DE102006057972B4

DE102006057972B4 - Direction-sensitive pyroelectric infrared sensor with comb-shaped electrode structure

Info

Publication number: DE102006057972B4
Application number: DE102006057972A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Dr.-Ing. Norkus; Marco Dipl.-Ing. Schossig; Gerald Prof. Dr.-Ing. Gerlach
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2006-12-04
Filing date: 2006-12-04
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2026-12-05
Also published as: DE102006057972A1

Abstract

Pyroelektrischer Infrarotsensor insbesondere für die Anwendung in einem Bewegungsmelder mit der Fähigkeit zur Erkennung der Bewegungsrichtung einer sich bewegenden Wärmequelle, bestehend aus einem pyroelektrischen Chip (10) und einem rauscharmen Vorverstärker, die in einem Detektorgehäuse mit infrarotdurchlässigem Fenster und drei Anschlusspins (11) untergebracht sind, wobei der pyroelektrische Chip (10) aus einem Pyroelektrikum mit einer Dicke von maximal 50 μm und beidseitig aufgebrachten, annähernd deckungsgleichen Elektroden (1, 2) besteht und das Chipvolumen zwischen den sich überlappenden Elektrodenflächen dabei das strahlungsempfindliche Sensorelement bildet, wobei die sich überlappenden Elektroden (1, 2) auf der Chipoberfläche kammförmig ausgebildet sind und die Breite und/oder der Abstand der Zinken der Kämme in einer Richtung kontinuierlich zunehmen oder abnehmen und wobei mindestens zwei kammförmige Elektroden (1, 2) auf dem Chip (10) aufgebracht sind und die Kammrücken der Kämme beider Strukturen annähernd senkrecht zueinander ausgerichtet sind.Pyroelectric infrared sensor, in particular for use in a motion detector capable of detecting the direction of movement of a moving heat source, comprising a pyroelectric chip (10) and a low-noise preamplifier accommodated in a detector housing with an infrared transparent window and three connection pins (11), wherein the pyroelectric chip (10) consists of a pyroelectric with a maximum thickness of 50 microns and applied on both sides, approximately congruent electrodes (1, 2) and the chip volume between the overlapping electrode surfaces thereby forms the radiation-sensitive sensor element, wherein the overlapping electrodes ( 1, 2) are comb-shaped on the chip surface and the width and / or the distance of the tines of the combs in one direction continuously increase or decrease and wherein at least two comb-shaped electrodes (1, 2) are applied to the chip (10) and theComb back of the combs of both structures are aligned approximately perpendicular to each other.

Description

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 kammförmig ausgebildet. Breite und/oder Abstand der Zinken des Kamms oder der Kämme nehmen dabei in jeweils einer Richtung zu oder ab. Die Zinken des Kamms sind über den Kammrücken verbunden. 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.The The invention relates to a pyroelectric infrared sensor in particular for the Application in motion detectors with a pyroelectric chip with a maximum thickness of 50 microns and both sides applied electrodes, wherein the overlapping electrode surfaces the radiation-sensitive surface form. Furthermore, the overlapping electrode surfaces are on The top and bottom of the chip comb-shaped. Width and / or Distance of the tines of the comb or the combs take in each case one way up or down. The tines of the comb are connected via the comb back. The signals of the interconnected and inventively designed electrode systems be through low-noise preamplifier processed in a detector housing with infrared transparent window and three terminal pins are arranged.

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.pyroelectric Infrared sensors have been used in passive infrared motion detectors for over 30 years used. Such motion detectors are for example from the textbook "passive infrared motion detector", publisher Modern industry, Landsberg / Lech, known in 1996. The main application areas These detectors are particularly in the field of building automation and safety engineering, taking them for simple switching tasks in very big quantity be used. The term passive is due to the fact that these detectors are not Emit radiation. Instead, they react to moving heat sources in a defined detection area. Here, the outgoing from the heat source Infrared radiation over special lenses and / or mirrors to one or more infrared sensors steered and converted into an electrical signal, which then in a corresponding evaluation is processed. The pyroelectric Infrared sensor forms the heart and at the same time the most demanding Component of each passive infrared system and consists in Essentially from the pyroelectric chip with one or more, radiation-sensitive sensor elements and a first low-noise Signal processing unit (preamplifier), which in a suitable detector housing with infrared transparent window are housed.

