具有加速度传感器的红外传感器以及用于运行红外传感器的方法

具有加速度传感器的红外传感器以及用于运行红外传感器的方法
【专利摘要】本发明涉及一种传感器装置（1），其具有：红外传感器（2），所述红外传感器被设计用于检测红外辐射并且输出红外图像数据（4a）；以及至少一个加速度传感器（3），所述加速度传感器被设计用于检测所述传感器装置（1）的瞬时加速度并且输出加速度数据（4b），其中如果所述传感器装置（1）的瞬时加速度超过可预先给定的阈值，那么所述红外图像数据（4a）从所述红外传感器（2）的输出被阻止。
【专利说明】具有加速度传感器的红外传感器以及用于运行红外传感器 的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有集成的红外传感器和加速度传感器的系统以及一种用于特 别是针对民用应用来运行具有加速度传感器的红外传感器的方法。

【背景技术】
[0002] 特别是在远红外范围（FIR, "far infrared"（远红外））中的红外传感器被用于不 同的成像方法、例如在基于陆地的运输工具中用于行人识别或用于热像相机。红外传感器 可以以由微机电结构（MEMS，"micro electromechanical structures"（微机电结构））构 成的阵列来制造。出版物DE 10 2008 041 587 A1和W0 2007/147663 A1例如公开了基于 MEMS的红外传感器。
[0003] 红外传感器和红外传感器阵列除了在民用应用中之外还可以在军事应用中被使 用，例如在用于导弹或其它军事飞行体的控制的成像中被使用。出版物US 6, 279, 478 B1 例如公开了红外传感器在爆炸飞行体中的使用。因此红外传感器和红外传感器阵列被划分 为所谓的"双用"产品并且可能遭受使用或出口限制，即使所述红外传感器和红外传感器阵 列本来仅仅被设置用于民用应用。
[0004] 因此存在对由于其受限的功能性而不适用于军事应用的红外传感器和红外传感 器阵列以及用于运行红外传感器和红外传感器阵列的方法的需求，所述方法不准许在军事 应用中使用红外传感器和红外传感器阵列或者使红外传感器和红外传感器阵列在军事应 用中的使用不感兴趣。


【发明内容】

[0005] 本发明根据一个方面提出一种传感器装置，该传感器装置具有红外传感器和至少 一个加速度传感器，该红外传感器被构造用于检测红外辐射并且输出红外图像数据，该至 少一个加速度传感器被构造用于检测传感器装置的瞬时加速度并且输出加速度数据，其中 如果传感器装置的瞬时加速度超过预先编程的阈值，那么红外图像数据从红外传感器的输 出被阻止（blockiert)。
[0006] 本发明根据另一方面提出一种传感器系统，该传感器系统具有根据本发明的传感 器装置和分析电路，该分析电路被构造用于接收加速度传感器的加速度数据并且将传感器 装置的瞬时加速度与预先编程的阈值进行比较，并且根据该比较在预先确定的持续时间内 阻止红外图像数据从红外传感器的输出。
[0007] 本发明根据另一方面提出一种用于运行传感器系统的方法，该方法具有以下步 骤：检测传感器系统的瞬时加速度的值；将所检测的瞬时加速度的值与可预先给定的阈值 进行比较；如果所检测的值没有超过或没有足够长时间地超过阈值，那么释放红外传感器 的红外图像数据；以及如果所检测的值在足够长的时间段内超过了阈值，那么阻止红外传 感器的红外图像数据或去激活红外传感器。
[0008] 本发明的优点 本发明的构思是，将加速度传感器与红外传感器或红外传感器阵列集成在传感器装置 中，使得在传感器装置的、超过预先给定的阈值的加速度值情况下去激活红外传感器或红 外传感器阵列或在确定的时间段内中断其传感器数据输出。为此例如可以设置分析电路， 该分析电路根据通过加速度传感器所确定的加速度值阻止或允许红外传感器或红外传感 器阵列的数据输出。
[0009] 该传感器装置的一个显著的优点在于，可以通过该行为方式显著地限制针对军事 应用的可使用性，因为出现在典型的民用应用中的加速度值显著地小于出现在典型的军事 应用中的加速度值。
[0010] 特别有利的是，将一个或多个红外传感器和加速度传感器整体地集成在衬底中。 由此可以一方面节省结构空间，另一方面由此使在太高的加速度值情况下通过修改或分离 红外传感器而回避受限的传感器数据输出变得困难。通过不同的传感器在衬底中的集成， 可以遵循垂直的集成方式，由此可以降低制造成本并且简化制造过程。
[0011] 有利地，加速度传感器可以附加地被用于确定通过红外传感器所检测的对象的运 动方向。例如所检测的对象的横向加速度或速度可以通过对红外传感器的传感器数据以及 加速度传感器的加速度数据同时进行分析来确定。如果在运输工具前运动的生物如行人或 野生动物被检测到，那么这在实施夜视仪器的情况下对于基于陆地的运输工具、例如汽车 是特别有利的。通过确定行人或动物的运动方向，可以自动地采取躲避措施。
[0012] 按照根据本发明的传感器装置的一种实施方式，红外传感器和至少一个加速度传 感器可以具有微机电结构。
[0013] 按照根据本发明的传感器装置的另一种实施方式，红外传感器和至少一个加速度 传感器可以整体地被集成在半导体衬底中。
[0014] 按照根据本发明的传感器装置的另一种实施方式，至少一个加速度传感器可以具 有压阻式或电容式检测元件。
[0015] 按照根据本发明的传感器装置的另一种实施方式，至少一个加速度传感器可以被 构造用于检测指向红外传感器的检测方向上的加速度。军事应用经常对准红外传感器的运 动方向上的成像方法。该使用在确定传感器系统在红外传感器的视向上的加速度的情况下 例如在导弹发射（Raketenstart)时极为有效地被禁止。
[0016] 按照根据本发明的传感器系统的一种实施方式，分析电路此外可以被设计用于， 如果传感器装置的瞬时加速度比预先确定的时间段更长地超过预先编程的阈值，那么在预 先确定的持续时间内阻止通过红外传感器对红外图像数据的输出。这提供以下优点，即在 释放红外图像数据时例如在使用传感器系统的设备落下的情况下不考虑对阈值的短期超 过。
[0017] 按照根据本发明的传感器系统的另一种实施方式，可预先给定的阈值可以是10g。 这提供以下优点，即该传感器系统针对民用应用保持几乎不受限制地可投入使用。
[0018] 按照根据本发明的方法的一种实施方式，该方法此外可以具有步骤：将红外图像 数据与所检测的瞬时加速度的值组合，用以确定在红外图像数据中所检测的运动的对象的 运动参数。
[0019] 本发明的实施方式的其它特征和优点由参考附图的随后描述得出。

