熱釋電效應

當(dang)一(yi)些(xie)晶(jing)體(ti)受(shou)熱(re)時(shi)，在(zai)晶(jing)體(ti)兩(liang)端(duan)將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)數(shu)量(liang)相(xiang)等(deng)而(er)符(fu)號(hao)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)荷(he)，這(zhe)種(zhong)由(you)於(yu)熱(re)變(bian)化(hua)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)極(ji)化(hua)現(xian)象(xiang)
，被(bei)稱(cheng)為(wei)熱(re)釋(shi)電(dian)效(xiao)應(ying)。通(tong)常(chang)，晶(jing)體(ti)自(zi)發(fa)極(ji)化(hua)所(suo)產(chan)生(sheng)的(de)束(shu)縛(fu)電(dian)荷(he)被(bei)來(lai)自(zi)空(kong)氣(qi)中(zhong)附(fu)著(zhe)在(zai)晶(jing)體(ti)表(biao)麵(mian)的(de)自(zi)由(you)電(dian)子(zi)所(suo)中(zhong)和(he)，其(qi)自(zi)發(fa)極(ji)化(hua)電(dian)矩(ju)不(bu)能(neng)表(biao)現(xian)出(chu)來(lai)。當(dang)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)時(shi)，晶(jing)體(ti)結(jie)構(gou)中(zhong)的(de)正(zheng)負(fu)電(dian)荷(he)重(zhong)心(xin)相(xiang)對(dui)移(yi)位(wei)，自(zi)發(fa)極(ji)化(hua)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，晶(jing)體(ti)表(biao)麵(mian)就(jiu)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)荷(he)耗(hao)盡(jin)
，電(dian)荷(he)耗(hao)盡(jin)的(de)狀(zhuang)況(kuang)正(zheng)比(bi)於(yu)極(ji)化(hua)程(cheng)度(du)
，圖(tu)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）根據菲涅耳原理製成，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幹個明區和暗區
，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，任何高於絕對溫度（-273K）dewutidoujiangchanshenghongwaiguangpu，butongwendudewutishifangdehongwainengliangdebochangshibuyiyangde
，yincihongwaibochangyuwendudegaodishixiangguande，erqiefushenengliangdedaxiaoyuwutibiaomianwenduyouguan。

人體都有恒定的體溫，一般在37°C左右
，會發出10mmzuoyoutedingbochangdehongwaixian，beidongshihongwaitantoujiushikaotancerentifashedehongwaixianerjinxinggongzuode。hongwaixiantongguofeinieerlvguangpianzengqianghoujujidaoreshidianyuanjian，zhezhongyuanjianzaijieshoudaorentihongwaifushebianhuashijiuhuishiqudianhepingheng，xiangwaishifangdianhe

，houjingjiancechulihoujiunengchanshengbaojingxinhao。beidonghongwaitantou，qichuanganqibaohanlianggehuxiangchuanlianhuobingliandereshidianyuanjian，erqiezhichengdelianggedianjihuafangxiangzhenghaoxiangfan（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
，於是探測器無信號輸出[3]。

被動式熱釋電紅外探頭的優缺點

不同於主動式紅外傳感器，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、光源幹擾；

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；

易受射頻輻射的幹擾
；

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sui然ran被bei動dong式shi熱re釋shi電dian紅hong外wai探tan頭tou有you些xie缺que點dian，但dan是shi利li用yong特te殊shu信xin號hao處chu理li方fang法fa後hou，仍reng然ran使shi它ta在zai某mou些xie領ling域yu具ju有you廣guang闊kuo的de應ying用yong前qian景jing。因yin此ci，有you很hen多duo生sheng產chan商shang根gen據juPIR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

、一個係統振蕩器和一個邏輯控製器。其它是依賴處理結果的控製部分
，這裏重點介紹PIR信號處理部分，控製部分就簡單略過。

由於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，為了後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，由於是處理模擬小信號

，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於給傳感器、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

噪聲抑製數字信號處理

根gen據ju對dui人ren體ti運yun動dong特te點dian以yi及ji傳chuan感gan器qi的de特te性xing的de長chang期qi研yan究jiu，用yong固gu定ding時shi間jian內nei計ji脈mai衝chong個ge數shu和he測ce脈mai衝chong寬kuan度du的de方fang法fa來lai甄zhen別bie有you效xiao的de人ren體ti信xin號hao
，這zhe裏li由you係xi統tong振zhen蕩dang器qi提ti供gong時shi鍾zhong源yuan（16kHz）。具體判別方法如下[4]：

脈衝寬度低於24ms的都算作噪聲，不予處理；單個有效脈衝：寬度必須大於340 ms
；雙脈衝，其中寬的必須大於160ms ，窄的大於 24ms 
；三個脈衝有效，每個都必須大於 24ms 。
經過上述三步處理後就能準確、可靠地判斷人體信號。根據具體應用場合實現既定控製，例如報警器自動告警
，自動開啟某個設備。 PT8A26XX xiliezhuyaoshiyongyuzidongyanshikaiguan
，qizhongyanshiketiao，haikeshedingbaitianbugongzuo。lingwaiqitajigegongsichuliqigongnengdoujibenleisi，zaijienenglingyuyingyongjiaoguang。

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於紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，因其價格低廉
、jishuxingnengwendingershoudaoguangdayonghuhezhuanyerenshidehuanying，guangfanyingyongyugezhongzidonghuakongzhizhuangzhizhong
，jikezuoweihongwaijiguangdeyizhongjiaolixiangdetanceqi，youkeshiyongyufangdaobaojing、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。