Hãy tưởng tượng bạn có thể cảm nhận nhiệt độ của một vật thể mà không cần chạm vào nó, hoặc phát hiện các thành phần khí ẩn mà không cần ánh sáng nhìn thấy được. Các bộ dò hồng ngoại làm cho những khả năng dường như siêu phàm này trở nên khả thi. Những thiết bị khiêm tốn này hoạt động như những nhà điều tra thầm lặng, thu nhận bức xạ hồng ngoại vô hình đối với mắt thường và tiết lộ những khía cạnh ẩn giấu của thế giới vật chất của chúng ta.
Thường được gọi là cảm biến hồng ngoại hoặc bộ dò pyroelectric, các thiết bị quang điện này chuyên phát hiện và đo bức xạ hồng ngoại. Theo tiêu chuẩn DIN 1319-1, chúng được phân loại là bộ chuyển đổi, trong khi thuật ngữ châu Âu thường gắn nhãn chúng là cảm biến. Tài liệu kỹ thuật thường sử dụng ba thuật ngữ này—bộ dò hồng ngoại, bộ chuyển đổi hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại—thay thế cho nhau.
Các thành phần này đóng vai trò là yếu tố quan trọng trong nhiều thiết bị khác nhau bao gồm máy phân tích khí, cảm biến ngọn lửa, thiết bị quang phổ và thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc.
Bức xạ hồng ngoại tạo thành một dạng bức xạ điện từ được tạo ra bởi chuyển động nhiệt bên trong các vật thể. Tất cả các vật chất trên nhiệt độ không tuyệt đối (-273,15°C) đều phát ra sóng điện từ, trong đó hồng ngoại đại diện cho một phần của phổ này. Đặc tính bề mặt và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến cả cường độ bức xạ và thành phần quang phổ, cho phép đo nhiệt độ không tiếp xúc thông qua việc phát hiện năng lượng hồng ngoại chính xác.
Chiếm một vị trí độc đáo trong phổ điện từ, bức xạ hồng ngoại giáp với ánh sáng đỏ nhìn thấy được (khoảng 760 nanomet) và mở rộng vào vùng vi sóng, bao phủ các bước sóng từ khoảng 760 nanomet đến 1 milimet.
Là một loại bộ dò nhiệt, bộ dò hồng ngoại pyroelectric tự phân biệt bằng lớp hấp thụ màu đen chuyên dụng của chúng. Tính năng này cung cấp phản ứng quang phổ cực rộng và độ nhạy đồng đều trên các bước sóng. Trong khi các bộ dò bán dẫn (chẳng hạn như InGaAs, PbS hoặc PbSe) thường cung cấp tốc độ phát hiện vượt trội dưới 3 micron ở nhiệt độ phòng, các bộ dò pyroelectric thể hiện những ưu điểm rõ ràng trên các dải quang phổ rộng hơn.
So với các bộ dò nhiệt điện—một công nghệ khác có khả năng phát hiện hồng ngoại sóng dài—các bộ dò pyroelectric từ các nhà sản xuất như InfraTec mang lại thời gian phản hồi nhanh hơn và điện áp tín hiệu cao hơn. Các thiết bị này thường hoạt động tối ưu trong khoảng từ 2,5 đến 25 micron với tần số điều chế từ 0,5 đến 400 Hz.
Đáng chú ý, các lớp hấp thụ màu đen chuyên dụng cho phép một số bộ dò pyroelectric hoạt động như các bộ thu ổn định cho bức xạ cực tím (xuống đến 193 nm) và thậm chí cả bức xạ terahertz (100 micron đến 1 mm).
Việc sử dụng phổ biến nhất liên quan đến việc phát hiện chuyển động, cho dù đối với các hệ thống an ninh xác định những kẻ xâm nhập hay các bộ điều khiển ánh sáng tự động. Các ứng dụng này thường sử dụng các cảm biến gốm pyroelectric tiết kiệm.
Các ứng dụng hiệu suất cao hơn bao gồm phân tích khí hồng ngoại không phân tán (NDIR) và giám sát ngọn lửa thường sử dụng các bộ dò lithium tantalat (LiTaO 3 ) đơn tinh thể cao cấp để đảm bảo độ ổn định lâu dài và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm vượt trội. Các ứng dụng bổ sung bao gồm quang phổ và trắc quang, hỗ trợ nghiên cứu khoa học và đo lường công nghiệp.
Các bộ dò pyroelectric đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát môi trường (đo CO 2 , metan, v.v.), an toàn công nghiệp (phát hiện rò rỉ khí dễ cháy) và các ứng dụng y tế (giám sát khí gây mê).
