紅外線感測器 光電四 A 4990B003 許盈薇

光學感測器的定義 光學感測器是利用光敏元件將光訊號轉換為電訊號的感測器。 常用光敏元件的感應波長在可見光波長附近﹐如紅外線波長和紫外線 波長。 光學感測器不只是應用於光的測量﹐更常用於作為探測元件﹐組成其它 類型的感測器﹐對非電量（如溫度等）進行檢測﹐只要將這些非電量轉 換為光訊號的變化﹐便可實現對非電量的檢測。

感測器 (Sensor) 種類包括以 物理原理：以金屬元件為主  光 ( 紅外線 ) 、磁力  振動、超音波 ( 距離 ) 、壓力 化學原理：以電位化學量來感測  氣體 ( 瓦斯、一氧化碳等 ) 、離子  溫 ( 溼 ) 度 生物原理：以生物材料為感測元件  醫療、空氣品質之監測 等做為檢出的對象感測器

紅外線感測器種類 ( 續 ) 量子型紅外線感測器 原理是利用光電效應來感應溫度的變化，例如光二極體， 以及利用光電效應的 CdS 、 PbS 等元件。 紅外線 LED 與接收器 紅外線感測器 CNY70 光感測器

紅外線感測器使用方式 紅外線感測器使用方式可分為 主動式（遮斷式） 由一組紅外線發射器與接收器所組成。 發射器必須不斷發射近紅外線至接收端，屬於一維點 對點感應方式。 適用於室內或室外點對點的直線距離使用 。 被動式 而被動式人體紅外線感測器（又稱為 PIR ） 感應器本身不會發射紅外線光束，而是靠物體之熱源 移動觸發感應器，屬於二維或三維的感應方式。 適用於室內封閉空間防盜器、感應照明。

主動式紅外線感測器使用方式 主動式紅外線感測器為利用紅外光線以檢知受體的一種感測器。 使用上分為二類： 反射型：紅外線光源與感光元件並排放置，紅外線 光線是否自物體反射來判斷物體的方式。

主動式紅外線感測器使用方式 ( 續 ) 遮光型：紅外線光源與感光元件設置相向的位置，當從紅 外線光源射往感光元件的光線被遮斷時，即判斷其間有物 體存在的方向。

紅外線感測器之應用 工業上的應用 — 計件器 以電子電路偵測紅外線發射與接收之間的阻隔或反射 情形來判斷是否物體通過。 物體阻隔紅外線 物體反射紅外線

紅外線感測器之應用 ( 續 ) 耳溫槍 ( 或額溫槍 ) 人體在不同體溫時，輻射出的紅外線頻率會有微量 的不同。因此，透過紅外線偵測器，就可以測出人的 體溫。

紅外線感測器之應用 ( 續 ) 警報系統 利用焦電型紅外線感測器，可偵測人體幅射出的紅外 線，也有些是利用紅外線發射器與接收器之間的接收 狀況，來偵測是否有物體的存在。

紅外線感測器 依紅外線的波長範圍和紅外線輻射源可區分為 近紅外線 (Near Infra-red, NIR) ； 780~2,000nm 。 中紅外線 (Middle Infra-red, MIR) ； 2,000~6,000nm 。 遠紅外線 (Far Infra-red, FIR) ； 6,000~14,000nm 。 物體只要高於絕對零度 ( 攝氏 K) ，即會產生黑體幅射 用下列式子表示 : 我們用此公式，可以計算人體表面溫度近似波峰在 9.4 ，從圖一我們可以之知道一個發熱體 2000K ，我們可能 看到發可見光，一個發熱體 500K ，我們不可能看到發可見光，確能感到其產生熱氣。 圖 : 黑體幅射曲線，在不同溫度時產生不同曲線

紅外線感測器之應用 ( 續 ) 夜間拍攝 利用紅外線發射器發射紅外線，再利用紅外線感測器接 收反射回來的紅外線，因此, 可在黑夜中拍攝影像。

13 紅外線感測器之應用 ( 續 ) 自走車 — 循線感測器 利用反射式紅外線感測器達成循跡動作

熱像儀器所配備鏡頭為能使 3-5μm 或 8-14μm 波段紅外線穿透的材質所研磨成的透鏡組，其中 3- 5μm 波段以矽 (Si) 材質透鏡最常見， 8-14μm 則以鍺 (Ge) 或 ZnSe 材質最常見；視窗過濾片方面 (Window filter) 亦是以 Si 或 Ge 材質為主。 由於進光量影響靈敏度，加上以 Si 或 Ge 為材質的紅外光穿透率相較於可見光的石英等材質並不高， 以至於紅外光鏡頭多採低 F-number 設計 ( 如 F/0.8, F/1, F/1.5, F/1.8...) 來增加進光度。 常溫紅外線感測器常用波段為 8-14μm ，透鏡也有用較便宜材料 PE OR LDPE… 等等，但其穿透率 約 40~50% ，常用於 PIR 或 THERMOPILE 方面 。 圖 :PKI 紅外線穿透率對波長曲線。

