اصول، کاربردها و راهنمای انتخاب آشکارسازهای مادون قرمز

تصور کنید که بتوانید دمای یک شی را بدون لمس کردن آن حس کنید، یا اجزای پنهان گاز را بدون نور مرئی تشخیص دهید. آشکارسازهای مادون قرمز این توانایی‌های به ظاهر فراانسانی را ممکن می‌سازند. این دستگاه‌های بی‌ادعا به عنوان محققان خاموش عمل می‌کنند، تابش مادون قرمز نامرئی برای چشم غیرمسلح را جذب کرده و جنبه‌های پنهان دنیای مادی ما را آشکار می‌کنند.

این دستگاه‌ها که معمولاً به عنوان حسگرهای مادون قرمز یا آشکارسازهای پیروالکتریک شناخته می‌شوند، در تشخیص و اندازه‌گیری تابش مادون قرمز تخصص دارند. طبق استاندارد DIN 1319-1، آنها به عنوان مبدل طبقه‌بندی می‌شوند، در حالی که اصطلاحات اروپایی معمولاً آنها را به عنوان حسگر برچسب‌گذاری می‌کند. ادبیات فنی اغلب از این سه اصطلاح - آشکارساز مادون قرمز، مبدل مادون قرمز و حسگر مادون قرمز - به جای یکدیگر استفاده می‌کند.

این اجزا به عنوان عناصر حیاتی در تجهیزات مختلف از جمله آنالایزرهای گاز، حسگرهای شعله، ابزارهای طیف‌سنجی و دستگاه‌های اندازه‌گیری دما بدون تماس عمل می‌کنند.

تابش مادون قرمز شکلی از تابش الکترومغناطیسی است که توسط حرکت حرارتی در داخل اجسام ایجاد می‌شود. تمام مواد بالاتر از صفر مطلق (-273.15 درجه سانتی‌گراد) امواج الکترومغناطیسی ساطع می‌کنند که مادون قرمز بخشی از این طیف را نشان می‌دهد. ویژگی‌های سطح و دما مستقیماً بر شدت تابش و ترکیب طیفی تأثیر می‌گذارند و اندازه‌گیری دمای بدون تماس را از طریق تشخیص دقیق انرژی مادون قرمز امکان‌پذیر می‌سازند.

تابش مادون قرمز که موقعیت منحصربه‌فردی را در طیف الکترومغناطیسی اشغال می‌کند، با نور قرمز مرئی (تقریباً 760 نانومتر) هم‌مرز است و تا ناحیه مایکروویو گسترش می‌یابد و طول موج‌هایی از حدود 760 نانومتر تا 1 میلی‌متر را پوشش می‌دهد.

آشکارسازهای مادون قرمز پیروالکتریک به عنوان یک دسته از آشکارسازهای حرارتی، خود را از طریق لایه جذب سیاه تخصصی خود متمایز می‌کنند. این ویژگی پاسخ طیفی فوق‌العاده گسترده و حساسیت یکنواخت را در سراسر طول موج‌ها فراهم می‌کند. در حالی که آشکارسازهای نیمه‌رسانا (مانند InGaAs، PbS یا PbSe) معمولاً نرخ تشخیص بهتری را زیر 3 میکرون در دمای اتاق ارائه می‌دهند، آشکارسازهای پیروالکتریک مزایای واضحی را در محدوده‌های طیفی وسیع‌تر نشان می‌دهند.

در مقایسه با آشکارسازهای ترموپیلی - فناوری دیگری که قادر به تشخیص مادون قرمز موج بلند است - آشکارسازهای پیروالکتریک از تولیدکنندگانی مانند InfraTec زمان پاسخ سریع‌تر و ولتاژ سیگنال بالاتری را ارائه می‌دهند. این دستگاه‌ها معمولاً بهینه در محدوده 2.5 تا 25 میکرون با فرکانس‌های مدولاسیون بین 0.5 تا 400 هرتز کار می‌کنند.

قابل توجه است که لایه‌های جذب سیاه تخصصی، به برخی از آشکارسازهای پیروالکتریک اجازه می‌دهد تا به عنوان گیرنده‌های پایدار برای تابش فرابنفش (تا 193 نانومتر) و حتی تابش تراهرتز (100 میکرون تا 1 میلی‌متر) عمل کنند.