Các bộ dò chuyên dụng có thể xác định một cách đáng tin cậy các chữ ký quang phổ từ quá trình đốt cháy vật liệu hữu cơ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các hệ thống báo cháy yêu cầu phản ứng nhanh để ngăn ngừa thiệt hại thảm khốc.
Các bộ dò được thiết kế cho quang phổ có các lớp hấp thụ đồng đều trên các dải bước sóng rộng, đảm bảo độ nhạy nhất quán để đo quang phổ chính xác.
Các nhà sản xuất như InfraTec sử dụng các tinh thể đơn lithium tantalat được đánh bóng để tạo ra các bộ dò có độ nhạy cao, độ ồn thấp. Các kỹ thuật tiên tiến cho phép sản xuất hàng loạt các chip siêu mỏng 25 micron mang lại tốc độ phản hồi và độ nhạy đặc biệt.
Bộ lọc hồng ngoại đại diện cho một thành phần quan trọng khác, truyền chọn lọc các bước sóng cụ thể để tăng cường khả năng chọn lọc của bộ dò. Các thông số bộ lọc chính bao gồm phần trăm truyền, bước sóng trung tâm, băng thông và độ sâu chặn.
Các cơ sở sản xuất hiện đại kết hợp lắng đọng hơi vật lý (PVD), liên kết chip tự động và hệ thống đo lường chính xác để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy nhất quán.
Các nhà sản xuất thường cung cấp nhiều bộ dò một kênh khác nhau trong các gói TO18 hoặc TO39, có tính năng bù nhiệt độ và bộ khuếch đại JFET/CMOS tích hợp. Các tùy chọn vật liệu bao gồm LiTaO 3 hoặc triglycine sulfate (DLaTGS) được pha tạp L-alanine đã khử nước, với các phiên bản chuyên dụng có sẵn cho các dụng cụ phân tích yêu cầu phản ứng quang phổ phẳng.
Các dòng sản phẩm hoàn chỉnh có thể bao gồm khoảng 50 bộ dò tiêu chuẩn, với các tùy chọn có tính năng giảm tiếng ồn micro, bộ khuếch đại hoạt động tích hợp hoặc đầu ra kỹ thuật số.
Hãy tưởng tượng bạn có thể cảm nhận nhiệt độ của một vật thể mà không cần chạm vào nó, hoặc phát hiện các thành phần khí ẩn mà không cần ánh sáng nhìn thấy được. Các bộ dò hồng ngoại làm cho những khả năng dường như siêu phàm này trở nên khả thi. Những thiết bị khiêm tốn này hoạt động như những nhà điều tra thầm lặng, thu nhận bức xạ hồng ngoại vô hình đối với mắt thường và tiết lộ những khía cạnh ẩn giấu của thế giới vật chất của chúng ta.
Thường được gọi là cảm biến hồng ngoại hoặc bộ dò pyroelectric, các thiết bị quang điện này chuyên phát hiện và đo bức xạ hồng ngoại. Theo tiêu chuẩn DIN 1319-1, chúng được phân loại là bộ chuyển đổi, trong khi thuật ngữ châu Âu thường gắn nhãn chúng là cảm biến. Tài liệu kỹ thuật thường sử dụng ba thuật ngữ này—bộ dò hồng ngoại, bộ chuyển đổi hồng ngoại và cảm biến hồng ngoại—thay thế cho nhau.
Các thành phần này đóng vai trò là yếu tố quan trọng trong nhiều thiết bị khác nhau bao gồm máy phân tích khí, cảm biến ngọn lửa, thiết bị quang phổ và thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc.
Bức xạ hồng ngoại tạo thành một dạng bức xạ điện từ được tạo ra bởi chuyển động nhiệt bên trong các vật thể. Tất cả các vật chất trên nhiệt độ không tuyệt đối (-273,15°C) đều phát ra sóng điện từ, trong đó hồng ngoại đại diện cho một phần của phổ này. Đặc tính bề mặt và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến cả cường độ bức xạ và thành phần quang phổ, cho phép đo nhiệt độ không tiếp xúc thông qua việc phát hiện năng lượng hồng ngoại chính xác.
Chiếm một vị trí độc đáo trong phổ điện từ, bức xạ hồng ngoại giáp với ánh sáng đỏ nhìn thấy được (khoảng 760 nanomet) và mở rộng vào vùng vi sóng, bao phủ các bước sóng từ khoảng 760 nanomet đến 1 milimet.
