PIR 器件因为它体积小、价格便宜，目前在低功耗电池摄像机、可视门铃、猫眼等设备中被广泛应用。虽然现在有些设备已经使用上了雷达，但要替换掉 PIR 还有一个漫长的过程。

PIR 器件在使用的过程中，经常会出现各种问题：

• 容易产生误报

• 探测距离与安装角度强相关

• 存在探测盲区

• 需要锁定时间，有时候响应慢

• 受温度影响大

• 易受电磁信号干扰

PIR 相关的基础知识，以前有做过简单的介绍《PIR传感器选型及其使用介绍》

本文尝试从器件底层原理上来解释上面问题原因。

PIR 的工作原理可以简单概括为：PIR通过感知人体等物体发出的红外辐射变化，并将这种变化转换为电信号来实现运动检测。

这里我们先思考几个问题：

• 为什么人体能发出红外辐射？

• 还有哪些物体能发出红外辐射？

• 人体红外辐射的波长是多少？

• 为什么红外辐射能转换为电信号？

要解答上面问题，我们需要先了解一下热量传递的基础知识。

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（一）热量传递基础

热量传递（Heat Transfer）是由于温度差引起的热能转移现象。在物理学中，热量传递主要有三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。

（1）热传导 (Thermal Conduction)

热传导是指由于物质的热运动，热量从物体的高温部分传向低温部分，或者从高温物体传向与其接触的低温物体的过程。

热传导主要通过微观粒子的碰撞（如分子、原子、自由电子）来传递能量。在固体中，尤其是金属，热传导是最主要的传热方式。

它的特点是必须有直接接触，且不涉及宏观上的物质迁移。如上图中开水锅中的热量通过手柄传递到手上。

（2）热对流 (Thermal Convection)

热对流是指流体（液体或气体）中温度不同的各部分之间发生相对位移，从而引起热量传递的过程。

热对流是通过流体的宏观运动来传递热量。它仅发生在流体（气体和液体）中。

如烧开水时，壶底的热水上升，上层的冷水下降，形成循环。

（3）热辐射 (Thermal Radiation)

热辐射是物体通过电磁波产生能量发射的过程。所有温度高于绝对零度 -273.15℃ 的物体都在不断地向外发出热辐射。

热辐射是物体将内能转化为电磁波（主要是红外线）向外发射。它不需要任何介质，热量可以在真空中传递，且传递速度最快（光速）。

比如太阳的热量通过真空宇宙空间传到地球；或者人在篝火旁感到脸部发烫。

（4）黑体辐射（Blackbody Radiation）

在物理学中，黑体是一个理想化的物理模型。它具有两个核心特征：

• 完美的吸收体： 它能吸收照射到它表面上的所有电磁辐射（包括光），既不反射也不透射。正因为它不反射任何光，所以如果它的温度足够低（不发可见光），看起来就是完全漆黑的，故名黑体。

• 完美的放射体： 黑体不仅能吸，还能发。根据热力学定律，黑体在特定温度下会向外辐射能量，且在同温度下，它的辐射本领比任何其他物体都强。

（A）普朗克光谱 (Planck Spectrum)

在物理学中， 普朗克定律描述了在特定温度 T 下，当物体与环境之间没有物质或能量净流动时，黑体在热平衡状态下发射的电磁辐射的光谱密度。

横轴 (Wavelength μm)：波长，单位是微米。注意这是对数坐标，涵盖了从紫外线到可见光，再到红外线的范围。

纵轴 (Spectral intensity)：光谱辐射强度。数值越高，代表在该波长下释放的能量越多。这也是对数坐标，能量跨度极大。

温度与强度的关系：随着温度（从 100K 升高到 10,000 K），曲线下方的总面积显著增加。这对应了斯特藩-玻尔兹曼定律：物体越热，单位时间内向外辐射的总能量就越多。

（B）维恩位移定律 (Wien’s Displacement Law)

维恩位移定律（英语：Wien's displacement law）是物理学上描述黑体电磁辐射光谱辐射度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律

维恩位移定律 的数学表达式为：

其中 b 是一个物理学常数，其值为：

如果使用微米（）单位，可转换为：

μ

维恩位移定律给出了黑体辐射波峰波长与温度的定量关系。

（5）人体红外辐射

人体红外辐射 是人体因为自身温度而向外发射的电磁波。

只要物体的温度高于绝对零度（-273.15℃），它就会不停地向四周辐射电磁能量。而人体作为一个恒温发热体，自然也是一个源源不断的红外辐射源。

（A）绝对温度：

人体的摄氏温度是 。在物理计算中必须转化为热力学温度（开尔文 ）：

（B）人体红外波长：

带入上面维恩位移公式：

μ

μ

可以得到人体辐射红外波长的峰值为 9.343 μm 。

（6）自然光谱图

实际宇宙中有各种波长的电磁辐射辐射到地球，但由于地球有大气层，大气层会吸收、衰减、反射一部分波长的电磁波。

图中没有标 Opaque(不透明) 且呈现下凹开口的区域，物理学上称之为 大气窗口（Atmospheric Windows）。

• 光学窗口（Optical Window）： 对应图中的Visible light区域。大气层对可见光几乎是全透明的，所以太阳光能照射到地面，我们也能在地面上用肉眼观测星空。

