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

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.

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).

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.