Là một loại bộ dò nhiệt, bộ dò hồng ngoại pyroelectric tự phân biệt bằng lớp hấp thụ màu đen chuyên dụng của chúng. Tính năng này cung cấp phản ứng quang phổ cực rộng và độ nhạy đồng đều trên các bước sóng. Trong khi các bộ dò bán dẫn (chẳng hạn như InGaAs, PbS hoặc PbSe) thường cung cấp tốc độ phát hiện vượt trội dưới 3 micron ở nhiệt độ phòng, các bộ dò pyroelectric thể hiện những ưu điểm rõ ràng trên các dải quang phổ rộng hơn.
So với các bộ dò nhiệt điện—một công nghệ khác có khả năng phát hiện hồng ngoại sóng dài—các bộ dò pyroelectric từ các nhà sản xuất như InfraTec mang lại thời gian phản hồi nhanh hơn và điện áp tín hiệu cao hơn. Các thiết bị này thường hoạt động tối ưu trong khoảng từ 2,5 đến 25 micron với tần số điều chế từ 0,5 đến 400 Hz.
Đáng chú ý, các lớp hấp thụ màu đen chuyên dụng cho phép một số bộ dò pyroelectric hoạt động như các bộ thu ổn định cho bức xạ cực tím (xuống đến 193 nm) và thậm chí cả bức xạ terahertz (100 micron đến 1 mm).
Việc sử dụng phổ biến nhất liên quan đến việc phát hiện chuyển động, cho dù đối với các hệ thống an ninh xác định những kẻ xâm nhập hay các bộ điều khiển ánh sáng tự động. Các ứng dụng này thường sử dụng các cảm biến gốm pyroelectric tiết kiệm.
Các ứng dụng hiệu suất cao hơn bao gồm phân tích khí hồng ngoại không phân tán (NDIR) và giám sát ngọn lửa thường sử dụng các bộ dò lithium tantalat (LiTaO 3 ) đơn tinh thể cao cấp để đảm bảo độ ổn định lâu dài và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm vượt trội. Các ứng dụng bổ sung bao gồm quang phổ và trắc quang, hỗ trợ nghiên cứu khoa học và đo lường công nghiệp.
Các bộ dò pyroelectric đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát môi trường (đo CO 2 , metan, v.v.), an toàn công nghiệp (phát hiện rò rỉ khí dễ cháy) và các ứng dụng y tế (giám sát khí gây mê).
Các bộ dò chuyên dụng có thể xác định một cách đáng tin cậy các chữ ký quang phổ từ quá trình đốt cháy vật liệu hữu cơ, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các hệ thống báo cháy yêu cầu phản ứng nhanh để ngăn ngừa thiệt hại thảm khốc.
Các bộ dò được thiết kế cho quang phổ có các lớp hấp thụ đồng đều trên các dải bước sóng rộng, đảm bảo độ nhạy nhất quán để đo quang phổ chính xác.
Các nhà sản xuất như InfraTec sử dụng các tinh thể đơn lithium tantalat được đánh bóng để tạo ra các bộ dò có độ nhạy cao, độ ồn thấp. Các kỹ thuật tiên tiến cho phép sản xuất hàng loạt các chip siêu mỏng 25 micron mang lại tốc độ phản hồi và độ nhạy đặc biệt.
Bộ lọc hồng ngoại đại diện cho một thành phần quan trọng khác, truyền chọn lọc các bước sóng cụ thể để tăng cường khả năng chọn lọc của bộ dò. Các thông số bộ lọc chính bao gồm phần trăm truyền, bước sóng trung tâm, băng thông và độ sâu chặn.
Các cơ sở sản xuất hiện đại kết hợp lắng đọng hơi vật lý (PVD), liên kết chip tự động và hệ thống đo lường chính xác để đảm bảo chất lượng và độ tin cậy nhất quán.
Các nhà sản xuất thường cung cấp nhiều bộ dò một kênh khác nhau trong các gói TO18 hoặc TO39, có tính năng bù nhiệt độ và bộ khuếch đại JFET/CMOS tích hợp. Các tùy chọn vật liệu bao gồm LiTaO 3 hoặc triglycine sulfate (DLaTGS) được pha tạp L-alanine đã khử nước, với các phiên bản chuyên dụng có sẵn cho các dụng cụ phân tích yêu cầu phản ứng quang phổ phẳng.
Các dòng sản phẩm hoàn chỉnh có thể bao gồm khoảng 50 bộ dò tiêu chuẩn, với các tùy chọn có tính năng giảm tiếng ồn micro, bộ khuếch đại hoạt động tích hợp hoặc đầu ra kỹ thuật số.
