Die Grundlagen eines pyroelektrischen Detektors

Pyroelektrische Sensoren sind im Grunde thermische Detektoren und nutzen den pyroelektrischen Effekt, um selbst kleinste Änderungen der Temperatur eines Körpers zu erkennen. Durch Temperaturschwankungen ändert sich die Ladung auf der Oberfläche pyroelektrischer Kristalle, was ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Dieser Temperaturgradient kann durch die Absorption von Licht oder viele andere Dinge erzeugt werden.

Es gibt viele verschiedene pyroelektrische Materialien, aber nur drei werden üblicherweise in pyroelektrischen Detektoren verwendet. Diese drei sind DLaTGS, LiTaO3 und PZT. Die genannten Materialien haben spezifische Eigenschaften, die sie für den Einsatz in pyroelektrischen Detektoren geeignet machen. Um Materialien hinsichtlich ihrer prinzipiellen Eignung für pyroelektrische Detektoren zu vergleichen, würde es bessere Ergebnisse liefern, wenn wir sie mit dem Parameter pyroelektrischer Koeffizient spezifischer Wechselstromwiderstand/Dielektrizitätskonstante spezifische Wärmekapazität analysieren würden. Unter Verwendung dieser Metriken erzielen DLaTGS und LiTaO3 die besten Ergebnisse, wodurch sie, wie bereits erwähnt, am besten geeignet sind.

DLaTGS hat das höchste Leistungsniveau, das ungefähr 2 × 109 bei 10 Hz beträgt. Der Einsatz dieses Materials ist in der IR-Messtechnik im Labor weit verbreitet, insbesondere in routinemäßigen FTIR-Anwendungen. Andererseits ist LiTaO3 aufgrund seines thermischen Verhaltens meist industriellen Anwendungen vorbehalten. PZT wird hauptsächlich in Verbraucherprodukten verwendet.

Eigenschaften

Wie bereits erwähnt, haben die drei am häufigsten verwendeten pyroelektrischen Materialien einige Eigenschaften gemeinsam. Diese Eigenschaften machen sie für den Einsatz in pyroelektrischen Detektoren geeignet.

. Pyroelektrischer Koeffizient

Dies ist eine Zahl, die verwendet wird, um die Fähigkeit des Materials zu bestimmen, Strom aus IR-Strahlung zu erzeugen. Je mehr Strahlung von dem Material erzeugt wird, desto besser ist dieses bestimmte Material für die Verwendung in einem pyroelektrischen Sensor geeignet. Je größer der pyroelektrische Koeffizient des Materials ist, desto größer sind die Chancen, dass dieses Material in einem Detektor verwendet wird.

. Dielektrizitätskonstante

Diese Zahl wird zur Bestimmung der Kapazität verwendet und beeinflusst daher das erzeugte Rauschen. Im Spannungsbetrieb ist das Rauschen umso geringer, je höher die Kapazität ist. Aus diesem Grund benötigen Sie ein Material mit einer größeren Dielektrizitätskonstante, um das erzeugte Rauschen zu reduzieren.

. Spezifische Wärmekapazität

Aus der spezifischen Wärmekapazität wird die Temperaturerhöhung im Kristall durch die absorbierte Strahlungsmenge bestimmt. Eine geringe spezifische Wärmekapazität zeigt einen größeren Temperaturanstieg und damit ein besseres Signal an. Daher sollten Sie Materialien anstreben, die eine geringere spezifische Wärmekapazität aufweisen. Je niedriger, desto besser.

. Spezifischer Wechselstromwiderstand

Es ist normalerweise mit dielektrischen Verlusten gekoppelt, die wiederum eine Art Johnson-Rauschen erzeugen. Reine Dielektrika erzeugen normalerweise keine Geräusche, daher ist es immer am besten, sich für die reine Art zu entscheiden. Je niedriger der Wechselstromwiderstand, desto besser, und Sie sollten daher nach einem Material suchen, das einen geringeren Wechselstromwiderstand hat.

Die Betriebsmodi von pyroelektrischen Detektoren

Der IR-Kristall wird als Stromquelle moduliert, die in einem TO-Gehäuse mit zusätzlichen elektronischen Komponenten und paralleler Kapazität untergebracht ist. Folglich gibt es zwei grundlegende Betriebsmodi von Pyrodetektoren: Spannungsmodus und Strommodus.

. Spannungsmodus

Der JFET-basierte Spannungsmodus ist schon seit geraumer Zeit weit verbreitet. Es hat jedoch ein paar Nachteile, die für die unerfahrene Hand sehr schlimm sein können. Es wird daher nur erfahrenen Benutzern empfohlen. Dieser Nachteil besteht darin, dass es bei einem stark temperaturabhängigen Offset ein relativ niedriges Signal erzeugt. Ungeachtet dessen hat diese Arbeitsweise einige Vorteile für sich. Der wichtigste ist, dass der höchste Wert für D* mit dem einfachsten Design erreicht werden kann, das ungefähr 0,5 × 10 9 bei 10 Hz beträgt. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass die Verstärkung flexibel ist.

. Aktueller Modus

In diesem Modus wird ein hohes Signal bei einem niedrigen Offset mit einer relativ geringen Temperaturabhängigkeit erzeugt. Aus diesem Grund braucht es im Gegensatz zum Spannungsmodus nicht unbedingt erfahrene Hände. Wenn Sie jedoch Probleme haben, können Sie sich an jemanden wenden, der sich damit auskennt. Für den Strombetrieb müssen OPVs nur eine geringe elektrische Leistungsaufnahme aufweisen. Mit dieser Version können Einsteiger ihr Produkt am schnellsten und erfolgreichsten entwickeln. Die niedrige Ausgangsimpedanz führt zu zusätzlichen EMV-Vorteilen.

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