Der IR 6 ist ein passiver Infrarot-Bewegungsmelder der Firma Telenorma. Er benötigt eine Versorgungsspannung zwischen 10,5V und 15V. Neben dem Alarmausgang bietet der IR 6 einen Manipulationsschutz, bei dem eine Kontrollschleife unterbrochen wird, wenn man das Gehäuse öffnet. Auf der Vorderseite befindet sich lediglich ein unauffälliges, weißes, für Infrarotstrahlung durchsichtiges Fenster.
Das Datenblatt zeigt die Erfassungsbereiche des Sensors. Fünf Bereiche erstrecken sich in der horizontalen Ebene über einen Öffnungswinkel von 90°. Die Reichweite ist abhängig vom Winkel, mit dem der Sensors an der Wand befestigt wird und beträgt bis zu 14m. Im Nahbereich besitzt der IR 6 zwei zusätzliche Erfassungszonen.
Entfernt man den Deckel, so blickt man auf die Rückseite einer Platine. Das Modul wurde hier um 180° gedreht. Links befindet sich die Kontaktleiste, rechts bietet ein Fenster eine Eintrittsmöglichkeit für Infrarotstrahlung. Dazwischen ist der Manipulationsschutz angeordnet. Ein im Deckel befestigter Stift drückt dort durch ein Loch in der Platine auf ein Metallteil, das die Schleife des Manipulationsschutzes schließt.
Die orange Leuchtdiode ist eine sogenannte Begehtestanzeige. Sie ist laut Datenblatt durch das Gehäuse nicht sichtbar, kann aber zusätzlich abgesteckt werden. So ist sichergestellt, dass kein Unbefugter den Erfassungsbereich austestet.
Infrarotsensoren für Bewegungsmelder bieten üblicherweise sehr wenige, meist nur zwei Elemente. Die gewünschte Auflösung über eine große Fläche erreicht man über Fresnellinsen oder Hohlspiegel. Diese optischen Elemente sorgen dafür, dass sich die Einstrahlung auf den Sensor verhältnismäßig stark ändert, auch wenn sich nur eine kleine Wärmequelle durch den Raum bewegt.
Entfernt man die Platine, so wird der Hohlspiegel sichtbar, der beim IR 6 die eintreffende Infrarotstrahlung zum Sensor lenkt und so die Erfassungsbereiche definiert. Die Flächen 1-5 sind die weitreichenderen Zonen. Die auf diesem, immer noch gedrehten Bild unten angeordneten Flächen 6 und 7 sammeln die Infrarotstrahlung aus dem Nahbereich.
Wieder um 180° gedreht ist durch den Ausschnitt in der Platine der Übergang von den Weitbereichs- zu den Nahbereichsreflektoren deutlich zu erkennen. Unter dem schwarzen Element befindet sich der eigentliche Sensor.
Die Schaltung auf der Platine ist nicht allzu komplex. Üblicherweise werden die Signale des Sensors aktiv gefiltert und verstärkt. Ungefähr mittig ist das Metallelement des Manipulationsschutzes zu sehen und darüber das Relais, das den Ausgang des Bewegungsmelders schaltet.
Der Sensor ist auf der Rückseite mit einem Kunststoffelement abgedeckt. Vielleicht stellt man damit sicher, dass keine Infrarotstrahlung auf die Pins fällt und darüber eine inhomogene Erwärmung erzeugt. Derartige Sensoren sind äußerst empfindlich und es ist durchaus denkbar, dass eine inhomogene Erwärmung der Pins bereits ein problematisches Störsignal erzeugt.
Der Sensor liegt direkt auf der Platine auf. Man darf die Sensorelemente allerdings nicht zu stark erhitzen. Das Datenblatt empfiehlt die Pins mindestens 6,35mm lang zu lassen. Das erklärt, warum man die Pins hier nach unten gebogen und erst weiter entfernt verlötet hat.
Auf der Vorderseite befindet sich ein quadratisches Fenster mit einem Filterelement.
Die seitliche Beschriftung zeigt, dass es sich um den Dual IR-Detektor 5192 der Firma Eltec handelt. Die Nummer 3 hinter der Bezeichnung zeigt welcher Filter sich vor dem Sensor befindet. 3 steht für den Siliziumfilter, der Wellenlängen zwischen 6µm und 25µm passieren lässt. Insgesamt sind 35 verschiedene Filter verfügbar. 4784 scheint ein Datecode zu sein.
