Пироэлектрический сенсор в SMD-корпусе

18.10.2023 |

Решив проблемы герметиза­ции, защиты от помех и теплоизоляции, компания Mu­rata разработала пироэлектри­ческие сенсоры, монтируемые способом пайки оплавлением.

А. Мельниченко

 

В течение многих лет пироэлектрические инфракрасные сенсоры используются в охран­ных системах и системах обеспечения безопас­ности. В последнее время отмечено увеличение использования этих сенсоров в качестве опти­ческих датчиков. Получили также широкое распространение автоматические системы уп­равления освещением зданий с использовани­ем пироэлектрических инфракрасных сенсо­ров, обеспечивающие сокращение потребле­ния электроэнергии.

За последние годы были улучшены пара­метры пироэлектрических сенсоров, в част­ности, снижено их эквивалентное шумовое сопротивление, а также повышена их поме­хоустойчивость. Увеличение объемов прода­жи сенсоров привело к снижению их стои­мости.

Однако, в то время как большинство совре­менных электронных компонентов выпускает­ся в SMD-исполнении, для пироэлектрических сенсоров во многих случаях все еще использу­ются герметично запаянные металлические корпуса, похожие на корпуса ТО-5 транзисто­ров прежних поколений. Их монтаж выполня­ется вручную, что увеличивает трудоемкость и, соответственно, производственные затраты. Кроме того, большие размеры корпусов стано­вятся препятствием на пути миниатюризации электронных устройств.

Многие производители электронных ком­понентов пытались разработать SMD-корпус для пироэлектрических сенсоров. Однако до сих пор ни одна из компаний не смогла выпус­тить пироэлектрические сенсоры в SMD-корпусе, пригодном для монтажа способом пайки оплавлением. Чтобы разработать “настоящие” пироэлектрические SMD-сенсоры, необходимо было решить ряд технологических проблем, описанных ниже.

Первым пироэлектрическим сенсором в SMD-корпусе можно считать производимый компанией Murata сенсор IRS-A200ST01. Для него компания выпускает также линзу Френе­ля IML-0658.

ВЫБОР МАТЕРИАЛА, УСТОЙЧИВОГО К ТЕМПЕРАТУРЕ ПАЙКИ

Чтобы изготовить пироэлектрический SMD-сенсор, пригодный для пайки оплавлени­ем, в первую очередь необходимо было выбрать материал, который мог бы выдержать дейс­твие высокой температуры пайки. Как прави­ло, чем выше пироэлектрический коэффи­циент материала, тем ниже его температура точки Кюри. Материалы с такими свойствами не подходят для изготовления SMD-сенсоров. Обычно производители сенсоров обращают больше внимания на чувствительность пиро­электрических материалов и поэтому выбира­ют материалы с низкой температурой точки Кюри.

Используя оригинальные технологии, ин­женеры компании Murata разработали но­вый материал, пироэлектрический коэффи­циент которого сравним с коэффициентом обычно используемых материалов, но отли­чающийся высокой температурой точки Кю­ри, что позволяет выполнять пайку оплавле­нием.

 

ГЕРМЕТИЗАЦИЯ И ЭКРАНИРОВАНИЕ КОРПУСА

Излучаемая телом человека тепловая энер­гия улавливается пироэлектрическим сенсо­ром, в результате чего его температура повы­шается примерно на 10-6 °C, генерируя ток по­рядка нескольких фемтоампер. Протекая по цепи сопротивлением несколько десятков ги­гаом, этот ток генерирует напряжение, необхо­димое для работы измерительной цепи.

Для уменьшения выходного сопротивления сенсора в нем установлен согласующий поле­вой транзистор. Защита от проникновения вла­ги, шунтирующей вход транзистора и внося­щей погрешность в коэффициент преобразова­ния сенсора, обеспечивается заполнением его корпуса азотом и последующей герметизацией.

С использованием оригинального способа прессования деталей, разработанного в компа­нии Murata, для пироэлектрического сенсора был изготовлен корпус, отличающийся высо­кой степенью герметичности.

Пироэлектрическая керамика в электри­ческих цепях ведет себя подобно конденсато­ру. Поэтому она очень чувствительна к внеш­ним электрическим полям, действие которых проявляется на выходе сенсора в виде шума. Экранирование сенсора IRS-A200ST01 выпол­нено с помощью электропроводного клея, на­несенного на внутреннюю часть керамическо­го корпуса, причем оптический фильтр сенсо­ра также покрыт токопроводящим слоем, вы­полняющим функцию экрана.

НЕЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Схема пироэлектрического SMD-сенсора со­держит два последовательно соединенных чувствительных элемента (рисунок), что поз­воляет значительно уменьшить зависимость выходного сигнала от температуры окружаю­щей среды. Соответствующим выбором кон­струкции и материала корпуса достигается ра­венство количества внешней тепловой энер­гии, поступающей на каждый из элементов. В сенсорах, выполненных в металлических корпусах, это равенство обеспечивалось за счет высокой теплопроводности корпуса. Для SMD- сенсора был разработан корпус, обеспечиваю­щий малую зависимость параметров сенсора от температуры среды. Это достигнуто оптимиза­цией путей распространения тепла, а также малой теплопроводностью материала корпуса.

ОСОБЕННОСТИ SMD-СЕНСОРА

Созданный компанией Murata в результате решения вышеупомянутых технологических проблем пироэлектрический SMD-сенсор IRS- A200ST01 отличается высокой чувствитель­ностью, малым уровнем шума и нечувстви­тельностью к внешним помехам. Он выпуска­ется в бессвинцовом исполнении и предназна­чен для монтажа способом оплавления.

Основные характеристики сенсора IRS- A200ST01:

  • типовая чувствительность 3.8 мВ (размах напряжения на выходе сенсора при прерывании излучения абсолютно черного тела с температурой 227 °С, находящегося от него на расстоянии 140 мм)
  • угол обзора 50°
  • напряжение питания от 2 до 15 В
  • размеры фоточувствительных элементов 5×0.55 мм
  • диапазон рабочих температур от -40 до 70 °С
  • габаритные размеры 7×5.7×2.6 мм.

Пироэлектрические SMD-сенсоры могут использоваться в системах безопасности, для ав­томатического включения осветительных прибо­ров, web-камер и других устройств, таких, на­пример, как ЖК-мониторы, кондиционеры, воз­духоочистители, вентиляторы, телевизоры и др.

Компания Murata также разработала спе­циализированную линзу Френеля, которая, как и SMD-сенсор, имеет малую массу. В бли­жайшем будущем компания планирует начать выпуск линз с различными диаграммами на­правленности.

Габаритные размеры SMD-сенсора (в мм) и его электрическая схема

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время при создании новых электронных устройств и систем все больше внимания уделяется бережному отношению к окружающей среде. Появился термин “зеленый стандарт”, которым отмечены раз­работки, отличающиеся применением ресур­сосберегающих технологий. Разработав малогабаритный пироэлектрический SMD- сенсор, предназначенный для широкого диапазона применений, компания Murata внес­ла свой весомый вклад в сохранение природ­ных ресурсов.