CN1163396A - 热电型红外接收元件及使用该元件的红外传感器 - Google Patents

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Abstract

热电型IR接收元件包括在支撑端固定于支撑体的热电基片及形成其上的至少一个矩形贴片。该贴片相对表面形成相互重叠的第一和第二电极。该基片具有一对侧槽和连接其之底槽所组成的U形槽。该U形槽连续围绕贴片三边使之在与基片支撑端之一相对的悬臂端以悬臂方式由该基片支撑。因基片受温度变化影响时施加于其上的热应力被U形槽吸收，故不会在贴片上出现应力集中。从而可在保持良好IR灵敏度的同时减小爆玉米花噪声发生。

Description

热电型红外接收元件及使用该元件的红外传感器
本发明涉及用于接收物体所辐射红外(IR)射线的热电型IR接收元件以及利用该接收元件的改进型IR传感器。
热电型IR接收元件应用于检测人体等运动物体的传感器，例如，图26给出了一种热电型IR传感器。该IR传感器包括众所周知为二元型接收元件的IR接收元件100、用于固定该接收元件的电路板120、具有三根向下伸出输出引线131的底座130、以及具有IR透明窗141的封装置140。如图27A和27B所示，接收元件100包括由热电材料制成的基片101，形成于该基片上表面的一对第一和第二电极(102a和103a)、形成于该基片下表面的一对第三和第四电极(102b和103b)、及形成于该基片上下表面相对两端的一对正、负输出端104和105。具体而言，基片101由陶瓷材料(如PBTiO3或PZT)、单晶体(如LiTaO3)或某种高分子化合物(如PVF2)制成。四个电极由IR吸收材料(如NiCr等)制成并具有相同的矩形形状。第一和第二电极(102a、103a)配置得使第一电极的纵边平行于第二电极的纵边延伸。第三和第四电极(102b、103b)配置得分别通过基片101与第一和第二电极(102a、103a)相重叠。第一和第四电极(102a、103b)通过导电线路106与正输出端104相连。类似地，第二和第二电极(103a、102b)通过导电线路107与负输出端105相连。这样，一对IR接收部102和103被限定于热电基片101上。当IR接收部102和103接收IR射线时，所接收的IR射线被转换成热能以便产生电荷。如图27C所示，根据该电荷，通过场效应晶体管(FET)123和高电阻元件124，由IR接收元件100获得电压差信号。接收元件100以桥式固定于电路板120的一对支架121上。装有接收元件100的电路板120与底座130相连，然后再由封装罩140所封装。
为得到传感器的较高IR灵敏度，必须改善光热交换效率。为此，过去曾改善了热电基片101的热绝缘性能，并使用了具有40至100μm厚度的热电基片。然而，如图28A所示，由于厚度如此薄的IR接收元件100通过导电胶150以桥式固定于支架121上，则如图28B中双向箭头所示，即便在无IR射线照射IR接收元件100时，由热电基片101与支架材料121或导电胶150之间热膨胀系数差产生的热应力也会通过其周界的温度变化而施加于该热电基片之上。通常，该热应力趋于集中在该热电基片的缺陷部、削凿部或微裂纹处。这种应力集中导致不需要电荷的产生。因此就产生了一个问题，即该IR接收元件输出通常称为爆玉米花噪声的不必要噪声信号。
过去曾提出选择热电材料与支架材料或导电胶的适当组合以减小该爆玉米花噪声。但是，仅靠材料选择不能充分减小爆玉米花噪声。因而，存在着进一步进行减小该爆玉米花噪声改进的余地。
本发明的主要目的在于提供一种能在保持良好IR灵敏度前提下减小爆玉米花噪声产生的改进热电型IR接收单元。就是说使用热电材料作为基片。该基片在其支撑端固定于支撑体上。在该基片上形成至少一个具有大致矩形形状的贴片。该贴片在其相对表面形成第一和第二电极，该电极相互重叠以便当第一和第二电极之一接收IR射线时在该第一与第二电极之间产生电压差。该基片具有U形槽，该槽由一对侧槽和连接该侧槽的底槽组成。该U形槽连续围绕该贴片的三边，从而该贴片在与基片支撑端之一相对的悬臂端处以悬臂方式由该基片支撑。在本发明中，由于基片受到温度变化时施加于该基片的热应力被该U形槽有效地吸收，则所考虑的应力集中不会在贴片中形成，从而可以减小该爆玉米花噪声的产生。
