Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2009 №1

Пироэлектрический инфракрасный датчик для поверхностного монтажа IRS-A200ST01 от компании Murata

Очиаи Читака (Ochiai Chitaka)


Решив проблемы теплостойкости, герметизации, помехоустойчивости и теплоизоляции, компании удалось выпустить этот продукт, пригодный для пайки волной.

Пироэлектрические инфракрасные датчики уже давно применяются в охранных системах, и в последнее время для такого применения все возрастает. Например, на их базе изготавливаются сенсорные светильники, которые можно назвать простейшими охранными устройствами. Широкое распространение получают также экологичные системы освещения, в которых благодаря пироэлектрическим инфракрасным датчикам свет включается только в тех помещениях, где это необходимо. С течением времени были усовершенствованы такие характеристики пироэлектрических инфракрасных датчиков, как устойчивость к шумам и помехам от внешнего освещения, что значительно улучшило их работу. В то же время по мере расширения рынка произошло снижение цен на эти изделия.

Однако в области корпусирования пироэлектрических инфракрасных датчиков прогресс был невелик. Большинство данных устройств до сих пор монтируется в герметизированных корпусах типа TO-5, которые в прошлом использовались для транзисторов. При этом б ó льшая часть транзисторов сегодня предлагается в виде устройств для поверхностного монтажа (SMD) в миниатюрных прессованных корпусах, сменивших прежние пластмассовые корпуса с внешними выводами. Совершенствование корпусов транзисторов позволило уменьшить занимаемый ими объем и повысить плотность монтажа. Вдобавок на рынке появились многочисленные корпуса ИС с повышенной степенью интеграции и эффективностью монтажа, а также бескорпусные ИС. Безвыводное исполнение более широко применялось для таких компонентов, как конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности, но и здесь произошла дальнейшая миниатюризация. Сегодня становится все труднее найти выводные компоненты.

Электронные компоненты в SMD-корпусах могут монтироваться путем пайки волной — в отличие от ныне применяемых пироэлектрических инфракрасных датчиков, требующих ручной пайки, которая чрезвычайно неудобна для производителей печатных плат. В ряде случаев ограничением становятся и габариты корпусов существующих пироэлектрических инфракрасных датчиков, препятствующие миниатюризации изделий на их основе. Многие производители электронных компонентов пытались помещать пироэлектрические инфракрасные датчики в SMD-корпуса. У некоторых это получалось — если говорить о внешнем виде устройства. Но до сих пор ни одной компании не удавалось изготовить пироэлектрический инфракрасный датчик в SMD-корпусе, который был бы пригоден для пайки волной. Чтобы изготовить «полноценный» пироэлектрический инфракрасный датчик, необходимо решить четыре перечисленные ниже проблемы.

Рис. 1. а) Внешний вид пироэлектрического инфракрасного датчика IRS-A200ST01;  б) габаритный чертеж и электрическая схема включения
Рис. 1. а) Внешний вид пироэлектрического инфракрасного датчика IRS-A200ST01;
б) габаритный чертеж и электрическая схема включения

Компания Murata Manufacturing Co., Ltd. представила первый пироэлектрический инфракрасный датчик поверхностного монтажа серии IRS-A200ST01 (рис. 1), а также обеспечила маркетинговые мероприятия для продвижения специально предназначенной для него линзы Френеля IML-0658 (рис. 2).

Рис. 2. Габаритный чертеж и схема распределения света в специальной линзе
Рис. 2. Габаритный чертеж и схема распределения света в специальной линзе

Повышение теплостойкости

Для изготовления пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков, пригодных для пайки волной, необходимо было разработать пироэлектрический материал, который бы выдерживал соответствующую температуру волны. Обычно чем выше пироэлектрический коэффициент или чувствительность материала, тем ниже его точка Кюри. Материалы с такими характеристиками непригодны для пайки волной. Как правило, производители придают большее значение чувствительности обычно применяемых пироэлектрических материалов и поэтому берут за основу материалы с низкой точкой Кюри.

Компания Murata разработала для этой цели новый материал, использовав максимально преимущества своих оригинальных керамических технологий. Этот материал удовлетворяет двум взаимно противоречащим требованиям: с одной стороны, он имеет более высокую температуру точки Кюри, что делает его пригодным для пайки волной, а с другой — обладает тем же пироэлектрическим коэффициентом, что и обычно применяемые материалы. Новый материал применяется теперь компанией Murata для изготовления пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков.

