专利名称：热电红外线传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带热电元件的热电红外线传感器，由比如人体等物体辐射的红外线能量的任何变化，均可检测物体的存在与否及其运动。
在涉及装备已制成的各类红外线传感器中，作为红外线能量的变化结果，作为热电元件的输出所提供的热电流，被电流-电压转换电路转换成电压信号，只有预定频带(在检测人体运动情况下，这一频带的中心约为1Hz)的电压信号在一电压放大电路中被放大，并使被电压放大电路放大的电压信号与一预定的用于判断的阈值比较，给出一个检测信号输出。
公知的这类传感器包括电流-电压转换电路，将热电元件的热电流转换成比如电压信号；电压放大电路，用于放大仅在预定频带内的电压信号；和一输出电路，用于使被电压放大电路放大的电压信号与用于判断的高低两个阈值比较。在这种情况下，借助于高电阻Rg的合成阻抗、热电元件的部件电容Cs，以及场效应晶体管的输入阻抗，电流-电压转换电路将已经感知由于人体运动所致红外线能量变化的热电元件提供的(fA量级)瞬时热电流转换成电压’并将这一电压提供给所述场效应晶体管的栅极，作为它的输入，使之实现一个阻抗变化，同时随着该场效应晶体管的源极跟随作用，引起源极电压改变，所述电流-电压转换电路作为其输出，相对于源极电压的改变，还以电压信号形式给出一个发生在输出电阻上的电压降。
在此，所述电压放大电路由两级结构组成，它们包括一个采用运算放大器的非倒相放大器和一个也是采用运算放大器的倒相放大器，所述电压放大电路具有约为80dB的放大增幅。另外，通过适当选择连在两个运算放大器倒相输入端与输出端之间的反馈电阻和电容的值，以及被插在两个运算放大器之间的运算放大器所用电阻器和电容器的值，形成只允许与人体运动相应的(1Hz左右的)频带内的电压信号通过的带通滤波器。在这种有两级放大器的电压放大电路中，还具有第一级非倒相放大器以及第二级倒相放大器，它们都被设计成为放大系数基本相同，以简化电路的条件。在这种电压放大电路中，所述带通滤波器的较低频带段的截止频率由运算放大器所用电阻值与运算放大器输出端和另一运算放大器的倒相输入端之间串联连接的电容器的静电容之积确定，这些值还对放大系数起决定作用的所述电阻器产生影响。
前述输出电路包括一个环形比较器，在比较器由运算放大器组成的情况下，它接收通过分压电阻器以及由电压放大电路放大的电压信号产生的高、低两个阈值，并其且在所述电压信号越过两个阈值的任何一个时(即电压信号超过较高阈值或低于较低阈值时)，通过输出电阻器提供一个检测信号作为输出。
当希望电路尺寸最小化时，两个电容器中一个与运算放大器所用的电阻器相连，另一个与反馈电阻器相连，他们的的静电容最好是尽可能地小，而当考虑热电元件或电路的稳定性时，电阻器的过大电阻值不能被用为运算放大器所用电阻及反馈电阻，而且，为此理由，前述公知的电压放大电路对运算放大器所用电阻及反馈电阻采用约10kΩ与约1MΩ电阻值的组合，为的是假设每一级的增益为40dB。所提供的运算放大器所用电阻值被设定为约10kΩ，于是，所述电容器就需要是约为几十微法量级，以提供低频段的截止频率在特定情况下低于1Hz，这就使得不能将任何小片型的电容器都被用为与运算放大器所用电阻相连的电容器，而且这就使得整个电路难于小型化。
这就是说，当电容器的静电容达到几十微法量级时，目前的电路工艺尚不允许采用任何小的片型电容器，而需要采用大的片型电容器或电解电容。在采用后一种电路电容的情况下，就出现一个问题，即不能忽视电解电容的这种固有特性，比如峰值电流，这些固有特性的影响是明显的，在温度改变的情况下，电容器是不耐用的，电容器的长期稳定性低，另外，电压放大电路本身的电路特性明显地会受波动的影响，并是稳定性变差，而且任何电路工作的不正常或故障都是很容易发生的。
另外，当采用公知的场效应晶体管构成电流-电压转换电路时，由于高电阻处存在的热噪声变得明显，使改善S/N比遇到特殊的限制，而且，采用目前的电路结构，要任意多地提高灵敏度是极为困难的。