【专利附图】

【附图说明】
[0020] 图1不出根据一种实施方式的具有红外传感器和加速度传感器的传感器系统的 示意图； 图2示出根据另一种实施方式的具有红外传感器和加速度传感器的传感器系统的示 意图； 图3示出根据另一种实施方式的具有一个红外传感器像素和三个加速度传感器的 MEMS传感器装置的示意图； 图4示出图1中的传感器装置的横截面的示意图；以及 图5示出根据另一种实施方式的用于运行传感器系统的方法的示意图。

【具体实施方式】
[0021] 图1示出具有传感器装置1和分析电路4的传感器系统10的示意图。传感器装置 1例如可以具有红外传感器2或红外传感器阵列2和至少一个加速度传感器3。传感器装 置1例如可以具有基于微机电的传感器（MEMS传感器）并且例如以SOI技术("silicon on insulator"（绝缘体上娃)）来构造。红外传感器2或红外传感器阵列2的像素（Pixel)的 数量以及加速度传感器3的数量在图1中仅仅示例性地被示出并且原则上不受限制。
[0022] 红外传感器2例如可以被设计用于检测要映射（abzubildenden)的对象的远红外 范围（FIR, "far infrared (远红外）"）中的福射，并且输出红外图像数据4a。在此红外传 感器2或红外传感器阵列2可以具有主检测方向，该主检测方向基本上垂直于传感器装置 1的有效表面。该主检测方向在下文中被称为红外传感器2或红外传感器阵列2的视向。
[0023] 加速度传感器3可以被设计用于检测传感器装置1的加速度并且将所检测的加速 度的值作为加速度数据4b输出。在此加速度传感器3例如可以检测加速度，所述加速度基 本上在相对于传感器装置1的有效表面的垂直方向上、也就是说在红外传感器2或红外传 感器阵列2的视向上出现。也可以使用其它的、在图1中未被明确示出的加速度传感器，所 述加速度传感器在另外的空间方向上检测传感器装置1的加速度。
[0024] 红外图像数据4a和加速度数据4b可以被转交给分析电路4c，该分析电路可以组 合所述数据，以便输出运动参数4c，所述运动参数表征运动的对象，该对象通过红外传感器 2或红外传感器阵列2以成像的方式被检测。
[0025] 如果传感器装置1的瞬时加速度超过可预先给定的阈值、例如10g，那么通过红外 传感器2对红外图像数据4a的输出可以被阻止。为此，分析电路4可以被设计用于，接收 加速度传感器3的加速度数据4b并且将传感器装置1的瞬时加速度与预先编程的阈值进 行比较，并且根据该比较在预先确定的持续时间内阻止通过红外传感器2对红外图像数据 4a的输出或相应地暂时去激活红外传感器2。预先确定的持续时间例如可以是几秒。
[0026] 图2示出根据另一个实施例的具有传感器装置1和分析电路4的传感器系统10 的示意图。传感器装置1例如可以具有红外传感器2或红外传感器阵列2和至少一个加速 度传感器3。在图1中的传感器装置1和在图2中的传感器装置1之间的区别基本上在于， 分析逻辑电路2c被集成到红外传感器2或红外传感器阵列2中，该分析逻辑电路被设计用 于，分析加速度传感器3的加速度数据4b并且根据该比较在预先确定的持续时间内阻止通 过红外传感器2对红外图像数据4a的输出。
[0027] 图3示出具有一个红外传感器像素2和三个加速度传感器3、5和6的MEMS传感 器装置1的示意图。红外传感器像素2例如可以拥有两个串联的二极管2a、2b作为微机电 结构（MEMS)。然而，在此二极管2a、2b的数量原则上不受限制。加速度传感器3示例性作 为z加速度传感器被示出，该z加速度传感器具有MEMS检测元件3a，该MEMS检测元件例如 可以以压电的方式被耦合到传感器装置1的衬底上。以类似的方式，加速度传感器5和6 作为横向加速度传感器被不出，所述横向加速度传感器具有相应的MEMS检测兀件5a或6a， 所述MEMS检测元件例如可以以压电的方式或以压阻的方式被耦合到传感器装置1的衬底 上。该红外传感器像素2和三个加速度传感器3、5和6在此整体地被集成在MEMS衬底中， 也就是说红外传感器像素2和三个加速度传感器3、5和6的MEMS功能性被集成在MEMS衬 底的相同的有效表面上。红外传感器像素2和加速度传感器3、5和6的整体集成提供以下 优点，即工作方式的重新编程、也就是说在超过阈值加速度的情况下红外图像数据4a的输 出的阻止的取消不能容易地被执行。