Герметичность корпуса

Температура керамики, из которой изготавливаются пироэлектрические инфракрасные датчики, меняется от уровня тепла, излучаемого человеческим телом, примерно на 10–6°C, в результате чего в керамике вырабатывается электрический заряд порядка фА. Этот чрезвычайно слабый электрический ток пропускается через импеданс величиной в несколько десятков гигаом и преобразуется в напряжение. Поскольку импеданс сам по себе настолько велик, в пироэлектрические датчики встраивается полевой транзистор(FET) для преобразования импеданса. Для того чтобы проникшая внутрь влага не снижала импеданс преобразовательного блока, корпус датчика герметизируется азотом с целью обеспечения воздухонепроницаемости.

Для этого компания Murata разработала корпус чрезвычайно высокой степени герметичности с встроенными наружными выводами и внутренней конфигурацией, использующей систему заливки собственной разработки.

Электромагнитный экран

С точки зрения теории электрических цепей пироэлектрическая керамика является конденсатором. Поэтому изменения окружающих электрических полей непосредственно передаются на выход в виде шума. Электромагнитное экранирование, которое обеспечивает корпус, играет существенную роль в предотвращении такого шума.

Высокая степень электромагнитного экранирования в пироэлектрическом инфракрасном датчике Murata IRS-A200ST01 достигается за счет применения конструкции с отлитыми выводами, которая оказывает экранирующее воздействие благодаря оригинальной фирменной системе отливки на базе формовочных смол. Керамический корпус датчика обеспечивает сплошное экранирование за счет конструкции экрана, в состав которой входит оптический фильтр.

Теплоизоляция

Пироэлектрические инфракрасные SMD-датчики построены по распространенной двухэлементной схеме, структурным свойством которой является исчезновение выходного сигнала при одновременном попадании энергии на два фотоприемника (эквивалент изменения температуры объекта). Обеспечить высокую устойчивость пироэлектрического инфракрасного датчика к колебаниям внешней температуры можно при помощи конструкции, в которой тепло, передающееся на пироэлектрический элемент через корпус, поступает одновременно на два фотоприемника.

В обычных баночных корпусах однородная теплопередача достигается за счет высокой теплопроводности металла корпуса и большой теплоемкости соединений. Для пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков был разработан SMD-корпус, имеющий высокую устойчивость к колебаниям внешней температуры благодаря оптимальной реализации теплопередачи путем использования металлического вывода, встроенного в корпус в качестве тепловой трубки, а также теплоизоляции, обусловленной невысоким коэффициентом теплопередачи формовочной смолы.

Особенности нового датчика

Благодаря решению перечисленных выше технологических проблем разработанный компанией Murata пироэлектрический инфракрасный SMD-датчик IRS-A200ST01 характеризуется высокой чувствительностью и низким уровнем шума, подходит для пайки волной, имеет малые размеры (6,7×5,7×2,6 мм), чрезвычайно устойчив к помехам и удовлетворяет требованиям директивы по ограничению содержания вредных веществ (RoHS).

Пироэлектрические инфракрасные SMD-датчики компании Murata могут использоваться в охранном оборудовании, для автоматического управления освещением, в или IP-камерах, в автоматических сиденьях для унитаза с функцией омывания теплой водой, а также в других автоматических выключателях, например, для жидкокристаллических мониторов, воздушных кондиционеров, очистителей воздуха, вентиляторов и телевизоров.

Компания Murata также разработала специальную линзу Френеля, которая в полной мере соответствует преимуществам миниатюризации пироэлектрических инфракрасных SMD-датчиков. В ближайшем будущем компания планирует представить линзы с различными схемами распределения света.

Заключение

В настоящее время имеется высокий спрос на экологичное и энергетически эффективное электронное оборудование. В дальнейшем компания Murata планирует вывести на рынок более компактные пироэлектрические инфракрасные SMD-датчики, ориентированные на широкий спектр применений с использованием соответствующих линз — тем самым компания рассчитывает внести свой вклад в совершенствование глобальной экосистемы.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке