CN110235184A - 集成烟雾检测设备 - Google Patents

Abstract

集成烟雾检测设备包括：载体(1)；光源(2)，布置在载体上或上方；光接收器(3)，布置在载体上或上方，距光源一定距离；以及偏振件(7)，布置在载体上或上方。光源将辐射(a、b)发射到偏振件中。偏振件被配置为具有使由光源发射的辐射的反射部分(d)线性偏振的边界表面(11)，和允许反射部分(d)出射偏振件的出射表面(12)。

Description

集成烟雾检测设备

烟雾检测器是一种感测烟雾的设备，烟雾通常标志着火灾。商用的安全设备向火灾警报控制面板(火灾警报***的一部分)发出信号，而家用烟雾检测器通常从检测器本身发出本地听觉或视觉警报。许多烟雾检测器应用光散射进行烟雾检测。这具有快响应和低信号漂移，以及低成本和长使用寿命的优势。这种烟雾检测器的可靠性可能由于气溶胶(例如，水蒸气、香烟烟雾、灰尘或各种烟尘)的存在而受损，这可能导致错误警报。

用于烟雾检测器中的光检测器可以被安装在烟雾室中，该烟雾室屏蔽环境光但允许烟雾进入并到达光检测器。烟雾室使设备增大，并且可能在烟雾到光检测器的通道被烟雾室的一部分或被入口的形状或布置阻碍时不适当地延迟对烟雾的检测。如果烟雾检测器暴露于环境，则灰尘或露水可能随时间粘附到烟雾室并且可能导致错误警报。

US 6218950B1公开了一种测量两个不同散射角的光信号的火警检测器。散射光的两条光学路径被布置成使得路径之一主要响应于亮的气溶胶，而另一条路径主要响应于暗的气溶胶。根据气溶胶的亮度确定警报阈值。将由水蒸气等产生的欺骗性测量值存储在存储器中用于进一步参考以避免错误警报。

US 6788197B1公开了具有电子评估器、光学模块、温度传感器和至少一个燃烧气体传感器的火灾警报设备。光源发射非偏振光，光源可以是LED。具有可转动偏振面的偏振器(其可以包括液晶)布置在光源和光学接收器之间。因此，能够以两个正交的偏振平面测量发射光的散射。

US 7746239B2公开了一种光散射式烟雾检测器，其包括传感器主体、光发射器和火灾判断单元，光发射器用于朝向开放的烟雾感测空间发射光并且根据接收的散射光的量输出信号。具有偏振滤光器的两个光源利用不同的偏振态、以不同的角度发射光，并且由光接收元件收集前向和后向散射光。

CN 200963473Y公开了一种基于消偏振的光电烟雾火灾检测设备。从光源发射的光束经由偏振器入射到烟雾颗粒，将由入射光束通过的平面作为散射基准面。垂直于散射基准面的接收平面的上侧和下侧设置有两个相同的光电接收器，这两个相同的光电接收器被设置成靠近散射基准面并且关于该散射基准面对称，其中一个具有偏振轴垂直于散射面的偏振器。

在Stefano di Stasio发表的“Experiments on depolarized opticalscattering to sense in situ the onset of early agglomeration between nano-size soot particles”(Journal of Quantitative Spectroscopy and RadiativeTransfer vol.73(2002),pages 423-432)中，通过激光散射技术研究在烃火焰中产生的烟尘气溶胶颗粒。以可变的偏振角测量共偏振散射光和交叉偏振散射光对垂直和水平线性偏振态的贡献。相对于散射角测量的垂直消偏振率在较小的链状聚合的情况下非常低并且是平坦的，而在较大的支链聚合的情况下，其在约90°处显示出最大值。对入射光的垂直和水平偏振态中的每一个，测量到的两种消偏振贡献之间的比率适合建立在火焰中形成的纳米级烟尘颗粒之间的早期聚合机制的开始。

当光线通过两个各向同性电介质之间的平面边界，从具有折射率n₁的第一介质到具有不同折射率n₂的第二介质时，入射光线被分成反射光线和折射光线。入射光线、反射光线和折射光线在同一平面内传播，该平面被称为入射平面。

入射角θ₁由入射线和正交于边界的直线形成，该直线与入射光线相交。折射角θ₂由折射光线和正交于边界的直线形成，该直线与折射光线相交。折射率n₁和n₂以及角度θ₁和θ₂通过Snell定律关联：n₁·sinθ₁＝n₂·sinθ₂。

如果n₂<n₁并且θ₁大的使等式n₁·sinθ₁＝n₂·sinθ₂不能被满足，则折射光线消失。这种条件称为全内反射。限制发生在θ₂＝90°，在这种情况下，入射角是临界角θ₁＝arcsin(n₂/n₁)。

