵在於：該電路係設置於該外殼中，且該電路包含一切換信號電路，以用於產生在該感測器外部的一可切換組件之一開/關輸出信號，及/或包含一數位輸出信號電路，以用於提供一多位元序列輸出信號，該感測器具有一輸出終端(7a)，以用於輸出該開/關輸出信號或該多位元序列輸出信號，及該電路係配置成在低於一功率消耗位準下運作，該功率消耗位準係導致所產生之熱量造成感測器的漏失偵測。
2. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含一或多個輸入終端(7d)，用於接收致能信號、靈敏度設定信號或切換信號持續時間設定信號中的一或多者。
3. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中於該外殼內所提供的該電路之電力消耗少於50μW。
4. 如申請專利範圍第1項之感測器，具有四個終端，意即兩個電力終端(7b、7c)、一信號輸出終端(7a)及一輸入終端(7d)。
5. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中該切換信號電路用於產生具有一段預定持續時間或根據一收到的輸入信號之持續時間的開/關輸出信號。
6. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含：一類比/數位轉換器，以用於轉換一類比量成為一序列或並列的數位量，其中該類比/數位轉換器輸入於該感測元件的電子信號，或由其所得到的一信號，以及經由該等輸入終端中至少一者所輸入的至少一輸入信號當中可多工化。
7. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含一溫度基準元件，其連接至該電路，以用於偵測該感測器元件的一基準溫度。
8. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中該感測元件為或包含一溫差電堆、一熱輻射計或一熱電感測元件，及/或可用於偵測紅外線輻射，其波長範圍在2μm到20μm。
9. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含一輻射收斂手段(5)，其收斂入射輻射在一收斂平面上，且複數個感測元件配置成參照該平面的一限定關係中。
10. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中提供一對或複數對極性感測元件，該等對的感測元件被連接用於傳遞具有共通模式抑制的一共通電子信號。
11. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中該電路包含一積體電路，其係為一ASIC，其包含一類比/數位轉換器(2b)，用於類比-數位式轉換信號，尤其是根據一感測元件的電子信號或類比輸入信號所產生的電子信號其中的一或多者，並包含一數位信號處理部份(2c)，其中包含下列一或多項：一記憶體部份，用於儲存輸入資料、程式資料、測量的資料、中間資料當中的一或多者，編碼及/或解碼手段，用於編碼要輸出的資料及/或用於解碼輸入資料，多工化命令手段，用於控制該A/D轉換手段及/或該編碼及/或解碼手段之輸入及/或輸出的連接，運算手段，用於處理自該感測元件之輸出所得到的信號，其中該ASIC另可包含一類比電路部份(2a)，其包含下列一或多項：放大手段，用於放大來自該感測元件的電子信號，阻抗轉換手段，其可連接至一感測元件，濾波手段。
12. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含一輻射收斂手段(5)，其形成為該外殼的一部份，並形成為一連續性，其係為球面鏡或是Fresnel鏡，且以矽及/或鍺做為主要成分而製成。
13. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含濾波手段，以用 於過濾入射在該等感測元件上的輻射，其係形成為在一輻射收斂手段上的一層或複數層做為一抗反射層及/或一帶通層。
14. 如申請專利範圍第1項之感測器，其中該外殼包含由導電性及/或熱傳導性為純銅之至少20%或至少50%之材料所製成的一蓋子。
15. 如申請專利範圍第1項之感測器，包含電力消耗控制手段，特別用於控制電路(2)之感測器內部電力消耗不會低於某數值，該某個數值是相對於該電路之最大可能電力消耗來定義。
16. 如申請專利範圍第1項之感測器，可形成為SMD，或具有TO5或TO46之標準化組態之外殼。
17. 一種輻射感測器，其包含：一或多個輻射感測元件，其根據入射輻射提供一電子信號；電路，其接收該感測元件的電子信號，並根據該感測元件的電子信號提供一感測器輸出信號，一感測器外殼，其限定該至少一感測元件及電路，並允許輻射由該外殼外部入射到該感測元件上；及複數個終端，配置成從一外部電源傳輸電力至該感測器，並輸出該感測器輸出信號至該感測器外殼；其中，該電路包含一切換信號電路，以用於產生在該感測器外殼外部的一可切換組件之一開/關輸出信號，及/或包含一數位輸出信號電路，以用於提供一多位元序列輸 出信號，該感測器具有一輸出終端，以用於輸出該開/關輸出信號或該多位元序列輸出信號，該外殼內所提供的該電路之電力消耗少於50μW，且該感測器外殼包含由導電性及/或熱傳導性為純銅之至少20%之材料所製成的一蓋子。