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, die vertikal an einer Wand montiert 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.Dual or dual element sensors are known, and the use of lithium tantalate as pyroelectric material has become the leading technology. These dual-element sensors have a pyroelectric chip with two geometrically and electrically almost identical sensor elements. This is done by series or parallel connection of the two sensor elements compensation for ambient temperature influences and interference (common mode rejection), which is why only one preamplifier and a housing with three connection pins are needed. An example of such dual-element sensors are the types LHi 954/958 from PerkinElmer. This known sensor geometry is in a plan view in 1A shown. The square symbolized pyroelectric chip 10 of the detector defines the detection plane in which the two sensor elements interconnected in opposite polarity 1 . 2 are arranged. 1B shows the corresponding input circuit of such a sensor. The two sensor elements 1 . 2 can either, as in the 1B shown, in series or parallel to each other with the high resistance 12 and the field effect transistor 13 be connected and thus form a signal channel via a connection pin 11 of the housing is guided to the outside. The sensor signal can thus be supplied to a connectable to the pins of the sensor evaluation. This sensor geometry is particularly suitable for motion detectors that are mounted vertically on a wall and on which the detection objects move tangentially past. In this case, the heat radiation of the detection object is imaged on the optics of the motion detector on the pyroelectric chip, which in time meets the two radiation-sensitive sensor elements in time. As a result of the different polarity of the two sensor elements, the horizontal directions of movement 0 ° and 180 ° can be distinguished, whereas in the vertical directions of movement 90 ° and 270 ° no or only insufficient signals are generated, which in addition have no directional dependence.

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. Furthermore, four element sensors (quad element) are known. These have four radiation-sensitive sensor elements in the form of a square or rectangle, which are arranged in a quadrant. This achieves a higher spatial resolution. An example of such four-element sensors are the types LHi 1128/1148 from PerkinElmer. These sensor geometries are in a plan view in the 2 and 3 shown. The square symbolized pyroelectric chip 10 of the detector defines the detection plane in which the four sensor elements 1 . 2 . 3 . 4 are arranged. Are these four sensor elements all interconnected with each other to an output (see. 4 ), then only a preamplifier and a housing with three connection pins are required, however, so that no additional information about the direction of movement can be obtained. This is different with an interconnection as a so-called dual dual sensor (see 5 ). At the in DE 19607608 A1 described embodiment is a double-dual sensor is used, which has a vertical dual element and a horizontal dual element, wherein the vertical dual element for detecting radial movements and the horizontal dual element for detecting tangential movements of are formed and thus form a vertical channel and a horizontal channel. With such a sensor geometry, it is possible to differentiate several directions of movement. Similar results are obtained with the in US 5432350 achieved structure described. Here, four L-shaped, curved sensor element geometries are defined, which are arranged point-symmetrically about the center of the detection plane. With the embodiment described as a dual dual sensor object movements can be detected from any direction and assigned to one of the four main directions of movement.

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.The SU 1827552 A1 describes a coordinate-sensitive pyroelectric radiation transducer for use as a position sensor whose output parameter has a function of the position of the radiation incident on the transducer. This has four electrically isolated from each other electrodes, which are arranged in pairs on the opposite surfaces of the pyroelectric plate. Each of the electrodes is in the form of a comb, with geometric fill coefficients varying along the X and Y axes. The electrical connection corresponds to that of a dual dual sensor, ie there are two signal outputs.

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.Of the decisive disadvantage of a design as a dual dual sensor is that in this case two preamplifiers and a housing with four connection pins needed become. As a result, the production cost of such an infrared detector is essential higher than one simple dual-element sensor with only three connection pins. Furthermore is for Each signal channel requires its own amplifier and filter unit.

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.The DE 3240920 C2 describes a pyroelectric infrared radiation detector based on a polymer or mixed polymer with an adapted compensation method which is intended to reduce disturbances, in particular in the form of temperature drifts. For this purpose, two areas are formed symmetrically to a center line of the pyroelectric element, a detection area S1 and a compensation area S2. In this case, the electrode on the front side of the detection area is transparent to radiation and that of the compensation area is radiation-reflecting. Furthermore, a common electrode is provided on the back. Due to the design of the front electrodes as a comb shape, a reduction in interference is achieved because the incident on these two areas infrared radiation is distributed uniformly.

Eine Detektion der Bewegungsrichtung ist mit diesem Infrarotsensor allerdings nicht möglich.A Detection of the direction of movement is, however, with this infrared sensor not possible.

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.The same applies to the in GB 1377891 described infrared detector having two comb-shaped, interdigitated electrodes on the front of the pyroelectric film. No electrodes are formed on the back of the pyroelectric film. As a pyroelectric, a polymer is used which is polarized by applying a high voltage to the two electrodes. The comb-shaped configuration of the electrodes makes it possible to polarize the surface of the pyroelectric film along a selected direction. The polarization direction then no longer corresponds to the thickness direction of the pyroelectric, which is why it is possible to dispense with a reduction in the thickness of the pyroelectric material and the associated disadvantages, such as mechanical instability.