最好将该U形槽两端向其内侧弯曲以便在该悬臂端得到一个颈部。具体而言，最好在该U形槽两端形成直径大于槽宽度的圆孔以便在该悬臂端得到一个颈部。在这种情形下，基片受到温度变化时施加于该悬臂端的热应力可以有效地被该U形槽的弯曲端部或圆孔所吸收。因此，有可能进一步减小爆玉米花噪声的发生。
另一种优选方案是将U形槽变形为马蹄形槽。
使用本发明IR接收元件的热电型IR传感器包括装有该IR接收元件的三维电路块以及将该电路块装于其中的封装罩。电路块配有一对形成于该电路块上表面的支架。IR接收元件的支撑端固定于该支架上，以便该IR接收元件以桥式延伸于该支架之间。在电路块前壁上至少安装一个构成处理来自IR接收元件信号之信号处理电路的电子元件。在这种IR传感器中，由于装在电路块上表面的IR接收元件与装于前壁上的电子元件相分离，从而可以将该电子元件所产生的热对该IR接收元件的不良影响降低至最小。另外，由于IR接收元件以桥式由支架所支撑，从而可以实现该IR接收元件与电路块上表面之间的充分热绝缘。
通过以下参考附图对本发明优选方案的说明将使上述以及其它目的和优点变得更加清晰。
图1的平面图描述了根据本发明一种方案的热电型IR接收元件；
图2为描述该接收元件以桥式固定于支撑体的截面图；
图3给出了本发明接收元件应力分布的模拟结果；
图4给出了比较IR接收元件应力分布的模拟结果；
图5给出了本发明接收元件热扩散分布的模拟结果；
图6的曲线说明了用于检测爆玉米花噪声产生的热循环试验；
图7A和7B分别描述了本发明IR接收元件上下表面上的导电线路；
图7C为描述具有场效应晶体管和高电阻元件之接收元件连线模式的电路图；
图8A和8B分别描述了本发明IR接收元件上下表面上的导电线路；
图8C为描述具有场效应晶体管和高电阻元件之接收元件连线模式的电路图；
图9A和9B分别描述了本发明IR接收元件上下表面上的导电线路；
图9C为描述具有场效应晶体管和高电阻元件之接收元件连线模式的电路图；
图10A和10B分别描述了本发明IR接收元件上下表面上的导电线路；
图10C为描述具有场效应晶体管和高电阻元件之接收元件连线模式的电路图；
图11为本发明IR传感器的分解透视图；
图12A和12B为本发明中三维电路块的前、后透视图；
图13为装有本发明IR接收元件之电路块的透视图；
图14为图13电路块的分解透视图；
图15为该IR传感器的电路示意图；
图16的平面图描述了本发明的热电型IR接收元件；
图17A和17B分别描述了形成于该IR接收元件上下表面的导电线路；
图17C为描述具有场效应晶体管和高电阻元件之接收元件连线模式的电路图；
图18A和18B分别描述了形成于该IR接收元件上下表面的导电线路；
图18C为描述具有场效应晶体管和高电阻元件之接收元件连线模式的电路图；
图19的平面图描述了本发明的热电型IR接收元件；
图20的平面图描述了本发明的热电型IR接收元件；
图21的平面图描述了本发明的热电型IR接收元件；
图22为说明用于分析IR接收元件应力吸收容量模拟试验的透视图；
图23给出了图1IR接收元件应力分布的模拟结果；
图24给出了图20IR接收元件应力分布的模拟结果；
图25给出了图21IR接收元件应力分布的模拟结果；
图26为现有技术热电型IR传感器的分解透视图；
图27A和27B分别描述了形成于现有技术IR接收元件上下表面的导电线路；
图27C为现有技术的电路图；
图28A和28B为施加于现有技术IR接收元件上热应力的示意图。
本发明热电型IR接收元件1如图1所示。矩形基片10由热电材料制成。在该基片上形成具有相同矩形形状的两对贴片(11和12，13和14)。各个贴片11-14在其相对表面形成第一和第二电极(20，21)，它们通过该贴片相互重叠在一起。四个U形槽30(各自由一对侧槽31和连接该侧槽的底槽32组成)形成于基片10上。各个U形槽30连续围绕各个贴片(11-14)的三边，从而该贴片在悬臂端15处以悬臂方式由基片10支撑。如图1所示，U形槽30的配置使得贴片11和13的底槽32分别与贴片12和14的底槽相对，且侧槽31沿矩形基片10的长度方向相互平行延伸。各个侧槽31以圆倒角与底槽32相接。另外，各个U形槽30的侧槽31两端形成圆倒角端。在图1中，数字16表示基片10的相对支撑端，在该处IR接收元件1以桥式固定于三维电路块(后面将进行说明)的一对支架上。贴片11和13的悬臂端15与支撑端16之一相对，而贴片12和14的悬臂端15与另一支撑端16相对。
