Пироэлектрические детекторы

Пироэлектрические детекторы и термопарные датчики Heimann Sensor GmbH

Компания Heimann Sensor GmbH – является мировым лидером в производстве инфракрасных датчиков температуры, термопарных матриц, пироэлектрических детекторов и сенсорных модулей с интегрированной схемой обработки сигнала для бесконтактного измерения температуры и определения состава газа.

Каждый физический предмет излучает в пространство волны, характер и интенсивность которых зависит от температуры объекта. Для предметов без цвета (абсолютно черные тела), т.е. не излучающих и не поглощающих энергии в каком-то определенном диапазоне длин волн, интенсивность излучения зависит только от температуры этого тела. На первом рисунке показана спектральная характеристика абсолютно черного тела.

Кривые на спектральной характеристике никогда не пересекаются друг с другом. Это говорит о том, что интенсивность излучения в отдельно взятом диапазоне является функцией от температуры. Измеряя интенсивность излучения, можно совершенно однозначно судить о температуре объекта. Такое измерение может быть проведено с помощью человеческого глаза, который чувствителен к диапазону длин волн от 0,38 до 0,75 мкм. Этот диапазон волн, называемый видимым излучением, помечен на спектральной характеристике. Если температура объекта превышает 400 0С (700 К), он начинает излучать в видимом диапазоне. При такой температуре объект будет казаться нам темно-красным. Это хорошо видно, например, при разогреве электрической плитки. Далее, с ростом температуры, например, до 1000 0С (1300 К) свечение объекта становится не просто более интенсивным – изменяется и его цвет. Он становится ярко-красным, так как в спектр излучения добавились участки, отвечающие за воспроизведение зеленого и желтого цвета. Излучение от объекта с температурой 6000 К будет восприниматься человеческим глазом как белый цвет.

Если температура объекта меньше 400 0С требуется детектор, чувствительный к более длинноволновому участку спектра (с длиной волны от 3 до 20 мкм – так называемое тепловое излучение). Наиболее распространенными детекторами, выпущенные за последние десятилетия, являются детекторы, которые основаны на полупроводниках, обладающих свойством изменять свою проводимость под действием инфракрасного излучения. Это изменение может быть зафиксировано, измерено и использовано, например, в приборах, предназначенных для дистанционного измерения температуры.

Системы, построенные на основе таких датчиков, обладают высокой точностью и разрешающей способностью. Однако их цена достаточно высока, что сдерживает их распространение на потребительском рынке бытовых приборов различного назначения. Ситуацию можно было исправить только с приходом другого класса инфракрасных датчиков. Такие датчики, чувствительные к длинноволновому инфракрасному диапазону, обладающие высокой разрешающей способностью и при этом недорогие, получили название пироэлектрических приемников.

В данном виде датчиков тепловое излучение абсорбируется пироэлектрическим материалом, который в свою очередь преобразует его в электрический потенциал.
Сфера применения пироэлектрических датчиков очень широка. Это детекторы движения, датчики пожарных и охранных сигнализаций, системы дистанционного измерения и контроля температуры, газоанализаторы и многие другие системы. Особенностью всех пироэлектрических приемников является то, что на выходе они имеют сигнал, прямо пропорциональный степени изменения мощности излучения на их входе. Поэтому их применение оправдано в том случае, если требуется фиксировать изменение уровня инфракрасного излучения. В случае, если датчик применяется для измерения статических уровней мощности (газоанализаторы, измерение температуры), требуется применение устройств, которые обеспечивают прерывание поступающего на вход приемника излучения с требуемой периодичностью (например, механические шторки).

Классический пироэлектрический приемник компании Heimann Sensor GmbH состоит из следующих частей:

• металлического корпуса;
• инфракрасного фильтра, отсекающего видимое излучение;
• керамической пластины, обладающей пироэлектрическим эффектом с двумя или более чувствительными зонами;
• полевого транзистора, и резистора;
• печатной платы, на которой располагаются компоненты приемника;
• металлической подложки с гибкими выводами.