另一方面，在另一种公知的结构中，与包含场效应晶体管的电流-电压转换电路结合在一起的热电元件，以及装于外部的电子部件，如电容器和电阻器都被安置在一个平的电路基板上，而且将一复合透镜单元(聚光镜)安装在所述热电元件的上方。这是有缺点的，其中这种聚光镜的外形尺寸大，而且易受一切外部噪声的影响。也就是说，这种公知结构是借助电路基板上的金属线通过较长路径放大热电元件的瞬时热电流的，以致由于诸如来自业余无线电台及移动电话的无线电波噪声，以及由于电机、照明器等的通/断变换操作的噪声，使得这样的电路容易造成不能正常工作。当采取诸如附加连接的防噪声电容器或抑制这些问题的电感线圈的措施时，将使传感器外形尺寸进一步加大，这种情况离所希望的尺寸最小化、减少所需元件数、以及降低制作成本更远。
本发明的主要目的在于提供一种热电红外线传感器，它能克服上述问题，并可使电容器的所需静电容最小，以使所需电路尺寸最小，而且降低成本。
按照本发明，上述目的可由一热电红外线传感器得以实现，其中作为热电元件输出的热电流被转换成电压信号，并使预定频带内的电压信号在电压放大电路中受到处理而被放大，给出一个输出的检测信号，其中电压放大电路包括一个由非倒相放大器构成的信号放大元件，所述非倒相放大器具有运算放大器，此运算放大器的倒相输入端与第一电阻器相连，并被连接于倒相输入端与倒相输出端之间的反馈电阻R2和电容器C1的并联接点；一个积分电路，它包括另一个运算放大器，其倒相输入端经第二电阻器连到信号放大器的输出端，而且其倒相输入端与倒相输出端之间接有第二电容器；还设有分压电阻器，它们使积分电路的输出端和电压放大电路的一个输入端被电阻分压，并被接在信号电压元件的非倒相输入端的电阻分压位置。
按照下面参照附图所示的实施例对本发明的详细描述，将使本发明的其它目的和优点更清晰，其中
图1是表示本发明热电红外线传感器一种具体实施例的电路方框图；图2是表示图1实施例另一种情况的电路方框图；图3是图1实施例又一种情况的电路方框图；图4是表示图1传感器增益与频率关系的特性曲线图；图5是本发明另一实施例的电路方框图；图6是表示图5实施例的增益与频率关系特性曲线图；图7是本发明又一实施例的电路方框图；图8是图7实施例具体电路图；图9是图7实施例中传感器的分解透视图；图10a和10b分别是图7实施例中传感器的三维电路部件的正视透视图和背视透视图。
以下将参照附图所示各实施例描述本发明，因当理解本发明并不仅限于所示的这些实施例，而是包括各权利要求所给范围内的各种改变、变型和可能的等效结构。实施例1本发明实施例1的方框电路被示于图1中，其中热电元件1对电流-电压转换电路2给出fA量级的热电流输出，用以将热电流转换成电压信号。一种特定结构的电压放大电路3接在电路2的后面，它只放大预定频带内的电压信号。
本实施例的电压放大电路3设有信号放大元件5，此元件由一非倒相放大器组成，它包括运算放大器OP1，其倒相输入端经电阻R1连到参考电压源VR，并与被连接于倒相输入端与倒相输出端之间的反馈电阻R2和电容器C1并联接点；设有积分电路6，它包括另一个运算放大器OP2，其倒相输入端经电阻器R3连到信号放大电路5的输出端，其倒相输入端与倒相输出端之间接有电容器C2，其非倒相输入端连到参考电压源VR；还设有分压电阻器R4和R5，它们接在积分电路6的输出电压VB和电压放大电路3的输入电压VN位置，它们使电压放大电路3的非倒相输入端被电阻分压。
本实施例中，带通滤波器由一个包括信号放大电路5中的电阻器R1和电容器C1的低通滤波器和一高通滤波器构成，所述高通滤波器通过使电压VB和VN的电阻分压位置经分压电阻器R4和R5连到信号放大元件5(实际上是运算放大器OP1)的非倒相输入端。
在此，应得到在电压放大电路3中所包括的带通滤波器的截止频率fc1和fc2。在初始，利用电阻R2和电容C1由下式(1)确定较高频段的截止频率fc1fc1=12R2C1---(1)]]>另一方面，由下式(2)确定较低频段的截止频率fc2，其中用VN表示对电压放大电路3的输入，用VO表示其输出电压，用VA表示对信号放大元件5的输入电压，用VB表示积分电路6的输出电压，而以VR表示参考电压VO=VA-R2R1•Zc1R2+Zc1•(VR-VA)]]>VB=VO-VRR3•Zc2]]>VA=V1N+(R5/R4)•VB1+(R5/R4)---(2)]]>由上式可得到有如下式(3)所示电压放大电路3的放大系数VO/VNVOVIN=R4+R2R4R1•Zc1