为显示此IR接收元件1的冲击吸收容量，模拟了该IR接收元件的坠落试验。本发明IR接收元件的试验样品与上述接收元件1的形状大致相同，并且具有下列尺寸。该热电基片10的长度L和宽度W分别为5mm和2.5mm。侧槽31的长度Ls和槽宽Ws分别为0.85mm和0.1mm。各个电极20和21为0.5mm×0.5mm的正方形。如图2所示，该IR接收元件1在其支撑端16以桥式固定于支撑体90上。该模拟是为了分析当装有IR接收元件1的支撑体90从1m高处落到水泥地板上时热电基片10上所施加的冲击应力，下落的方式是使该支撑体下表面与水泥地板相撞。假定重力加速度为5000G。另外，假定碰撞为弹性碰撞，且IR接收元件1相对于x、y和z方向完全固定在支撑体90上。该模拟中采用了有限元法。准备了比较IR接收元件1H(其大致与上述接收元件1相同，只是其中未形成U形槽30)并将其应用于该模拟。模拟结果如图3和4所示。
如图3所示，在IR接收元件1贴片上未观测到大于3.0×107Pa的冲击应力区。反之，如图4所示，在比较接收元件1H的较大表面区域上观测到了大于3.0×107Pa的冲击应力区，其中包含了对应于电极位置的部分区域P。这些结果表明，碰撞所产生的冲击应力可以被U形槽30有效地吸收。另外，施加于本发明试验样品的冲击应力总量大大低于施加于比较试验样品的冲击应力总量。具体而言，在比较接收元件1H支撑端附近观测到了大于9.0×107Pa的冲击应力区，但在本发明IR接收元件1上却未观测到这样的大应力区。作为本发明的另一个优点，应当注意到，U形槽的形成使得IR接收元件的重量变轻。
施加于热电基片10的冲击应力作为该基片长度L的函数进行模拟。结果表明，当基片长度从5mm减小至4.5mm时，施加于该基片10的最大冲击应力降低了10％。因此，最好使用2.2mm×4.5mm的热电基片以便有效地减小冲击应力，此时各个电极20和21的尺寸为0.5mm×0.5mm。
接着，利用有限元法分析了本发明IR接收元件1的导热性。也就是说，当向贴片11提供0.1μW热量之后，在基片达到热稳态时确定热扩散分布。其结果如图5所示。该结果说明，大于0.4×10-4℃温度区域未到达支撑端16。因此，只要保证该温度区域离开支撑端16就可以减小基片的长度L。根据进一步的模拟结果，表明具有U形槽30之IR接收元件1的最小长度为4.5mm。根据这些模拟，实验证实了具有4.5mm长度的本发明IR接收元件1在防止出现爆玉米花噪声的同时显示出极佳的IR灵敏度而其热性能未发生任何问题。
为比较本发明IR接收元件1与其对比IR接收元件1H产生爆玉米花噪声的情况，进行了热循环试验。上述样品被封装在测试间中，然后沿图6所示热循环曲线改变测试间中的温度。各个保持时间T1至T4为30min。在热循环试验中，采用了0.5℃/min、1℃/min和2℃/min的三个温度梯度。在各个热循环试验过程中检测了爆玉米花噪声的产生。其结果表明，不论在何种温度梯度条件下，IR接收元件1所产生的爆玉米花噪声均小于其对比IR接收元件1H。
在本发明IR接收元件1的实际应用中，热电基片10上下表面相对两端均形成有一对正、负输出端23和24。如图7A和7B所示，输出端23和24通过导电线路25和26与第一和第二电极(20，21)相连。图7A给出了基片10上表面的导电线路。图7B给出了基片10下表面的导电线路，图7C为描述具有场效应晶体管FET和高电阻元件R之IR接收元件1连线模式的电路图。作为对IR接收元件1的第一至第三种变形，可以采用如图8A至8C、图9A至9C或图10A至10C所示的导电线路。在图9B、10A和10B中，数字27表示连接同一表面相对电极的导电线路。因此，在热电型IR传感器中可以使用本发明具有各种不同形式导电线路的IR接收元件。