正交于入射平面的偏振分量通常被称为s偏振，并且与平行于入射平面的偏振分量被称为p偏振。

反射比是入射功率的由电介质之间的界面反射的分数。对于非吸收、非磁性材料，根据Fresnel等式，p偏振的反射率的值为[(n₁·cosθ₂-n₂·cosθ₁)/(n₁·cosθ₂+n₂·cosθ₁)]²。

如果n₁·cosθ₂＝n₂·cosθ₁，则反射率的值为零，这相当于n₁·sin(90°-θ₂)＝n₂·sin(90°-θ₁)。根据Snell定律，如果θ1+θ2＝90°，则满足这个条件，并且这个条件在特殊入射角θ_B下出现，该角以苏格兰物理学家David Brewster命名，称为Brewster角。

等式n₁·sinθB＝n₂·sinθ₂＝n₂·sin(90°-θ_B)＝n₂·cosθ_B，在θ_B+θ₂＝90°的情况下有效，得到关系θ_B＝arctan(n₂/n₁)。对于透明模制化合物和环境空气之间的边界，Brewster角通常可以是θ_B＝33.85°。

本发明的目的是提供一种小尺寸的烟雾检测器，容易制造并且可靠性高。

该目的通过根据权利要求1的集成烟雾检测设备来实现。实施例源自从属权利要求。

集成烟雾检测设备包括：载体；光源，其布置在载体上或上方；光接收器，其布置在载体上或上方，与光源相隔一定距离；以及偏振件，其布置在载体上或上方，光源将辐射发射到偏振件中。偏振件被配置为具有使由光源发射的辐射的反射部分线性偏振的边界表面，和允许反射部分离开偏振件的出射表面。

光源和偏振件被配置成使得由光源发射的辐射通过发射光线的全内反射被重定向成内部反射光线，并且内部反射光线被定向到边界表面。

集成烟雾检测设备的实施例包括与偏振件邻接的检测区域。检测区域和偏振件包括折射率，偏振件的折射率高于检测区域的折射率。

另一实施例包括限制检测区域的侧壁，该侧壁由暗的模制化合物形成。

在另一实施例中，偏振件包括透明或半透明的模制化合物。

在另一实施例中，光源直接向偏振件中发射。

在另一实施例中，光源被嵌入偏振件中。

在另一实施例中，光源、光接收器和偏振件被布置在载体的平坦上表面上，并且光源在垂直于上表面的远离载体的方向上发射。

在另一个实施例中，偏振件具有三棱柱或截三棱柱的形状。

在另一实施例中，边界表面布置成生成由光源发射的辐射的折射部分和反射部分，折射部分的光线和反射部分的光线包围成90°的角度。

在另一实施例中，光源和偏振件被配置成使得由光源发射的辐射通过发射光线的全内反射被重定向成内部反射光线。

在另一实施例中，内部反射光线被定向到边界表面。

另一实施例包括光接收器的上层，上层包括偏振滤光器。上层还可以包括带通滤光器。

另一实施例包括集成在光接收器中的光电二极管和另一光电二极管，偏振滤光器被布置成使得通过偏振滤光器的辐射仅由光电二极管接收到。

另一实施例包括布置在光源和光接收器之间的屏蔽件，屏蔽件由暗的模制化合物形成。

以下是结合附图对集成烟雾检测设备的示例和实施例的更详细描述。

图1是集成烟雾检测设备的实施例的横截面。

图2是根据图1的实施例的透明立体图。

图1是集成烟雾检测设备的实施例的横截面。光源2布置在载体1的上表面10上或上方，载体1特别可以是例如硅衬底的半导体衬底。光接收器3布置在载体1的上表面10上或上方、距光源2一定距离处。使用半导体衬底作为载体1有利于光源2和光接收器3的外部电连接，特别是与电源和/或信号处理电路的连接。

光源2特别可以是例如发光二极管(LED)或垂直腔面发射激光器(VCSEL)。垂直腔面发射激光器的优点是，其以相对小的立体角提供准直且发射强烈的光束。

光接收器3尤其可以是半导体器件，例如具有集成光电二极管和/或读出电路的硅芯片。多于一个的光电二极管可以集成在光接收器3中。光接收器3可以包括上层5，该上层5包括偏振滤光器15和/或带通滤光器16。

图1示出了包括光电二极管13和另一光电二极管14的实施例，光电二极管13被偏振滤光器15覆盖，另一光电二极管14未被偏振滤光器覆盖。这种布置使得能够进行差分测量，这例如能够补偿污垢或碎屑对光路径的障碍。