R2+Zc1R4+R5-R5R3Zc2-R2R5R1R3•Zc1Zc2R2+Zc1---(3)]]>在此，可如下式(4)那样得到放大系数的绝对值|VOVIN|=|R4+R2R4R1•Zc1R2+Zc1R4+R5-R5R3Zc2-R2R5R1R3•Zc1Zc2R2+Zc1|---(4)]]>由于在截止频率fc2下会使上述放大系数被衰减3dB，所以可利用上式得到这个频率，如下式(5)12•R2R1=ωR3R4(R1+R2)C2(R1+R2)R52+ω2((R1R3C2)2(R4+R5)2)]]>ω=R2R5(R1+R2)R1R3C212R42(R1+R2)2-R22(R4+R5)2]]>fc2=R2R5(R1+R2)2πR1R3C212R42(R1+R2)2-R22(R4+R5)2---(5)]]>在此，在把电路设计成只用于放大1Hz左右的信号的过程中，这是用于检测人体运动的最佳频段，选择各值为电阻R1=240Ω，电阻R2=2MΩ，电阻R3=2MΩ，电阻R4=3MΩ，电阻R5=300Ω，电容C1=0.047μF和电容C2=0.1μF，于是高、低频段的截止频率将为fc1=1.69Hz和fc2=0.73Hz。
如上所述，当把带通滤波器的截止频率设定在对检测人体运动为最佳频段的1Hz周围时，所用电容器C1和C2的静电容可在约0.01μF至100μF的范围内，并且，利用本发明电压放大电路3的结构，可使电容器C1和C2的所需静电容最小，但从来都是需要采用大至一定程度静电容的外装电容器(几十μF)。因此，就可以用小的片型电解电容器、小的片型陶瓷电容器等代替各种电解电容器，从而易于主电路尺寸小型化，而且随着摆脱使用电解电容器，附带就增强了可使红外线传感器给出极好的可靠性，而具有不受电解电容器、漏电流等起伏影响的优点。
另一方面，带通滤波器的低频段(低通滤波器)是主要滤波器，在执行高放大系数时，就不能充分除去低频噪声。于是，有如图2所示那样，在电压放大电路3的输出端设置这种高通滤波器7是符合需要的。这种高通滤波器7是通过使由电阻器R6和电容器C3组成的微分电路连到用作缓冲器的运算放大器OP3的非倒相端，并使运算放大器OP3的倒相端连到所述放大器的输出端而形成的，而且，有如下式(6)所示，它的截止频率fc3由电阻器R6和电容器C3确定fc3=12πR6C3---(6)]]>在此，在实际电路设计中，将电容器C3和电阻器R6的值选为C3=0.047μF和R6=4.7MΩ，因而由上述(6)式将有截止频率fc3=0.72Hz，并且，利用这种高通滤波器7可以高效率地去除低频噪声。
由于较高的频段(低通滤波器)也是主要的滤波器，所以在执行高放大系数时，还不能充分地去除高频噪声。于是，有如图3所示那样，在电压放大电路3的输出端设置低通滤波器8是符合需要的。
这种低通滤波器8是由电阻器R7和电容器C4的集成电路构成的，而且，有如下式(7)所示，它的截止频率fc4由电阻器R7和电容器C4确定fc4=12πR7C4---(7)]]>在此，在实际设计的电路中，将电容器和电阻器的值选为C4=0.1μF和R7=1MΩ，因而由上述(7)式将有滤波器8的截止频率fc4=1.59Hz，并且，利用这种低通滤波器8可以高效率地去除高频噪声。如图3所示，通过在电压放大电路3的输入端和输出端分别设置高通滤波器7和低通滤波器8，可以构成有关整个较低和较高频段两段具有第二频率特性的带通滤波器。图4中示出本实施例结构电压放大电路3的增益-频率特性曲线，并且发现，可以得到峰值1Hz左右的这种特性曲线。实施例2图5示出本发明第二实施例的电路方框图。本实施例的基本结构与实施例1相同，对同样的部件将给以相同的参考标号来表示，因而省去对它们的描述。
在有如图3所示实施例1的电路结构中，由于比起正常温度来，电流-电压转换电路2在高温下存在噪声，造成S/N比变差，以致除了整个传感器的灵敏度低以外，所述传感器可能不能正常工作。于是，并联一个形成高通滤波器7的电阻器R6连接电阻-温度特性大的高电阻R10，本实施例中的结构被作成防止由于响应温度变化而造成高通滤波器7的截止频率fc3所引起的这种特性变差，以致在高温下的灵敏度低。