下面，将说明本发明热电型IR接收元件的制作方法。在热电基片(如具有40μm厚度的LiTaO3单晶体)上下表面形成所需的抗蚀图形。根据该抗蚀图形将IR吸收材料附着于基片表面上以获得包含上表面第一电极和下表面第二电极在内的导电线路。第一和第二电极通过该基片相互重叠。当IR吸收材料为NiCr时，最好在大约200至500埃的范围内选择各个电极的厚度。接着，通过砂磨法在该基片上形成U形槽，使之连续围绕第一和第二电极的三边。在砂磨过程中，利用光敏干膜抗蚀层对导电线路进行防护。可以采用干蚀刻法(如离子碾磨)或湿蚀刻法形成U形槽，但砂磨法是在基片上精确有效地形成U形槽的最佳选择。当IR接收元件为2.5mm×5.0mm矩形时，可以一次利用3英寸LiTaO3晶片获得数百个IR接收元件。
利用本发明IR接收元件1的IR传感器如图11所示。也就是说，该IR传感器包括IR接收元件1、装有该IR接收元件的三维电路块2、具有三根突出引线40至42的底板3、以及其下表面具有IR透明窗5的封装罩4。如图12A和12B所示，电路块2由以下部分构成，即形成于其上表面的一对支架50、具有IC芯片支撑部52的前壁51、具有一组延伸于前壁51与后壁56之间之凹槽53的一对侧壁，以及各具有形成于前壁51下侧之凹口55的一对支脚54。电路块2利用低导热性电绝缘树脂而一体化模制成形。如图13和14所示，IR接收元件1通过导电胶9在支撑端16处固定于支架50上，以至桥式延伸于该支架之间。由于IR接收元件1的支撑方式为桥式，从而得到了电路块2与IR接收元件1之间的充分热绝缘，同时也防止了由不均衡电压所引起的噪声。用于处理来自IR接收元件1信号的IC芯片6与芯片支撑部52相连。电容器、电阻器以及场效应晶体管等电子元件7装于后壁56之上。IC芯片6通过形成于前壁51和侧壁中凹槽53的导电线路与电子元件7相连。当伸出之引线40和41与凹口55的内表面相抵触之后，它们便通过导电胶与形成于支脚54上的导电线路8相连。同时，如图11所示，电路块2通过该导电胶与底板3机械相接。伸出之引线42用于接地。在图13中，数字60表示IC芯片6与形成于电路块2前壁51上导电线路8之间的连接导线。
以下，将参考图15简要说明本发明IR传感器的工作机理。当IR接收元件1接收IR射线时，从IR接收元件1向电流放大电路72提供输出信号。然后，通过带通放大器73从放大信号中提取具有所需频率的信号。该提取信号被送至具有预定门限值的窗比较器74。当该提取信号大于门限值时，比较器74输出检测信号。根据该检测信号，输出电路76利用计时器75在预定时间期间向电气装置(如灯)提供负载。在图15中，数字71表示IR射线聚光器。当电流放大电路72、带通放大器73和比较器74均包含于IC芯片6中时，可以使用具有较小容量的片状陶瓷电容器以及具有较大容量的Al(铝)电解电容器或Ta(钽)电容器。另外，可以将只含有带通放大器73和窗比较器74的IC芯片安装于芯片支撑部52上。此时，场效应晶体管和高电阻元件安装在电路块2的后壁56上。再有，当只含有电流放大电路72和带通放大器73的IC芯片安装于芯片支撑部52上时，可以从底板3的伸出引线40和41输出模拟信号。因此，可以根据情况在电路块2上安装适当的IC芯片。
作为IR接收元件1的第四种变形，图16给出了另一种热电型IR接收元件1A。IR接收元件1A与上述方案中的基本相同，只不过其中在热电基片10A上只形成一对贴片11A和12A。因而，无需对共同部件进行重新说明。相同元件用同样的数字加上后缀字母″A″表示。作为实例，图17A和17B分别给出了形成于IR接收元件1A上下表面的导电线路。图17C给出了具有场效应晶体管FET和高电阻元件R之IR接收元件1A的连线模式。另一方面，可以使用图18A和18B所示的导电线路及图18C所示的连线模式。
作为IR接收元件1的第五种变形，图19给出了一种热电型IR接收元件1C。IR接收元件1C与上述方案中的基本相同，只不过其中贴片11C和13C通过公共底槽32C与贴片12C和14C相对，且贴片11C和12C通过公共侧槽31C分别与贴片13C和14C相对。因而，无需对共同部件进行重新说明。相同元件用同样的数字加上后缀字母″C″表示。
作为IR接收元件1的第六种变形，图20给出了一种热电型IR接收元件1D。IR接收元件1D与上述方案中的基本相同，只不过其中各个U形槽30D的两端向该U形槽30D的内侧弯曲以便在悬臂端15D得到一个颈部34。因而，无需对共同部件进行重新说明。相同元件用同样的数字加上后缀字母″D″表示。