偏振滤光器15尤其能够是在为电路提供的布线金属层中形成的金属栅格。可选的带通滤光器16可以是例如窄带通干涉滤光器，其减小了环境光的影响。

检测区域4存在于载体1的上方。检测区域4可以由侧壁6限制，该侧壁6可以例如由吸收光源2的波长范围内的辐射的暗模制化合物形成。检测区域4不关闭并且允许烟雾9从外部，尤其是从环境进入。例如，如果不存在烟雾，则检测区域4可能填充有来自环境的、不触发烟雾检测器的任何气体，如环境空气。可以可选地为检测区域4设置烟雾室，烟雾室可以包括侧壁6，但是烟雾室不是集成烟雾检测设备所必需的。

偏振件7布置在检测区域4的附近。光源2能够与偏振件7邻接，使得光源2将辐射直接发射到偏振件7中。偏振件7被配置为具有边界表面11和出射表面12，边界表面11使由光源2发射的辐射a、b的反射部分d线性偏振，出射表面12允许反射部分d离开偏振件7并且进入检测区域4。特别地，偏振件7大体可以是三棱柱或截三棱柱的形状。

例如，偏振件7可以包括如环氧树脂等的透明或半透明模制化合物，并且尤其可以直接被模制在光源2上方。例如，其折射率通常可以约为1.5。

屏蔽件8可以可选地布置在光源2和光接收器3之间，以屏蔽从光源2发射的光并且防止杂散光到达光接收器3。屏蔽件8可以由暗的模制化合物形成，例如，尤其是用于侧壁6的相同类型的模制化合物。

根据图1的实施例示出了由光源2发射的辐射的合适路径的示例。该辐射在朝着远离载体1的方向上被发射到偏振件7中。特别地，如果载体1的上表面10是平面的，则发射光线a的方向可以垂直于载体1的上表面10。

偏振件7内的全内反射可用于对发射光线a重定向。为此，可以调整偏振件7的形状，使得由发射线a到达的偏振件7的第一外边界表面上的入射角θ₁大于临界角。因此，如图1所示，发射光线a被全内反射成内部反射光线b。例如，如果假设透明模制化合物与环境空气的界面处临界角通常约为42°，则入射角θ₁(其与反射角θ₁'相等)通常可以为67°。

偏振件7的形状使得在内部传播的辐射(图1所示实施例中的发射光线a或内部反射光线b)以小于临界角的入射角θ_B到达偏振件7的边界表面11。因此，边界表面11将辐射分成折射部分c和反射部分d。反射部分d是至少部分地偏振的。折射部分c不用于检测烟雾并且可以在侧壁6处被吸收。

特别地，偏振件7可以配置成在边界表面11处产生Brewster入射角θ_B，使得折射部分c的光线和反射部分d的光线形成90°的角度，并且反射部分d是线性偏振的。在折射部分c和反射部分d的光线之间的直角在图1中由角度曲线和小点表示。

折射率约为1.5的介电材料和环境空气之间的界面处的Brewster角约为34°。如果入射角θ_B不是精确的Brewster角但至少接近Brewster角，则反射部分d可以被充分地偏振。

入射角θ_B等于反射角θ_B'。例如，当可能填充有环境空气的检测区域4的折射率低于偏振件7的折射率时，可以假设折射角θ₂大于入射角θ_B。

偏振辐射在出射表面12处出离开偏振件7，偏振辐射从出射表面12传播到检测区域4中。如果烟雾9已经进入检测区域4并且出射光线e到达烟雾9，则辐射被烟雾9散射，并且观察到在不同方向上传播的散射光线f、g。

在图1中，在具有双箭头和圆圈的光线上表示偏振。双箭头表示存在平行于图的平面的偏振，而圆圈表示存在垂直于图的平面的偏振。如果θ_B是Brewster角，则辐射的反射部分d的光线正交于图的平面呈线性偏振，由存在圆圈和缺失双箭头表示。出射光线e在其进一步传播期间保持其线性偏振。

偏振滤光器15布置成阻挡与图1的图的平面正交的偏振分量。因此，在正交方向上完全线性偏振的辐射(这在图1中由缺失双箭头表示)不能通过偏振滤光器15并因此被阻止到达光接收器3的光电二极管13。如果辐射被烟雾9散射，则在散射期间不保持线性偏振，使得散射光线f、g包括平行于和正交于图的平面的偏振分量，这在图1中由存在圆圈和双箭头表示。被消偏振的辐射穿过光接收器3上的偏振滤光器15，由光电二极管13检测到，并且相应地触发信号。

举例来说，图1示出了通过偏振滤光器15到达光电二极管13的散射光线f和不穿过偏振滤光器到达光电二极管14的另一散射光线g，从而实现差分测量。

如果在检测区域4中没有烟雾，但仅有水蒸气，则偏振辐射也将被散射，但其线性偏振不会改变。因此，它将被偏振滤光器15阻挡，并且不能被光电二极管13检测到。因此避免了在没有烟雾的情况下触发错误报警。