Приборы, предназначенные для детектирования длинноволнового инфракрасного излучения, появились более 150 лет назад. Такой прибор получил название «термопара». Термопара устроена достаточно просто: два различных материала спаиваются друг с другом одним концом. При наличии разницы в температуре спаянных и свободных концов термопары, возникает электродвижущая сила, которая так и называется — термоЭДС. Значение термоЭДС является функцией от разницы температур термопары и от ее материалов.

Если в точке соединения материалов термопары установить пластину-поглотитель, которая будет нагреваться от инфракрасного (теплового) излучения, то напряжение на выходе термопары будет пропорционально мощности инфракрасного излучения, попадающего на пластину-поглотитель. Для того, что бы повысить чувствительность такого датчика, несколько термопар соединяют последовательно. На соседнем рисунке показана первая термопара, сконструированная в 1835 году. Очевидно, что она обладает рядом недостатков, например, из-за большой массы она обладала очень большой инерционностью, что делало невозможным использование термопар для отслеживания быстро меняющихся температурных процессов.

Современная полупроводниковая промышленность позволяет разместить сотни термопар на площади в несколько квадратных миллиметров. Датчик такого типа обладает высокой чувствительностью, малой инерционностью и невысокой стоимостью при массовом производстве. Компания Heimann Sensor GmbH разработала уникальную технологию массового производства как одиночных термопарных датчиков, так и их матриц. Использование полностью автоматизированного производственного процесса позволяет добиться минимального расхождения параметров одной серии термопарных датчиков.

Процесс производства начинается с нанесения на кремниевую пластину стекловидного слоя (изолятора) (1). Затем на изолятор наносятся слои металла (2), образующие в результате несколько сотен соединенных последовательно термопар. В зависимости от размера кремниевой пластины на ней могут быть нанесены до нескольких тысяч термопар. После этого участок кремния под стекловидным изолятором удаляется посредством травления. Оставшийся кремний играет роль радиатора, охлаждающего «холодные» спаи (4) термопар. Завершающий этап - установка поглотителя (5), температура которого изменяется под действием инфракрасного излучения и, соответственно, нагревает «горячие» спаи термопары. После этого готовую кремниевую пластину режут на тысячи миниатюрных кристаллов, и каждый чувствительный элемент помещается в транзисторный корпус ТО-типа. Пайка крышки с инфракрасным окном к корпусу осуществляется в атмосфере инертных газов.

На соседнем рисунке приведена фотография чувствительного элемента термопарного датчика. Выводы элемента соединяются с двумя выводами корпуса датчика. Третий вывод предназначен для термистора, который устанавливается в корпус и предназначен для калибровки датчика. Выходной сигнал с датчика составляет несколько милливольт и необходимо его предварительное усиление. Предварительный усилитель сигнала должен находиться в непосредственной близости от чувствительного элемента датчика для достижения максимального соотношения уровня сигнал/шум. Некоторые термопарные датчики компании Heimann Sensor GmbH уже имеют встроенные схемы для предварительной обработки сигнала с чувствительного элемента непосредственно внутри датчика. Термопарные линейки дополнительно содержат встроенный мультиплексор, последовательно считывающий сигнал с каждого пикселя, тем самым снижая количество дополнительных микроконтактов. Сигнал на выходе термопарных датчиков прямо пропорционален мощности инфракрасного излучения, поступающего на вход датчика.

Область применения термопарных датчиков полностью аналогична области применения пироэлектрических приемников. Однако тот факт, что для работы термопарного датчика не требуется прерывистость излучения на входе датчика, сильно облегчает его работу в таких устройствах, как дистанционные измерители температуры и газоанализаторы.

Компания Heimann Sensor GmbH специализируется на разработке и производстве пироэлектрических детекторов и термопарных датчиков с высокой обнаружительной способностью и предназначенных для детектирования различных газов – CO2, CO, CH4, NO, N2O, HC, H2O. Детекторы могут содержать от 1 до 4 оптических каналов в зависимости от размера активной области кристалла и комплектуются различными типами фильтров по требованию заказчика.