• 射电窗口（Radio Window）： 对应图中左侧的Radio Waves。大部分无线电波可以穿透大气层，这就是为什么地面上可以建造巨大的射电望远镜阵列。

• 部分红外窗口： 在红外线波段，你可以看到曲线起伏很大，这表示只有特定频率的红外线能到达地面，其余的都被大气中的水蒸气和二氧化碳吸收了。

图中那条像云轮廓一样的青灰色曲线，实际上反映了大气不透明度（Opacity）随波长的变化曲线：

• 波峰（高处）： 表示大气对该波段的阻挡率为 。如左侧的低频无线电和右侧的紫外线、X 射线。这意味着这些辐射在到达地表前就已被高层大气完全阻隔。

• 波谷（凹陷处）： 表示大气对该波段比较透明。下凹得越深，表示该波段越容易到达地面。

• 不规则的起伏（如 Infrared 区域）： 这些细碎的波动代表了不同气体分子的选择性吸收。

从自然光谱图中我们可以知道，在自然环境中，还存在很多与人体辐射波长(9.343 μm) 相近的一些电磁波。

而这些波长相近的电磁波，是引起 PIR 误报的原因之一。

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（二）PIR 外壳和滤光片

在消费类摄像机或是可视门铃中使用的 PIR，大部分如上图这种封装，差异是引脚数量和窗口大小的不同。

在实际使用的时候，如果是模拟 PIR，还需将 PIR 的引脚用金属屏蔽罩进行包裹。

为什么 PIR 都是使用金属外壳封装？为什么模拟 PIR 的引脚还需要套个金属屏蔽罩？

（1）金属外壳

PIR 使用金属外壳封装主要有三个原因：

• 电磁屏蔽（EMI/RFI Shielding）

• 热惯性与均温（Thermal Mass）

• 气密性保护（Hermetic Seal）

（A）电磁屏蔽（EMI/RFI Shielding）

电磁屏蔽 是使用金属外壳的最主要的原因。

PIR 内部的热释电极板产生的电信号极其微弱（微伏级），且具有极高的阻抗。

在这种高阻抗下，任何微小的电磁干扰（如 Wi-Fi、手机信号、电机噪声、电源纹波）都会在信号链中感应出巨大的噪声。

金属外壳充当了法拉第笼，将内部灵敏的极板和 JFET 电路与外部电磁干扰隔离开，防止误报。

（B）热惯性与均温（Thermal Mass）

PIR 对温度变化极其敏感，金属具有良好的导热性，可以使传感器外壳的温度均匀分布，防止局部微小的气流或温度梯度直接作用于感应极板，从而保证传感器的基准电平稳定。

（C）气密性保护（Hermetic Seal）

金属封装可以实现良好的气密性，防止水汽、灰尘进入内部腐蚀精密极板或影响高阻抗电路。

（2）滤光片

在金属外壳顶部的开口处，通常嵌有一层看起来像黑色或深灰色玻璃的材料，这个就是滤光片。

PIR 的滤光片通常是由多晶硅（Silicon）作为基底，表面镀有特殊的多层干涉膜。

滤光片实际是一个光学带宽滤波器，它会过滤掉紫外线、可见光以及近红外光（如阳光、灯光），只允许波长在 7 ~14 μm 范围内的远红外线通过。

人体辐射的红外波长峰值约为 9.4μm。如果没有这层黑色滤光片，传感器会被可见光直接干扰，导致在白天或开灯时频繁误报。

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（三） PIR 热释电原理

（1）自发极化

将 PIR sensor的滤光片拆掉，可以看到里面一个 H 字样的薄片。

这个薄片是传感器的核心组件：热释电陶瓷极板（Pyroelectric Element）。

它通常是由钽酸锂（）或锆钛酸铅（PZT）等具有热释电效应的铁电陶瓷材料制成。

我们看到的 H 形实际上是两个矩形的感应区。这种双敏感元（Dual Element）设计是目前最主流的方案。

（A）自发极化

自发极化是指某些晶体在没有外加电场的情况下，内部依然存在正负电荷中心不重合的现象，从而在物体内部形成了一个电偶极矩。

大多数物质在没有外场时，其原子内部的正电中心（原子核）和负电中心（电子云）是重合的，对外不显电性。

但具有自发极化的材料（如铁电体、热释电体）在晶体结构上具有非中心对称性（Non-centrosymmetric）。

自发极化并不是永久不变的，它极度依赖于温度。

每种具有自发极化的材料都有一个特定的临界温度，称为居里温度（Curie Temperature, ）。

• 当  时：晶体处于低温相，结构不对称，存在自发极化。

• 当  时：由于剧烈的热运动，原本偏移的离子被撞回了中心位置，晶体结构恢复对称。此时自发极化消失，材料由铁电态转变为顺电态。

（B）自发极化的应用

自发极化就是晶体内部由于结构长歪了而自带的永久电场，它是材料感应热、力、电变化的灵敏开关。

它的主要应用有三总：

• 铁电效应：自发极化方向可以随外电场转向，用于制造非易失性存储器（FeRAM）。

• 压电效应：当你挤压这种材料改变晶格间距时，自发极化强度也会改变，从而产生电压。打火机里的电子压电陶瓷就是这个原理。

• 热释电效应：当温度变化引起自发极化强度改变时，表面会释放电荷。 PIR 传感器 的底层逻辑就是使用了热释电效应。

为什么 9.3  的红外线能让陶瓷产生电荷？

这个还得从陶瓷极板能量吸收（光变热）和电极化改变（热变电）这两个过程来解释。

（2）热释电陶瓷极板