[0028] 图4示出传感器装置1，特别是红外传感器像素2和加速度传感器3的横截面视 图的示意图。传感器装置1可以被构造在衬底13、例如半导体衬底如硅上。在衬底13上 可以施加有外延层12或器件层12 (在SOI技术的情况下)。在外延层或器件层12之上可 以施加有例如由氧化硅构成的绝缘层11。红外传感器像素2可以具有掺杂的二极管岛2a、 2b，所述二极管岛包含用于电接触的金属化结构18。此外，接触层17可以被设置作为通向 二极管岛2a、2b的电引线。通过自由蚀刻步骤（Freijitzschritt)，二极管岛2a、2b可以通 过在衬底13或外延层或器件层12中的岛之下的空洞结构14与衬底相间隔，以便将红外传 感器像素2与周围环境温度去耦。为此，蚀刻通道可以被引入到绝缘层11中，通过所述蚀 刻通道可以实现外延层或器件层12以及衬底13的自由蚀刻。
[0029] 在同一自由蚀刻步骤中，也可以实现加速度传感器3的检测元件3a之下的空洞结 构15的自由蚀亥lj。检测元件3a可以是加速度传感器3的惯性质量（tdge Masse)并且具 有另外的金属化结构19。加速度传感器3例如可以相对于衬底13以电容的方式分离，或基 于压阻效应。在此应该清楚的是，存在以MEMS结构来成形加速度传感器3的很多可能性， 并且基本上可以自由选择加速度传感器3、5和6的类型。
[0030] 传感器装置1可以包括真空在内被封装，使得红外传感器像素2和加速度传感器 3、5和6相应地被隔离并且被保护免受外部的影响。
[0031] 图5示出用于运行传感器系统、特别是如结合图1至4所描述的传感器系统10的 方法20的示意图。该方法20例如可以被用于将传感器系统10的可用性限制到民用应用 如热像相机、夜视仪器或类似的领域上。
[0032] 在第一步骤21中，首先可以检测传感器系统10或传感器装置1的瞬时加速度的 值。为此例如可以分析传感器装置1的加速度传感器3、5和6中的至少一个的输出数据 4b。该分析在此可以通过分析电路4来实现。在第二步骤22中，可以将所检测的瞬时加速 度的值与预先编程的阈值进行比较。可预先给定的阈值在此可以根据应用情况被定义。例 如该阈值可以是l〇g。但是也可能可以将更高或更低的阈值作为程序输入。
[0033] 在步骤23中可以确定，所检测的瞬时加速度的值是否超过阈值。在此例如可以仅 仅进行简单的瞬时值比较。然而也可以规定，只有当所检测的值在至少一个可预先给定的 时间段内位于该阈值之上，才确定出超过阈值。该时间段例如可以是一秒。然而，也可以根 据应用情况更高或更低地选择该时间段。如果在步骤23中已经确定出所检测的值没有超 过或没有足够长时间地超过阈值，那么在步骤24中促使释放红外传感器2或红外传感器阵 列2的传感器数据或红外图像数据4a。此后在步骤21处开始可以重新检查或监控传感器 系统10的加速度值。
[0034] 如果在步骤23中已经确定出所检测的值在足够长的时间段内超过了阈值，那么 在步骤25中促使阻止红外传感器2或红外传感器阵列2的传感器数据或红外图像数据4a 或去激活红外传感器2或红外传感器阵列2。该阻止或去激活可以在预先确定的持续时间 内、例如几秒内被维持。在该持续时间到期之后才可以在步骤21处开始重新检查或监控传 感器系统10的加速度值。由此使得该传感器系统10对于军事应用是不可用的，因为在那 里高的加速度值经常并且在较长的时间间隔上出现并且需要高的图像重复率，以便可以跟 踪快速飞行的对象。通过合适地预先给定阈值，可以排除传感器系统10的军事使用，而民 用使用没有实质上的限制地继续保持可能。
