热释电红外传感器结构详解：从芯片到透镜，一次讲清 PIR 的工作逻辑

在入侵报警、人体感应照明、智能家居与工业自动化等领域，热释电红外传感器（PIR 传感器）几乎是“标配”器件。它结构简单、功耗极低，却能在复杂环境中可靠识别人体移动，被认为是性价比极高的人体存在检测技术之一。

PIR 传感器之所以“灵敏但不乱报”，并非依赖复杂算法，而是源于其高度工程化的结构设计。本文将围绕传感器内部结构，系统拆解其如何区分背景热辐射与真实移动目标。

一、PIR 传感器的整体结构框架

从结构层面看，典型热释电红外传感器由三大系统构成：

二、核心部件：热释电芯片的内部结构

2.1 红外滤光片：第一道抗干扰屏障

位于芯片顶部的红外滤光片，本质是一种红外带通结构，典型透过波段为 5–14 μm，覆盖人体辐射最集中的 9–10 μm 区间。该设计可以：

• 有效屏蔽可见光

• 抑制太阳辐射、白炽灯等宽谱干扰

• 降低环境温度缓慢变化带来的影响

2.2 热释电晶元：将温度变化转化为电信号

热释电晶元通常由 PZT、钽酸锂等材料制成，尺寸很小（约 2 × 4 mm）。其物理特性决定了一个关键前提：只有温度变化，才会产生电信号。人体静止本身并不会触发输出，真正被检测的是人体移动导致的红外辐射变化。

2.3 双感应元结构：PIR 的灵魂设计

几乎所有实用级 PIR 芯片都会采用两个面积相同、极性相反的感应元，其工程逻辑非常清晰：

• 环境热辐射均匀变化时，两感应元输出相互抵消

• 移动热源先后扫过两个感应元时，形成正负变化的差分信号

• 天然具备抗温漂与抗慢变干扰能力

2.4 JFET 前置放大：把“微弱”变成“可用”

热释电晶元输出信号极其微弱（pA 级），芯片内部通常集成 JFET（结型场效应晶体管），用于阻抗变换、初级放大并降低噪声敏感度，确保信号在离开芯片前就具备工程可处理性。

三、光学部件：菲涅尔透镜如何“制造移动信号”

3.1 聚焦：提升探测距离与灵敏度

菲涅尔透镜可将远处微弱的红外辐射集中到晶元表面，在极低功耗下获得足够的信噪比。

3.2 分区：把空间变成明暗交替的探测格

透镜会将探测空间切割为多个明暗相间的区域：

• 人体移动 → 红外能量周期性变化

• 人体静止 → 信号趋于稳定

这也是 PIR 只能检测移动、无法检测静止存在的根本原因。不同透镜结构决定不同探测形态，如扇形、球形、幕帘式等。

四、机械与电子结构：稳定运行的基础

4.1 金属屏蔽外壳

金属封装（如 TO-5）不仅提供物理保护，同时具备良好的电磁屏蔽与热稳定性。

4.2 引脚与外围电路

标准 PIR 模块通常引出 Vcc、GND、OUT 三个引脚。通过外围 PCB 上的 RC 滤波与偏置网络，可进一步稳定工作点，为比较器或 MCU 提供可靠输入。

五、结构设计带来的典型特性

• 超低功耗（μA 级）

• 对缓慢环境温度变化不敏感

• 对移动热源高度敏感

• 算法需求低、系统可靠性高

六、Nexisense 对 PIR 结构选型的工程理解

• 双感应元一致性

• 滤光片波段稳定性

• JFET 噪声特性

• 透镜与应用场景的匹配度

七、常见 FAQ（10 条）

1. PIR 能检测静止的人吗？不能，只对热辐射变化敏感。

2. 阳光会导致误报吗？双感应元与滤光片可显著抑制。

3. PIR 能隔玻璃探测吗？普通玻璃会阻挡 8–14 μm 红外。

4. 探测距离由什么决定？主要取决于透镜设计与信噪比。

5. PIR 是否需要定期校准？一般不需要用户校准。

6. 模拟与数字 PIR 有何区别？差异主要在信号处理与输出方式。

7. 环境温度过高会影响性能吗？会降低人体与背景的温差对比度。

8. 为什么要使用金属外壳？用于电磁屏蔽与热稳定控制。

9. PIR 能区分人和动物吗？需结合透镜与算法，单芯片无法区分。

10. PIR 是否适合室外使用？可行，但需特殊结构与补偿设计。

八、总结

热释电红外传感器并非“简单器件”，而是一套围绕物理原理深度优化的结构系统：

• 菲涅尔透镜构建可触发的红外场景

• 双感应元晶元负责差分识别移动热源

• 滤光与前置放大保证信号纯净且可用

正是这种高度结构化的设计，使 PIR 在几十年的技术演进中依然不可替代，也解释了它为何可靠、节能，并长期占据人体感知技术的核心位置。