Detectores Infrarrojos: Principios, Aplicaciones y Guía de Selección

1. El principio fundamental de la detección infrarroja

El principio fundamental de un detector infrarrojo es convertir la radiación IR entrante en una señal eléctrica medible. Este proceso se basa en el efecto fotoeléctrico y los efectos térmicos.

A. Detectores de fotones (cuánticos):
Estos son los detectores de alto rendimiento más comunes. Operan según el principio de que los fotones IR incidentes pueden excitar directamente los electrones dentro de un material semiconductor desde la banda de valencia a la banda de conducción, cambiando así sus propiedades eléctricas (por ejemplo, conductividad o generación de un voltaje).

• Mecanismo clave: Un fotón con energía mayor que la energía de la banda prohibida del material se absorbe, creando un par electrón-hueco. Esto conduce a una fotocorriente o un cambio en la resistencia que se puede medir.

• Características:

  • Alta sensibilidad y detectividad: Responden directamente a los fotones, lo que los hace muy rápidos y sensibles.

  • Respuesta específica a la longitud de onda: Su longitud de onda de corte (λc) está determinada por la banda prohibida del material semiconductor (por ejemplo, Arseniuro de Indio Galio - InGaAs para IR de onda corta, Telururo de Cadmio Mercurio - MCT para IR de onda media).

  • Normalmente requieren refrigeración: Para reducir los portadores generados térmicamente (corriente oscura) que inundarían la débil señal fotónica, a menudo necesitan ser enfriados a temperaturas criogénicas (por ejemplo, 77 K).

B. Detectores térmicos:
Estos detectores funcionan absorbiendo la radiación IR, lo que provoca un cambio en una propiedad del material dependiente de la temperatura.

• Mecanismo clave: La radiación IR incidente calienta el elemento detector, lo que lleva a un cambio medible. Los tipos comunes incluyen:

  • Microbolómetros: Un cambio en la temperatura altera la resistencia eléctrica de un material de óxido de vanadio (VOx) o silicio amorfo (a-Si).

  • Detectores piroeléctricos: Un cambio de temperatura induce un cambio en la carga superficial en un cristal ferroeléctrico (por ejemplo, Tantalato de Litio).

• Características:

  • Respuesta espectral de banda ancha: Absorben el calor en una amplia gama de longitudes de onda IR sin un corte brusco.

  • Menor sensibilidad y velocidad: Generalmente más lentos y menos sensibles que los detectores de fotones porque el proceso térmico de calentamiento y enfriamiento lleva tiempo.

  • Normalmente no refrigerados: Funcionan a temperatura ambiente o cerca de ella, lo que los hace más compactos, robustos y eficientes energéticamente.

La selección del detector IR apropiado implica una cuidadosa compensación entre el rendimiento, las limitaciones operativas y el presupuesto. Haga estas preguntas clave:

1. ¿Cuál es la aplicación principal?

• Para imágenes de alto rendimiento y largo alcance (militar, astronomía): Un detector MWIR refrigerado (por ejemplo, MCT o InSb) es típicamente la mejor opción debido a su sensibilidad y resolución superiores.

• Para imágenes térmicas de uso general (mantenimiento, seguridad, extinción de incendios): Un microbolómetro no refrigerado que opera en el LWIR es ideal. Ofrece un buen equilibrio entre rendimiento, costo y portabilidad.

• Para la detección de gases o el análisis químico: Se requiere un detector adaptado a la longitud de onda de absorción específica del gas objetivo (por ejemplo, MCT o InSb refrigerado para muchos gases industriales, o InGaAs especializado para aplicaciones SWIR como la detección de metano).

2. ¿Cuál es el parámetro de rendimiento crítico?

• Sensibilidad (NETD): Si necesita ver las diferencias de temperatura más pequeñas posibles, es obligatorio un detector refrigerado.

• Velocidad (velocidad de fotogramas): Para la obtención de imágenes de eventos muy rápidos, es necesario un detector de fotones rápido.

• Banda espectral: MWIR suele ser mejor para objetivos calientes y para la obtención de imágenes a través de la niebla. LWIR es ideal para ver objetos a temperatura ambiente con alto contraste y se ve menos afectado por la dispersión atmosférica.

3. ¿Cuáles son las limitaciones operativas?

• Tamaño, peso y potencia (SWaP): Para sistemas portátiles, que funcionan con baterías o montados en drones, el bajo SWaP de detectores no refrigerados es una ventaja decisiva.

• Costo: Los sistemas no refrigerados tienen un costo total de propiedad (precio unitario, mantenimiento, energía) significativamente menor.

• Durabilidad y fiabilidad: Los detectores no refrigerados, al no tener partes móviles (a diferencia de los refrigeradores mecánicos), generalmente ofrecen una mayor fiabilidad y una vida útil operativa más larga.

4. ¿Cuál es el presupuesto?
Siempre considere el costo total del sistema, incluido el detector, la óptica, el sistema de refrigeración (si corresponde) y la electrónica de procesamiento. Los sistemas no refrigerados proporcionan la solución más rentable para la gran mayoría de las aplicaciones comerciales.