圖 :PKI 偵測不同氣體用不同過濾片一覽 圖 : 紅外線常用材料特性 紅外線常用材質如圖，包括電阻式的 VOxolometer 與壓電感應式的 BST Pyroelectric 為主， PZT 壓電陶瓷 ( 鋯鈦酸系材料）。 材料不一樣，讀出訊號方式也不同，基本上要將 訊號轉換成電壓，以利後面 A/D or 放大器處理， Responsivity 決定材料訊號大小，下列將介紹各 種材料原 理及工作方式。

圖六 :PIR 內部結構。 PIR 此人體紅外線感測器是以 TGG （三甘氨酸 硫酸鹽或） PZT （汰酸系壓電材料）等強介質 所作成的紅外光感測器，電源工作電壓為 3~15VDC ，使用溫度範圍在 -10 ℃ ~+50 ℃，源 極的輸出信號極小，但相對 THERMOPILE 算很 大，一般需要接源極到地電組，約 10k~47k. 歐 姆之間，僅有數 mV 到數十 mV ，能接受所有熱 體所輻射出來的紅外線（包括人體），其訊號 特性如同子彈射入砂堆內，產生大訊號，接著 不久即消失，除非重復產生訊號。 PIR SENSOR ELEMENT 需求至 少兩片或更多，因為 PIR 對振動也 會感測到訊號，因此用兩片對接， 可以降低振動感測訊號，約降低振 動訊號 100~1000 倍，對於焦電材 料電阻大於 10^12 歐姆，因此 1/f 雜訊相當大， 1/f 又是 PIR 主要雜 訊，其雜訊公式如下。

THERMOPILE 感測器 : 圖 : 各項物體對熱傳導能力，明顯固體大於液體，液體大於汽體。 圖 : 金屬兩端冷熱不同，會產生電壓差。 1823 年， Seebeck 發現由兩種不同金屬接合成 的線路上，若兩接點間有溫差時，即會產生電位 差。這個現象即是熱電偶 (thermal couples) 測量 溫度梯度及熱電產生 (thermoelectric generator) 之工作原理。由於一般材料的熱電效率低，不能 引起科學家廣泛的興趣，熱電現象這個領域幾乎 停滯不前。製造熱電產生器或熱電偶致冷器的材 料稱為熱電 (thermoelectric materials) ，是一種將電能與熱能交互轉變的材 料， THERMOPILE 即用此材料特性做成。

圖 : 上圖為 THERMOPILE 對溫度變化，會產生電壓差，其相對 PIR 訊號小很 多。 THERMOPILE 與 BOLOMETER 多採用空 中懸浮板方式感測訊號， 以避免熱能散失太快， 參考圖八， THERMOPILE 因材料用 金屬感測訊號，產生電 壓訊號非常小但其雜訊 很低，故 S/N 訊號比 PIR 好。 THERMOPILE 用放大讀 取訊號， OP 需要選取具 有 LOW OFFSET ， LOW NOISE 的放大器，否則 微小訊號將被 OP OFFSET 吃掉，量不到訊 號，後極放大也無法處理。

結論 這裡討論中紅外線與遠紅外線常溫環境工作產品，由於材料不同用途 也不同，讀取訊號方式也不同， PIR 與 THERMOPILE 使用單一元件 較多，之前多是類比式，最近有些數位式上市，適合需要體積小產品， 或設計要求省開發時間產品， THERMOPILE ARRAY 目前有使用低 點數 ARRAY ，客戶認為點數 16*16OR 32*32 較有市場， BOLOMETER 國內外開發很久， BOLOMETER ARRAYSENSOR 目 前以法國商業化最成熟。

參考資料 : [1] PerkinElmer “INFRARED SENSING TECHNOLOGIES-FOR A HEALTHIER,CLEANER AND SAFER TOMORROW” ， SECTION 1 ， page 7~11,2008 。 [2] EXCELITAS “Infrared Sensing For Secure Homes, Healthier Families and Energy Savings”, SECTION 1 ， page 7~11,2010 。