图2是根据图1的实施例的透明立体图。图2和图1中所示的对应元件用相同的附图标记表示。

集成烟雾检测设备的检测机制不依赖于散射角度的精确对准。这在相对大的散射体积下实现短的光学路径，并且从而减小尺寸。由于烟雾检测设备的没有烟雾室的紧凑布置，不需要需要特殊制造过程的复杂光学元件。该设备能够在制造过程中被简单地测试。进一步的优点是高可靠性、对水滴交叉感测的稳定性以及降低杂散光的影响。

附图标记列表

1 载体

2 光源

3 光接收器

4 检测区域

5 上层

6 侧壁

7 偏振件

8 屏蔽件

9 烟雾

10 上表面

11 边界表面

12 出射表面

13 光电二极管

14 另一光电二极管

15 偏振滤光器

16 带通滤光器

a 发射光线

b 内部反射光线

c 折射部分

d 反射部分

e 出射光线

f 散射光线

g 另一散射光线

θ₁ 入射角

θ₁' 反射角

θ_B 入射角

θ_B' 反射角

θ₂ 折射角

Claims (15)

1.一种集成烟雾检测设备，包括：

-载体(1)，

-光源(2)，其布置在载体(1)上或上方，

-光接收器(3)，其布置在载体(1)上或上方，与光源(2)相隔一定距离，和

-偏振件(7)，其布置在载体(1)上或上方，所述光源(2)将辐射(a、b)发射到偏振件(7)中，

其特征在于，

-所述偏振件(7)被配置为具有使由所述光源(2)发射的辐射(a、b)的反射部分(d)线性偏振的边界表面(11)，和允许所述反射部分(d)离开偏振件(7)的出射表面(12)，

-所述光源(2)和偏振件(7)被配置成使得由光源(2)发射的辐射(a、b)通过发射光线(a)的全内反射被重定向成内部反射光线(b)，并且

-所述内部反射光线(b)被定向到所述边界表面(11)。

2.根据权利要求1所述的集成烟雾检测设备，还包括：

与所述偏振件(7)邻接的检测区域(4)，所述检测区域(4)和偏振件(7)具有折射率，偏振件(7)的折射率高于检测区域(4)的折射率。

3.根据权利要求2所述的集成烟雾检测设备，还包括：

限制所述检测区域(4)的侧壁(6)，所述侧壁(6)由暗的模制化合物形成。

4.根据权利要求1至3之一所述的集成烟雾检测设备，其中，所述偏振件(7)包括透明或半透明的模制化合物。

5.根据权利要求1至4之一所述的集成烟雾检测设备，其中，所述光源(2)直接向所述偏振件(7)中发射。

6.根据权利要求1至5之一所述的集成烟雾检测设备，其中，所述光源(2)被嵌入在所述偏振件(7)中。

7.根据权利要求1至6之一所述的集成烟雾检测设备，还包括：

所述载体(1)的平坦上表面(10)，所述光源(2)、光接收器(3)和偏振件(7)布置在所述上表面(10)上，并且

所述光源(2)在垂直于所述上表面(10)的远离载体(1)的方向上发射。

8.根据权利要求1至7之一所述的集成烟雾检测设备，其中，所述偏振件(7)具有三棱柱或截三棱柱的形状。

9.根据权利要求1至8之一所述的集成烟雾检测设备，其中，所述边界表面(11)被布置成生成由光源(2)发射的辐射(a、b)的折射部分(c)和反射部分(d)，所述折射部分(c)的光线和所述反射部分(d)的光线围成90°的角度。

10.根据权利要求1至9之一所述的集成烟雾检测设备，其中，所述光源(2)和偏振件(7)被配置成使得由光源(2)发射的辐射(a、b)通过发射光线(a)的全内反射被重定向成内部反射光线(b)。

11.根据权利要求10所述的集成烟雾检测设备，其中，所述内部反射光线(b)被定向到所述边界表面(11)。

12.根据权利要求1至11之一所述的集成烟雾检测设备，还包括：

所述光接收器(3)的上层(5)，所述上层(5)包括偏振滤光器(15)。

13.根据权利要求12所述的集成烟雾检测设备，还包括：

所述上层(5)中的带通滤光器(16)。

14.根据权利要求12或13所述的集成烟雾检测设备，还包括：

集成在所述光接收器(3)中的光电二极管(13)和另一光电二极管(14)，所述偏振滤光器(15)被布置成使得通过偏振滤光器(15)的辐射(g)仅由所述光电二极管(13)接收到。

15.根据权利要求1至14之一所述的集成烟雾检测设备，还包括：

布置在所述光源(2)和光接收器(3)之间的屏蔽件(8)，所述屏蔽件(8)由暗的模制化合物形成。