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.The same describes the DE 19739477 B4 , in which case additionally an entire-area electrode is applied to the rear side of the pyroelectric film and grounded in order to improve the dipole concentration between the spatially interdigitated fingers. In addition, the interelectrode interval gradually increases in a specified direction at intervals, thereby affecting the timing of the sensor signal when moving in exactly that direction. This can be two directions of movement differ. The additionally mentioned 3D sensor structures should enable multidirectional detection and be able to detect the exact direction of movement of an object. For this purpose, however, a large number of sensor elements is necessary, as a result of which complexity and production costs increase sharply.

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.So far, only multi-element sensors as well as row and matrix sensor arrays with at least four or more radiation-sensitive sensor elements, in which the signal of each sensor element can be evaluated separately, have a sufficiently high spatial resolution to detect any directions of movement of an object. So z. In US 4914298 a detector array with four radiation-sensitive sensor elements described (in quadrant arrangement), wherein for each sensor element a separate preamplifier is integrated in the housing and the four resulting sensor signals are fed to a connectable to the housing evaluation. However, such detector devices require special sensor housing, since a separate preamplifier housed in the housing for each sensor element, and each individual signal must be passed through a corresponding pin to the outside. As a result, effort and production costs increase enormously.

In US 5 095215 A wird ein thermischer Sensor mit einer kammförmigen Interdigitalstruktur beschrieben, die für eine Richtungserkennung ungeeignet ist.In US 5 095215 A describes a thermal sensor with a comb-shaped interdigital structure, which is unsuitable for a direction detection.

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.Commercially available passive infrared motion detectors with two-element sensors according to the prior art, the only one preamplifier as well as a housing with three connection pins, essentially only the Detect the presence of a moving object in its detection area. For many However, applications are increasingly statements about the direction of movement required.

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.The invention has for its object to provide a low-cost pyroelectric infrared detector with three connection pins, which has the ability, at least between the, in 8th to distinguish four selected directions of movement 0 °, 90 °, 180 °, 270 °. Especially for motion detectors of the ceiling mounting, it is desirable to detect other directions of movement 45 °, 135 °, 225 °, 315 °. According to the invention the object is achieved with a trained according to the features of claim infrared detector.

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.The Task is implemented by the electrode system of the pyroelectric infrared detector is designed so that when used in the motion detector, a direction-dependent time response of the sensor output signal is caused. It is crucial that only a preamp as well a standard case be used with three connection pins and thereby the manufacturing cost for one such detector are comparatively low. Furthermore, will for the evaluation electronics only one amplifier and filter unit needed because only one signal channel is available.

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.The construction and the input circuit of the pyroelectric infrared sensor according to the present invention are the same as those of a standard dual-element sensor. This includes a pyroelectric chip with electrode systems applied on both sides and a first low-noise signal processing unit (preamplifier), which are accommodated in a detector housing with three connection pins and infrared-transmitting window. The pyroelectric chip consists of a pyroelectric, such as. As lithium tantalate or lithium niobate, and is 4 × 4 mm ^{2 in} size with a maximum thickness of 50 microns. On the front and on the back of the chip, the electrodes are applied, wherein the front and rear electrodes have a nearly identical geometric shape and are arranged approximately congruent. The chip volume between the front and rear electrodes forms the radiation-sensitive sensor element. According to the invention, the electrode systems (and thus the radiation-sensitive sensor elements) have a special geometric structure, so that when used in the motion detector, a direction-dependent time response of the sensor output signal is caused.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels mittels mehrerer Zeichnungen näher erläutert.The Invention is based on an embodiment explained in more detail by means of several drawings.

Es zeigen:It demonstrate:

1A, 2, 3 Bekannte Anordnungen von pyroelektrischen Sensorelementen, 1A . 2 . 3 Known arrangements of pyroelectric sensor elements,

1B, 4, 5 bekannte Nachweisschaltungen für Signale von pyroelektrischen Sensorelementen, 1B . 4 . 5 known detection circuits for signals of pyroelectric sensor elements,

6 eine Sensorelementgeometrie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, 6 a sensor element geometry according to a preferred embodiment of the invention,

7 die Eingangsschaltung, 7 the input circuit,

8 ausgewählte Bewegungsrichtungen, 8th selected directions of movement,

9 das Zeitverhalten des Sensorausgangssignals der erfindungsgemäßen Sensorelementgeometrie. 9 the timing of the sensor output signal of the sensor element geometry according to the invention.

