Infrarot-Detektoren: Prinzipien, Anwendungen und Auswahlleitfaden

Stellen Sie sich vor, Sie könnten die Temperatur eines Objekts spüren, ohne es zu berühren, oder versteckte Gaskomponenten ohne sichtbares Licht erkennen. Infrarotdetektoren machen diese scheinbar übermenschlichen Fähigkeiten möglich. Diese unscheinbaren Geräte fungieren als stille Ermittler, die Infrarotstrahlung, die für das bloße Auge unsichtbar ist, erfassen und verborgene Aspekte unserer materiellen Welt aufdecken.

Diese fotoelektrischen Geräte, die üblicherweise als Infrarotsensoren oder pyroelektrische Detektoren bezeichnet werden, sind auf die Erkennung und Messung von Infrarotstrahlung spezialisiert. Gemäß der DIN 1319-1 werden sie als Wandler klassifiziert, während die europäische Terminologie sie typischerweise als Sensoren bezeichnet. Die Fachliteratur verwendet diese drei Begriffe – Infrarotdetektor, Infrarotwandler und Infrarotsensor – oft synonym.

Diese Komponenten dienen als kritische Elemente in verschiedenen Geräten, darunter Gasanalysegeräte, Flammensensoren, spektroskopische Instrumente und berührungslose Temperaturmessgeräte.

Infrarotstrahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, die durch thermische Bewegung in Objekten erzeugt wird. Alle Materie oberhalb des absoluten Nullpunkts (-273,15 °C) emittiert elektromagnetische Wellen, wobei Infrarot einen Teil dieses Spektrums darstellt. Oberflächeneigenschaften und Temperatur beeinflussen sowohl die Strahlungsintensität als auch die spektrale Zusammensetzung direkt und ermöglichen so die berührungslose Temperaturmessung durch präzise Infrarotenergieerkennung.

Infrarotstrahlung nimmt eine einzigartige Position im elektromagnetischen Spektrum ein und grenzt an sichtbares rotes Licht (ungefähr 760 Nanometer) an und erstreckt sich in den Mikrowellenbereich, der Wellenlängen von etwa 760 Nanometern bis 1 Millimeter abdeckt.

Als Kategorie von Wärmedetektoren zeichnen sich pyroelektrische Infrarotdetektoren durch ihre spezielle schwarze Absorptionsschicht aus. Diese Eigenschaft bietet eine außergewöhnlich breite spektrale Reaktion und eine gleichmäßige Empfindlichkeit über die Wellenlängen. Während Halbleiterdetektoren (wie InGaAs, PbS oder PbSe) bei Raumtemperatur typischerweise überlegene Detektionsraten unter 3 Mikrometern bieten, zeigen pyroelektrische Detektoren über größere Spektralbereiche klare Vorteile.

Im Vergleich zu Thermopile-Detektoren – einer anderen Technologie, die in der Lage ist, langwellige Infrarotdetektion durchzuführen – liefern pyroelektrische Detektoren von Herstellern wie InfraTec schnellere Reaktionszeiten und höhere Signalspannungen. Diese Geräte arbeiten typischerweise optimal zwischen 2,5 und 25 Mikrometern mit Modulationsfrequenzen von 0,5 bis 400 Hz.

Bemerkenswert ist, dass spezielle schwarze Absorptionsschichten es bestimmten pyroelektrischen Detektoren ermöglichen, als stabile Empfänger für ultraviolette Strahlung (bis zu 193 nm) und sogar Terahertz-Strahlung (100 Mikrometer bis 1 mm) zu fungieren.

• Vielseitigkeit: Geeignet für verschiedene Messanwendungen, einschließlich Mehrkomponentenanalyse
• Erweiterte Analyse: Fähig zur Untersuchung komplexer Gemische mit überlappenden Spektralbändern unter Verwendung chemometrischer Methoden
• Materialidentifizierung: Effektiv für die Erkennung unbekannter Substanzen
• Praktische Vorteile: Kostengünstig, langlebig und leicht zu miniaturisieren

Die am weitesten verbreitete Verwendung ist die Bewegungserkennung, sei es für Sicherheitssysteme, die Eindringlinge identifizieren, oder für automatische Lichtsteuerungen. Diese Anwendungen verwenden typischerweise kostengünstige pyroelektrische Keramiksensoren.

Hochleistungsanwendungen, einschließlich der nichtdispersiven Infrarot- (NDIR-) Gasanalyse und der Flammenüberwachung, verwenden im Allgemeinen hochwertige Einkristall-Lithiumtantalat- (LiTaO ₃ ) Detektoren, um langfristige Stabilität und überlegene Signal-Rausch-Verhältnisse zu gewährleisten. Zusätzliche Anwendungen umfassen Spektroskopie und Radiometrie, die wissenschaftliche Forschung und industrielle Messungen unterstützen.

Pyroelektrische Detektoren spielen eine entscheidende Rolle in der Umweltüberwachung (Messung von CO ₂ , Methan usw.), der industriellen Sicherheit (Erkennung von brennbaren Gaslecks) und in medizinischen Anwendungen (Überwachung von Anästhesiegasen).

Spezielle Detektoren können Spektralsignaturen aus der Verbrennung organischer Materialien zuverlässig identifizieren, was sie ideal für Brandmeldeanlagen macht, die eine schnelle Reaktion erfordern, um katastrophale Schäden zu verhindern.

Detektoren, die für die Spektroskopie entwickelt wurden, verfügen über gleichmäßig absorbierende Schichten über breite Wellenlängenbereiche, wodurch eine konsistente Empfindlichkeit für genaue Spektralmessungen gewährleistet wird.

Hersteller wie InfraTec verwenden polierte Lithiumtantal-Einkristalle, um hochempfindliche, rauschsarme Detektoren herzustellen. Fortschrittliche Techniken ermöglichen die Massenproduktion von ultradünnen 25-Mikron-Chips, die eine außergewöhnliche Reaktionsgeschwindigkeit und Empfindlichkeit bieten.

Infrarotfilter stellen eine weitere kritische Komponente dar, die selektiv bestimmte Wellenlängen durchlässt, um die Detektorselektivität zu erhöhen. Zu den wichtigsten Filterparametern gehören der Transmissionsprozentsatz, die Mittenwellenlänge, die Bandbreite und die Sperrtiefe.

Moderne Produktionsanlagen integrieren physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), automatisiertes Chip-Bonding und Präzisionsmesssysteme, um eine gleichbleibende Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Hersteller bieten typischerweise verschiedene Einzelkanal-Detektoren in TO18- oder TO39-Gehäusen an, die Temperaturkompensation und integrierte JFET/CMOS-Verstärker aufweisen. Zu den Materialoptionen gehören LiTaO ₃ oder deuteriertes L-Alanin-dotiertes Triglycinsulfat (DLaTGS), wobei spezielle Versionen für Analysegeräte mit flacher spektraler Reaktion erhältlich sind.

Komplette Produktlinien können etwa 50 Standarddetektoren umfassen, mit Optionen, die ein reduziertes Mikrofonrauschen, integrierte Operationsverstärker oder digitale Ausgänge aufweisen.