【導讀】熱釋電紅外傳感器是一種非常有應用潛力的傳感器。它能檢測人或某些動物發射的紅外線并轉換成電信號輸出。本文先介紹熱釋電傳感器的原理，然后再描述相關的專用集成電路處理技術。
熱釋電效應
當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現象，被稱為熱釋電效應。通常，晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發極化發生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，圖1表示了熱釋電效應形成的原理。
圖1：熱釋電效應的形成原理
能產生熱釋電效應的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。
菲涅耳透鏡（圖3）根據菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區和盲區，同時又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器 (PIR) 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區內分為若干個明區和暗區，使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產生變化電信號。
如果我們在熱電元件接上適當的電阻，當元件受熱時，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。
圖2：熱釋電紅外傳感器結構及內部電路
圖3：菲涅爾透鏡
被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性
在自然界，任何高于絕對溫度（-273K）的物體都將產生紅外光譜，不同溫度的物體釋放的紅外能量的波長是不一樣的，因此紅外波長與溫度的高低是相關的，而且輻射能量的大小與物體表面溫度有關。
人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右，會發出10mm左右特定波長的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的紅外線而進行工作的。紅外線通過菲涅耳濾光片增強后聚集到熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后經檢測處理后就能產生報警信號。被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯或并聯的熱釋電元件，而且制成的兩個電極化方向正好相反（如圖2側視圖C），環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產生釋電效應相互抵消，于是探測器無信號輸出[3]。
被動式熱釋電紅外探頭的優缺點
不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。 但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：
信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；
被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；
易受射頻輻射的干擾；
環境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；
被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。
熱釋電紅外探頭處理芯片原理及應用
雖然被動式熱釋電紅外探頭有些缺點，但是利用特殊信號處理方法后，仍然使它在某些領域具有廣闊的應用前景。因此，有很多生產商根據PIR傳感器的特性設計了專用信號處理器，比如HOLTEK HT761X、PTI PT8A26XXP、WELTREND WT8072,BISS0001。本文對PTI（百利通電子有限公司）專用芯片PT8A26XXP作一個應用實例的介紹。
圖4陰影部分是PIR信號處理部分，有兩個運算放大器、一個窗口比較器、一個穩壓器、一個系統振蕩器和一個邏輯控制器。其它是依賴處理結果的控制部分，這里重點介紹PIR信號處理部分，控制部分就簡單略過。
由于PIR 信號變化緩慢、幅值小，針對該特點，專用信號處理器一般分為三步處理，具體處理步驟如下：
濾波放大
普通PIR傳感器輸出信號幅值一般都很小，大約幾百微伏到幾毫伏，為了后續電路能作有效的處理，考慮到傳感器的信噪比，通常取增益72.5dB，通帶0.3Hz~7Hz。同時，由于是處理模擬小信號，所以為了保證放大器的工作穩定可靠，電路中特別集成了一個穩壓器用于給傳感器、放大器和比較器供電
窗口比較器
圖4：人體感應開關框圖
圖5：人體感應開關的信號處理過程
噪聲抑制數字信號處理
根據對人體運動特點以及傳感器的特性的長期研究，用固定時間內計脈沖個數和測脈沖寬度的方法來甄別有效的人體信號，這里由系統振蕩器提供時鐘源（16kHz）。具體判別方法如下[4]：
脈沖寬度低于24ms的都算作噪聲，不予處理；單個有效脈沖：寬度必須大于340 ms；雙脈沖，其中寬的必須大于160ms ，窄的大于 24ms ；三個脈沖有效，每個都必須大于 24ms 。
經過上述三步處理后就能準確、可靠地判斷人體信號。根據具體應用場合實現既定控制，例如報警器自動告警，自動開啟某個設備。 PT8A26XX 系列主要是用于自動延時開關，其中延時可調，還可設定白天不工作。另外其它幾個公司處理器功能都基本類似，在節能領域應用較廣。
結論
隨著相關信號處理器性能和可靠性的不斷提高，熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，因其價格低廉、技術性能穩定而受到廣大用戶和專業人士的歡迎，廣泛應用于各種自動化控制裝置中，既可作為紅外激光的一種較理想的探測器，又可適用于防盜報警、來客告知及非接觸開關等紅外領域。除了在眾所周知的摟道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域應用前景看好。