作为IR接收元件1的第七种变形，图21给出了一种热电型IR接收元件1E。IR接收元件1E与上述方案中的基本相同，只不过其中各个U形槽30E的两端形成有直径大于其槽宽度的圆孔35以便在悬臂端15E得到一个颈部34E。因而，无需对共同部件进行重新说明。相同元件用同样的数字加上后缀字母″E″表示。
对IR接收元件1，1D和1E进行了应力吸收容量的计算模拟。也就是说，该模拟用以在IR接收元件一端固定而其另一端如图22中箭头所示方向被强迫抬起时分析施加于该各个IR接收元件的应力分布。其结果如图23、24和25所示。图23中结果表明，在电极20下方贴片11和13上观测不到大于0.4×109Pa的应力区域，但在悬臂端15的附近却观测到了这样的应力区域。另外，在U形槽30的端头观测到了大于1.6×109Pa的应力区域。另一方面，图24中结果表明，在电极20D下方贴片11D和13D上观测不到大于0.4×109Pa的应力区域，且其悬臂端15D处应力区域的形成略小于IR接收元件1。也就是说，施加于IR接收元件1D的最大主应力减小了13％。另外，在IR接收元件1D的热电基片10D上观测不到大于1.6×109Pa的应力区域。图25中结果表明，在悬臂端15E处大于0.4×109Pa应力区域的形成明显小于IR接收元件1。也就是说，施加于IR接收元件1E的最大主应力减小了32％。另外，在IR接收元件1E的热电基片10E上观测不到大于1.2×109Pa的应力区域。因此，具有独特端头形状U形槽30D和30E的IR接收元件1D和1E可以进一步改善应力吸收容量。这意味着可以更加有效地防止产生爆玉米花噪声。
本发明还可以其它特定的形式出现而不脱离其精髓或基本特性。因而，本发明中的方案从各个方面看均应视为说明性的而非限定性的。

Claims (11)

1.热电型IR接收元件包括：热电材料制成的基片，它在其支撑端处固定于支撑体上；形成于该基片上大致为矩形的至少一个贴片，该贴片在其相对表面形成第一和第二电极，该电极相互重叠以便当该第一和第二电极之一接收IR射线时在该第一与第二电极之间产生电压差；其中该基片具有由一对侧槽和连接该侧槽之底槽所组成的U形槽，该U形槽连续围绕该贴片的三边，以至该贴片在悬臂端以悬臂方式由该基片支撑，其中该悬臂端与该基片的支撑端之一相对。
2.根据权利要求1的热电型IR接收元件，其中该至少一个贴片为一对贴片，该贴片形成于该基片使得该贴片之一之U形槽的底槽基本上平行于另一贴片之U形槽的底槽延伸，且该贴片的悬臂端分别与该基片的支撑端相对。
3.根据权利要求2的热电型IR接收元件，其中该底槽相互耦合以便在该贴片之间提供一公共底槽。
4.根据权利要求1的热电型IR接收元件，其中该各个侧槽以圆倒角与该底槽相连。
5.根据权利要求1的热电型IR接收元件，其中该U形槽两端向该U形槽内侧弯曲以便在该悬臂端得到一个颈部。
6.根据权利要求1的热电型IR接收元件，其中该U形槽以马蹄形槽构成。
7.根据权利要求1的热电型IR接收元件，其中该U形槽两端形成直径大于其槽宽度的圆孔以便在该悬臂端得到一个颈部。
8.热电型IR传感器包括：权利要求1中的IR接收元件；装有该IR接收元件的三维电路块；以及用以封装该电路块的封装罩；其中该电路块包括：形成于该电路块上表面的一对支架，该IR接收元件的支撑端固定于该支架，以至该IR接收元件以桥式在该支架之间延伸；以及其上装有至少一个电子元件的前壁，以便构成处理来自该IR接收元件之信号的信号处理电路。
9.根据权利要求8的热电型IR传感器，其中该电路块包括装有另外电子元件的后壁。
10.根据权利要求9的热电型IR传感器，其中该电路块包括一对侧壁，该侧壁上具有一组延伸于该前后壁之间，适合于配置导电路径的凹槽。
11.根据权利要求8的热电型IR传感器，其中该电路块包括形成于该前壁下侧的支脚，该支脚具有用于容纳由该封装罩底板伸出之引线的孔洞。
CN97104007A 1996-04-15 1997-04-15 热电型红外接收元件及使用该元件的红外传感器 Expired - Lifetime CN1054687C (zh)

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