本实施例中高通滤波器7的截止频率fc3由下式(8)表示fc3=12πC3R6R10/(R6+R10)---(8)]]>在此，使高电阻R10在高温时的电阻值改变非常小，使截止频率fC3高，并可得到有如图6所示的增益-频率特性曲线。该图示出在-20℃、25℃(正常温度)、60℃和80℃温度(环境温度)下的增益-频率特性曲线。
按照本实施例，采用电阻-温度特性大的高电阻R10，以提高高通滤波器7在降低整个传感器灵敏度的高温下的截止频率fc3，从而能够防止由于在高温下电流-电压转换电路2噪声的增加使所述特性变差。实施例3图7示出本发明第三实施例的电路方框图。本例中与前述实施例1和2共同的部分以同样的参考标号表示，并将省略对它们的描述。本实施例中电源电路9备有外部电源，还准备了用以驱动各个电路的内电源，以及参考电压VR。
电流-电压转换电路2′包括运算放大器OP4，其倒相输入端与输出端之间接有反馈电容(电容器C5)，其非倒相输入端由电源电路9提供参考电压VR，热电流被输入到运算放大器OP4的倒相输入端，于是，由于电容器C5的阻抗变换，使瞬时热电流被转换成大约几十微伏的电压信号。采用这种电流-电压转换电路2′，将使任何公知热噪声的影响得以降低；主要是在公知采用场效应晶体管为缓冲器的电流-电压转换电路2中会产生这种热噪声，因而可使S/N比明显得到改善，实现低噪声，改善灵敏度。
此外，对于电流-电压转换电路2′的运算放大器OP4来说，一个积分器包括运算放大器OP5、电阻器R9及电容器C6，作为直流反馈电路，它们被连在放大器OP4的倒相输入端与输出端之间，可使相对于低频信号其工作变得不稳定的电容器C5的阻抗特性得到改善。另外，由电阻器R1和连到运算放大器OP1的电阻器R2及电容器C1，通过下式(9)可得到下一级电压放大电路3的增益R2R1·12πfc1R2+1---(9)]]>在此，当把电路设计成只放大对于检测人体运动最佳频带的1Hz左右的信号时，可以形成截止频率设定在1Hz左右的带通滤波器，这是适于检测人体运动的频带，将各个值选为电容C1=0.047μF、电容C2=0.1μF、电阻R1=240Ω、电阻R2=2MΩ、电阻R3=2MΩ、电阻R4=3MΩ和电阻R5=330Ω，由公式(9)，将使电压放大电路3的增益为大约3200。
另一方面，输出电路4′的结构是，通过在一个由所用两运算放大器OP6和OP7构成的环形比较器处对被已由电压放大电路3放大成预定电平的电压信号(模拟信号)的波形整形，给出检测信号，作为其输出。也就是在输出电路4′中的与环形比较器处使电压放大电路3输出的电压信号高、低两个阈值比较。当电压信号越过该二阈值之一(所述信号超过较高阈值或低于较低阈值)时，给出所述环形比较器的输出信号，作为通过NAND电路11对电平调整电路12的输入，PMOS晶体管Q1受此电平调整电路12的驱动，于是由输出电阻R13给出预定电平的检测信号。
已经描述的这种结构的各个电路被集成到一个片型集成电路20中，即图8中粗线所封闭的部分，而热电元件1和静电容比较大的电容器C1-C4及C6-C8被装于此集成电路20的外面。通过以未搀杂多晶硅电阻器或晶体管ON电阻器制成电阻R10，可以使得用于温度修正而设在高通滤波器7中的高电阻R10适于集成化。另外，可将电容器C7和C8装于各电容器外面，另外提供给外电源和内电源。
在上面已经描述的本实施例中，除了部分电子部件，如热电元件1、电容器C1等以外，大部分电路构件均可被制成集成电路并被装于一个集成电路片20中，因而可以实现尺寸最小化和成本的降低。另外，对于电流-电压转换电路2′来说，还可以采用有如使用场效应晶体管FET的公知结构中的同样结构。
图9中以分解透视图方式表示本实施例的热电红外线传感器。本实施例传感器被制成一个三维电路部件23，它被装在基本为圆盘形的基板21上，有向图中下方伸出的三条引线22，一个下部为圆柱形，但上底有一光学滤被器窗25的外罩24被装于基板21的部件23上方，基本为圆顶形的聚光器26(多线单元)被安装在外罩24的顶部，用以会聚红外线。
图10a和10b表示所述的三维电路部件23，其主体23a被构造成由一个注射模或两个外观模模制的MID(模制互连装置)基板，上述集成电路20被安装在前侧面的导体图样部分23b处(图10a)，呈矩形板状的热电元件1被安装成跨接主体23a顶部两侧的桥，而将从外部安装在电路20上的部件27，如电容器C1等安装在主体23a后侧面上图样的另一部分23b处(图10b)。