Wie in der 6 gezeigt, sind erfindungsgemäß zwei Sensorelemente mit einer kammförmigen Struktur vorgesehen, wobei die Breite der Zinken sowie der Abstand zwischen den Zinken bei beiden Kämmen in einer Richtung kontinuierlich zu- bzw. abnehmen. Dabei sind die Abstände zwischen den Zinken wenigstens doppelt so breit wie der schmalste Zinken. Des Weiteren stehen die Kammrücken der Kämme annähernd senkrecht zueinander. 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.Like in the 6 Shown according to the invention, two sensor elements are provided with a comb-shaped structure, wherein the width of the tines and the distance between the tines in both combs continuously increase or decrease in one direction. The distances between the tines are at least twice as wide as the narrowest tines. Furthermore, the crests of the combs are approximately perpendicular to each other. The in the 6 indicated polarities of the two sensor elements resulting from the preferred gegenpoligen interconnection (see. 7 ) of the individual sensor elements. In this case, the back electrode connection connects 5 the two radiation-sensitive sensor elements 1 . 2 electrically with each other. The sensor signal is at the two contacting surfaces 6 . 7 the front electrode tapped and the field effect transistor (FET) 13 supplied, which together with the high resistance 12 represents an impedance converter. Subsequently, the sensor signal via a connection pin 11 of the sensor housing led to the outside.

Durch die gewählte geometrische Gestaltung und Anordnung der Sensorelemente wird beim Einsatz im Bewegungsmelder ein richtungsabhängiges Zeitverhalten des Sensorausgangssignals erzeugt, das in 9 für die vier ausgewählten Bewegungsrichtungen dargestellt ist. Dabei finden sich die unterschiedlichen Breiten der Zinken und der Abstände der Zinken im Zeitverhalten des Sensorsignals wieder, weil die Wärmestrahlung des Erfassungsobjekts durch die Optik des Bewegungsmelders zeitlich nacheinander auf die strahlungsempfindlichen Bereiche der Sensorelemente trifft. Durch die kontinuierlich abnehmende Breite der Kammzinken und/oder Abstände der Kammzinken in einer Richtung entstehen in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Objekts unterschiedliche Signalmuster. Damit lassen sich nahezu beliebige Bewegungsrichtungen unterscheiden.Due to the selected geometric design and arrangement of the sensor elements, a direction-dependent time response of the sensor output signal is generated when used in the motion detector, the in 9 is shown for the four selected directions of movement. In this case, the different widths of the tines and the distances of the tines in the time behavior of the sensor signal can be found again, because the heat radiation of the detection object hits the radiation-sensitive areas of the sensor elements in time by the optics of the motion detector. Due to the continuously decreasing width of the comb teeth and / or Distances of the comb teeth in one direction, depending on the direction of movement of the object different signal patterns. This makes it possible to distinguish almost any direction of movement.

1, 2, 3, 41, 2, 3, 4: Sensorelementesensor elements
55: RückelektrodenverbindungBack electrode connection
6, 76 7: FrontelektrodenkontaktierungsflächenFrontelektrodenkontaktierungsflächen
1010: Pyroelektrischer Chippyroelectric chip
1111: Anschlusspins des Detektorsystemsconnector pins of the detector system
1212: Hochohmwiderstandhigh value resistor
1313: Feldeffekttransistor (FET)Field Effect Transistor (FET)

Claims

Pyroelectric infrared sensor, in particular for use in a motion detector with the ability to detect the direction of movement of a moving heat source, consisting of a pyroelectric chip ( 10 ) and a low-noise preamplifier housed in a detector housing with an infrared transparent window and three connection pins ( 11 ), wherein the pyroelectric chip ( 10 ) of a pyroelectric with a maximum thickness of 50 microns and applied on both sides, approximately congruent electrodes ( 1 . 2 ) and the chip volume between the overlapping electrode surfaces thereby forms the radiation-sensitive sensor element, wherein the overlapping electrodes ( 1 . 2 ) are comb-shaped on the chip surface and the width and / or the distance of the tines of the combs in one direction continuously increase or decrease and wherein at least two comb-shaped electrodes ( 1 . 2 ) on the chip ( 10 ) are applied and the comb backs of the combs of both structures are aligned approximately perpendicular to each other.

Pyroelectric infrared sensor according to claim 1, characterized in that the prongs are predominantly perpendicular to the comb back stand and the individual tines are formed almost rectangular.