Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Siemens/B19820616Elc015.shtml

Тонкопленочный ИК-датчик

Применив сверхтонкую фольгу из недорогого органического материала, научные сотрудники фирмы Siemens AG получили образцы ИК-датчика, обладающего коротким временем реагирования, высокой тепловой чувствительностью и чрезвычайно малым временем восстановления. Это позволяет надеяться, что будет получен высокоэффективный тепловой датчик для недорогих устройств — в частности, электробытовых приборов.

Действие чувствительного элемента нового ИК-датчика основывается на пироэлектрическом эффекте, заключающемся в том, что анизотропные кристаллы, обладающие электрическим дипольным моментом, будучи подвергнуты воздействию тепла, вырабатывают поверхностные заряды. В обычных тепловых датчиках, действующих на основе этого эффекта, используются чувствительные элементы, изготавливаемые из дорогостоящих металлокерамических или монокристаллических материалов, например из титаната лития.

Вследствие своей значительной толщины и, следовательно, большой теплоемкости такие чувствительные элементы имеют большое время реагирования — до 0,5 с. Иными словами, чтобы выходное напряжение приемника достигло 90% установившегося значения, требуется много времени.

Применив органический материал, именуемый поливинилиденфторидом (ПВДФ), научные сотрудники фирмы Siemens получили такой же пироэлектрический эффект, какой достигается при использовании керамических материалов.

ПВДФ можно осаждать весьма тонкими слоями — 10 мкм и даже меньше, в результате чего он обеспечивает низкую собственную теплоемкость. Поэтому можно получить время реагирования менее 200 мс. Эту цифру привел Петер Кляйншмидт, глава исследовательской группы в мюнхенской лаборатории, разработавшей образцы приемника.

Помимо хорошего времени реагирования элемент обладает также высокой тепловой чувствительностью. Будучи размещен в фокусе параболического зеркала с большой апертурой, элемент емкостью 170 пф вырабатывает напряжение 10 мВ на каждый градус изменения температуры. Чтобы нагляднее показать, что это значит, заметим, что такой приемник способен обнаружить человека, идущего быстрым шагом в 10 м от него.

Особо следует отметить малое время восстановления нового приемника — так называется интервал времени, в течение которого прибор не в состоянии откликнуться на появление нового объекта после того, как был удален предыдущий. Например, после того как чувствительный элемент в течение 1 мин облучали 100-Вт лампой накаливания с расстояния 20 см, потребовалось всего 5 с, чтобы он настолько восстановил чувствительность, что оказался в состоянии обнаружить людей, расположенных в нескольких метрах от него.

Такое время восстановления, указывает Кляйншмидт, в 20 раз лучше, чем у обычных пироэлектрических приемников. Чувствительный элемент имеет две теплочувствительные зоны, расположенные одна за другой на ПВДФ-фольге и соединенные между собой антипараллельным образом. В то время как задний элемент (на рисунке он назван фокальным детектором) воспринимает тепло, поступающее с расстояния, на которое настроен датчик, передний элемент (компенсационный датчик) «чувствует» паразитные тепловые лучи, поступающие с близкого расстояния.

Поскольку у компенсационного датчика поляризация обратна поляризации фокального датчика, он вырабатывает напряжение обратной полярности. Следовательно, его выходное напряжение не вносит свой вклад в общий выходной сигнал.

Фольга из поляризованного пироэлектрического ПВДФ стоит меньше 1 цента, и ее не надо разрезать или полировать при изготовлении датчика. В конструкции она удерживается двумя рамками, зажимаемыми между двумя листками полиэтиленовой фольги (см. рисунок); вся сборка закрепляется в фокальной плоскости параболического зеркала.

Основу нового пироэлектрического датчика тепловых лучей составляет плоская сборка из слоев поливинил-иденфторида и полиэтилена, закрепленная в фокальн
Основу нового пироэлектрического датчика тепловых лучей составляет плоская сборка из слоев поливинил-иденфторида и полиэтилена, закрепленная в фокальной плоскости зеркала.

Зеркало датчика похоже на отражатель обычного электрического фонарика и имеет диаметр 62 мм. В принципе, однако, в дальнейшем можно будет уменьшить его диаметр до примерно 30 мм. С передней стороны зеркало закрывается полиэтиленовой пленкой толщиной 0,2 мм, прозрачной для ИК-излучения.

Когда человек проходит через зону обнаружения на расстоянии, скажем, 2,5 м от датчика, чувствительный элемент вырабатывает заряд 15—22 пКл и напряжение 0,12—0,20 В, которое можно обработать обычными К/МОП-схемами. Существующие образцы вырабатывают импульсный сигнал, используемый для возбуждения реле. С помощью потенциометра можно изменять дальность обнаружения от менее 1 до примерно 10 м.

Электронная схема обработки сигналов, размещаемая на печатной плате, имеющей форму кольца, монтируется позади зеркала. Она рассчитана таким образом, что выходной сигнал вырабатывается, когда в зоне обнаружения появляется объект, имеющий температуру выше температуры окружающей среды. Можно сделать также датчик, срабатывающий, когда в зоне появляются объекты, более холодные, чем окружающая среда, а также датчик, срабатывающий и от более теплых, и от более холодных объектов. Подобные датчики уже находятся в стадии предварительной разработки.

По словам Кляйншмидта, в будущем для датчика, созданного фирмой Siemens, возможны такие применения, как автоматические выключатели освещения и бесконтактные системы включения домашних электроприборов [pp.84,86].

Джон Гош

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 55, No.12 (642), 1982г - пер. с англ. М.: Мир, 1982, стр.16

Electronics Vol.55 No.12 June 16, 1982 A McGraw-Hill Publication

Раздел: ЭЛЕКТРОНИКА ЗА РУБЕЖОМ

Тема:     ФРГ





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Siemens/B19820616Elc015.shtml