采用这种三维电路部件23的结构，与那些安装在外面的部件相比，所有其它电路元件均被装在一片集成电路20中，以致比较起那些公知的将热电元件1及其它电子器件都装在平的电路板上所形成的传感器来，可使传感器能明显地小型化。另外，比较起公知的传感器来，也使为将热电元件1输出的瞬时热电流引导至放大器等所需金属线的距离明显变短。
在那些公知的传感器中，用来安装各电路元件的平的电路板比如是25-30mm宽、40-50mm长，而热电元件的直径为10mm高、约10mm，具有直径为25mm、高约20mm的顶部覆盖透镜。而按照本发明的传感器，大体上是与热电元件结合在一起的电路部件23的宽和高均约7mm，而厚度为2mm；外罩24的直径9mm，高10mm；透镜的直径12mm，高为4mm，正如同将能容易地理解的那样，这使得各单个的结构部件均可做得非常小，对本传感器线度小型化有明显的贡献。
此外，由于装有集成电路20的三维电路部件23被装在圆柱形外罩24中，于是，可由此外罩24使该三维电路部件23屏蔽外部噪声，从而使对一切电容器或电感器件为消除噪声所作的估量都是不必要的，而且可使所制得的红外线传感器更小，外部噪声-电阻特性愈加平静，并能很好地降低成本。还应理解的是，本发明另外的优点在于，可将整个红外线传感器加工成一个装在外罩24中的电子部件，从而使为把传感器按装到其它仪器或设备上所需的工作较为容易。
权利要求
1．一种热电红外线传感器，其中一个热电元件的输出热电流被转换成电压信号，并由一电压放大电路将仅在预定频带内的电压信号放大和受到处理，以给出一个输出的检测信号；其特征在于，所述电压放大电路包括一个由非倒相放大器构成的信号放大元件，所述非倒相放大器包括第一运算放大器，其倒相输入端与第一电阻器相连，并被连接于倒相输入端与倒相输出端之间的反馈电阻和第一电容器的并联接点；一个积分电路，它包括第二运算放大器，其倒相输入端经第二电阻器连到信号放大元件的输出端，而且其倒相输入端与倒相输出端之间接有第二电容器；还设有分压电阻器，它们被接在信号电压元件的非倒相输入端，使积分电路的输出端和电压放大电路的一个输入端被电阻分压的位置。
2．一种如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括设在所述电压放大电路输入端的高通滤波器。
3．一种如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括设在所述电压放大电路输出端的低通滤波器。
4．一种如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述高通滤波器包括一个高电阻和第三电容器组成的微分电路，所述高电阻在电阻-温度特性方面是大的。
5．一种如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述高电阻至少是非搀杂多晶硅与晶体管断开电阻之一。
6．一种如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括设在热电元件与电压放大电路之间的电流-电压转换电路，用以将热电元件的热电流转换成电压信号，该电流-电压转换电路由运算放大器、用于将直流分量反馈回运算放大器的DC反馈电路、和用于将交流分量反馈回运算放大器的AC反馈电路组成。
7．一种如权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括一个三维电路部件，形成电压放大电路和热电元件的电子部件按装在它的两面；还包括一个可有一覆盖所述热电元件的光学滤波器的圆柱体外罩，用以将所述三维电路部件罩在其中。
全文摘要
一种热电红外线传感器,包括装备有具有非倒相放大器的信号放大元件的电压放大电路,积分电路和分压电阻,所述分压电阻连到电压放大电路输入端V
文档编号G01J5/34GK1211726SQ97120918
公开日1999年3月24日 申请日期1997年11月21日 优先权日1997年9月12日
发明者高田裕司, 藤村俊夫, 畑谷光辉, 坂本慎司 申请人:松下电工株式会社