[0035] 如果使用合适的加速度传感器3、5或6,也可以可选地将加速度数据4b与红外图 像数据4a组合，以便映射在红外图像数据4a中所检测的运动的对象的运动。如果横向加 速度传感器5和/或6的横向加速度值存在，那么这例如可以在分析电路4中实现。分析 电路4于是可以输出运输工具或设备的运动参数4c，使得如果红外传感器2已经检测到行 人、动物或其它的运动的对象，那么例如在运输工具的夜视仪器中使用传感器系统10的情 况下可以基于运动轨迹采取躲避措施。
【权利要求】
1. 传感器装置（1)，具有： 红外传感器（2)，所述红外传感器被设计用于检测红外辐射并且输出红外图像数据 (4a);以及 至少一个加速度传感器（3)，所述加速度传感器被设计用于检测所述传感器装置（1) 的瞬时加速度并且输出加速度数据（4b)， 其中如果所述传感器装置（1)的瞬时加速度超过预先编程的阈值，那么所述红外图像 数据（4a)从所述红外传感器（2)的输出被阻止。
2. 根据权利要求1所述的传感器装置（1 )，其中所述红外传感器（2)和所述至少一个加 速度传感器（3)具有微机电结构。
3. 根据权利要求2所述的传感器装置（1 )，其中所述红外传感器（2)和所述至少一个加 速度传感器（3)整体地被集成在半导体衬底（13)中。
4. 根据权利要求2和3之一所述的传感器装置（1 )，其中所述至少一个加速度传感器 (3)具有压阻式或电容式检测元件（19)。
5. 根据权利要求1至4之一所述的传感器装置（1 )，其中所述至少一个加速度传感器 (3)被构造用于检测指向红外传感器（2)的检测方向上的加速度。
6. 传感器系统（10)，具有： 根据权利要求1至5之一的传感器装置（1);以及 分析电路（4)，所述分析电路被设计用于接收所述加速度传感器（3)的加速度数据 (4b)并且将所述传感器装置（1)的瞬时加速度与可预先给定的阈值进行比较，并且根据所 述比较在预先确定的持续时间内阻止红外图像数据（4a)从所述红外传感器（2)的输出。
7. 根据权利要求6所述的传感器系统（10)，其中所述分析电路（4)此外被构造用于，如 果所述传感器装置（1)的瞬时加速度比预先确定的时间段长地超过可预先给定的阈值，那 样在预先确定的持续时间内阻止通过所述红外传感器（2)对所述红外图像数据（4a)的输 出。
8. 根据权利要求6和7之一所述的传感器系统（10)，其中所述可预先给定的阈值是 10g。
9. 用于运行根据权利要求6至8之一的传感器系统（10)的方法（20)，具有以下步骤： 检测（21)所述传感器系统（10)的瞬时加速度的值； 将所检测的瞬时加速度的值与可预先给定的阈值进行比较（22); 如果所检测的值没有超过或没有足够长时间地超过所述阈值，那么释放（24)所述红外 传感器（2)的红外图像数据（4a);以及 如果所检测的值在大于所确定的时间段的时间段内超过了所述阈值，那么阻止（25)所 述红外传感器（2 )的红外图像数据（4a)或去激活所述红外传感器（2 )。
10. 根据权利要求9所述的方法（20)，此外具有以下步骤： 将所述红外图像数据（4a)与所检测的瞬时加速度的值组合，以便确定在所述红外图像 数据（4a)中所检测的运动的对象的运动参数（4c )。
【文档编号】G01J3/51GK104145476SQ201380012466
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年1月24日 优先权日:2012年3月5日
【发明者】I.赫尔曼, C.舍林 申请人:罗伯特·博世有限公司