• تطبیق پذیری: مناسب برای کاربردهای اندازه‌گیری متنوع از جمله تجزیه و تحلیل چند جزئی
• تجزیه و تحلیل پیشرفته: قادر به بررسی مخلوط‌های پیچیده با باندهای طیفی همپوشانی با استفاده از روش‌های شیمی‌سنجی
• شناسایی مواد: موثر برای تشخیص مواد ناشناخته
• مزایای عملی: مقرون به صرفه، بادوام و به راحتی کوچک شده

متداول‌ترین استفاده شامل تشخیص حرکت است، خواه برای سیستم‌های امنیتی که مهاجمان را شناسایی می‌کنند یا کنترل‌های روشنایی خودکار. این برنامه‌ها معمولاً از حسگرهای سرامیکی پیروالکتریک اقتصادی استفاده می‌کنند.

کاربردهای با عملکرد بالاتر از جمله تجزیه و تحلیل گاز مادون قرمز غیرپراکنده (NDIR) و نظارت بر شعله عموماً از آشکارسازهای تک کریستالی لیتیوم تانتالات (LiTaO ₃ ) برای اطمینان از پایداری طولانی مدت و نسبت سیگنال به نویز برتر استفاده می‌کنند. کاربردهای اضافی شامل طیف‌سنجی و رادیومتری است که از تحقیقات علمی و اندازه‌گیری‌های صنعتی پشتیبانی می‌کند.

آشکارسازهای پیروالکتریک نقش‌های حیاتی در پایش محیطی (اندازه‌گیری CO ₂ ، متان و غیره)، ایمنی صنعتی (تشخیص نشت گازهای قابل اشتعال) و کاربردهای پزشکی (پایش گازهای بیهوشی) ایفا می‌کنند.

آشکارسازهای تخصصی می‌توانند امضاهای طیفی را از احتراق مواد آلی به طور قابل اعتماد شناسایی کنند و آنها را برای سیستم‌های اعلام حریق که نیاز به پاسخ سریع برای جلوگیری از آسیب فاجعه‌بار دارند، ایده‌آل می‌سازد.

آشکارسازهای طراحی شده برای طیف‌سنجی دارای لایه‌های جذب‌کننده یکنواخت در سراسر محدوده‌های طول موج گسترده هستند و حساسیت ثابتی را برای اندازه‌گیری‌های طیفی دقیق تضمین می‌کنند.

تولیدکنندگانی مانند InfraTec از کریستال‌های منفرد لیتیوم تانتالات جلا داده شده برای تولید آشکارسازهای با حساسیت بالا و نویز کم استفاده می‌کنند. تکنیک‌های پیشرفته امکان تولید انبوه تراشه‌های 25 میکرونی فوق‌العاده نازک را فراهم می‌کند که سرعت پاسخ و حساسیت استثنایی را ارائه می‌دهند.

فیلترهای مادون قرمز جزء حیاتی دیگری هستند که به طور انتخابی طول موج‌های خاصی را منتقل می‌کنند تا انتخاب‌پذیری آشکارساز را افزایش دهند. پارامترهای کلیدی فیلتر عبارتند از درصد انتقال، طول موج مرکزی، پهنای باند و عمق مسدود کردن.

تاسیسات تولید مدرن شامل رسوب بخار فیزیکی (PVD)، اتصال خودکار تراشه و سیستم‌های اندازه‌گیری دقیق برای اطمینان از کیفیت و قابلیت اطمینان ثابت است.

تولیدکنندگان معمولاً آشکارسازهای تک کاناله مختلف را در بسته‌های TO18 یا TO39 ارائه می‌دهند که دارای جبران دما و تقویت‌کننده‌های JFET/CMOS یکپارچه هستند. گزینه‌های مواد شامل LiTaO ₃ یا تری‌گلیسین سولفات دوتره شده (DLaTGS) است، با نسخه‌های تخصصی موجود برای ابزارهای تحلیلی که نیاز به پاسخ طیفی مسطح دارند.

خطوط تولید کامل ممکن است شامل تقریباً 50 آشکارساز استاندارد باشد، با گزینه‌هایی که دارای نویز میکروفون کاهش یافته، تقویت‌کننده‌های عملیاتی یکپارچه یا خروجی‌های دیجیتال هستند.