Das Datenblatt zeigt, dass sich im Gehäuse zwei Sensorelemente befinden.
Im Datenblatt wird unter anderem auf das Patent US4523095 verwiesen, dessen Abbildungen es erleichtern die Funktionsweise des Sensors zu verstehen. Würde man nur ein einzelnes pyroelektrisches Element als Sensor benutzen, dann würde ein warmer Körper im Erfassungsbereich lediglich das Ausgangssignal ansteigen lassen (Fig. 5).
Durch die Anordnung und Verschaltung von zwei pyroelektrischen Elementen und die Auswertung über einen Differenzverstärker ergibt sich dagegen ein oszillierendes Signal beim Durchlaufen der Erfassungsbereiche (Fig. 6). Dieses Signal lässt sich leichter auswerten.
Öffnet man das Gehäuse, so kann man einen Blick auf das eingeklebte Filterelement werfen.
Die beiden pyroelektrischen Elemente sind auf einem Keramikträger befestigt. Es zeigt sich, dass das rechte Element abgebrochen ist. Der Schaden könnte beim Öffnen des Gehäuses entstanden sein. Das vorliegende Modul wurde allerdings aussortiert, weil es nur noch unzuverlässig funktioniert hat. Das spricht dafür, dass das Element vorher schon abgebrochen war.
Auf den Anschlusspins kamen sogenannte Security Bonds zum Einsatz. Dabei soll ein Ball-Bond den Wedge-Bond sichern.
Das Datenblatt zeigt die Funktionsweise des Sensors. Die zwei pyroelektrischen Elemente sind antiparallel verschaltet und werden auf das Gate eines JFETs geführt. Diese Verschaltung sorgt dafür, dass beim Wechsel eines Infrarotstrahls von einem Element auf das andere sich die Polarität des Signals umkehrt. Der JFET stellt den im obigen Patent dargestellten Differenzverstärker dar. Der Wert des Widerstands R_L ist mit 105GΩ extrem hoch. Ein derart hoher Wert ist notwendig, da die pyroelektrischen Elemente einen sehr hohen Innenwiderstand aufweisen.
Man kann den Sensor anscheinend auch mit niedrigeren Widerstandswerten beziehen. Da R_L die Kapazität des Sensors entlädt, wirkt sich ein niedrigerer Wert positiv auf die Bandbreite aus. Gleichzeitig reduziert sich aber die Empfindlichkeit.
Mit dem Hintergrund der Funktionsweise kann man die Strukturen interpretieren und extrapolieren. Beim linken pyroelektrischen Element ist die Oberseite mit dem Gate des JFETs verbunden. Beim rechten Element ist durch die Befestigung die Unterseite direkt mit dem Gatepotential verbunden. Man kann davon ausgehen, dass die Oberseite mit dem Rest des Ballbonds rechts des Elements verbunden war (gelb). Auf dem Keramikträger zwischen den Goldkontakten ist der extrem hochohmige Dickschichtwiderstand aufgebracht.
Die Bedeutung des Abdrucks zwischen den thermoelektrischen Elementen bleibt offen. Es scheint sich nicht um einen ordentlichen Wedge-Bond zu handeln. Es fehlt außerdem der Security-Bond. Das lässt vermuten, dass es sich nicht um ein funktionales Element gehandelt hat. Vielleicht sind es Überreste der Fertigung.
Pyroelektrische Elemente lassen sich aus verschiedenen Materialien herstellen. Auf der Webseite von Eltec wird immer nur von Lithiumtantalat gesprochen.
Da man auf dem pyroelektrischen Material nicht bonden konnte, wurde der Bonddraht aufgelötet.
Die Kantenlänge des JFETs beträgt 0,35mm. Die Funktionsweise ist gut zu erkennen. Die beiden nebeneinander liegenden Bondflächen kontaktieren einen breiten n-dotierten Streifen, der sich in einer p-dotierten Fläche befindet. Auf dem breiten Streifen ist ein dünner p-dotierter Streifen aufgebracht, so dass ein n-dotierter Kanal entsteht, der über seinen kompletten Umfang von p-dotierten Bereichen umgeben ist.
Innerhalb des Sensors wird das Gate-Potential von unten durch das Substrat zugeführt. Das freie Bondpad im unteren Bereich bietet die Möglichkeit das Gate-Potential alternativ über einen Bonddraht zuzuführen.
