Comment Choisir des Détecteurs Pyroélectriques ?
Matériaux, Applications et Principes de Conception
Les détecteurs pyroélectriques sont des détecteurs thermiques : les fluctuations de température provoquent une modification de la charge électrique à la surface des cristaux pyroélectriques, ce qui génère un signal électrique correspondant. Ce gradient de température est généralement créé par des absorbeurs qui convertissent la lumière incidente en chaleur.
Il existe différents matériaux pyroélectriques, dont trois sont couramment utilisés dans les détecteurs pyroélectriques : DLaTGS, LiTaO3 (LTO) et PZT. Le tableau ci-dessous donne un aperçu des propriétés de chaque matériau. En résumé, les chiffres signifient ce qui suit :
- Le coefficient pyroélectrique détermine la capacité à produire du courant à partir du rayonnement infrarouge. En d'autres termes, plus il est élevé, mieux c'est.
- La constante diélectrique détermine la capacité, ce qui influe sur le bruit. En fonctionnement sous tension, la règle suivante s'applique : plus la capacité est grande, plus le bruit est faible. La constante diélectrique correspond exactement à l'inverse.
- La capacité thermique spécifique détermine l'augmentation de la température dans le cristal en fonction du rayonnement absorbé. Une Cv faible signifie une augmentation de température plus importante et donc un meilleur signal.
- La résistance spécifique en courant alternatif est couplée à des pertes diélectriques qui, à leur tour, produisent une sorte de bruit Johnson. Un diélectrique pur ne produirait aucun bruit. Plus la résistance en courant alternatif est faible, mieux c'est.
Pour comparer les matériaux en fonction de leur aptitude fondamentale à servir de détecteurs pyroélectriques, il est judicieux de les analyser à l'aide des paramètres suivants : coefficient pyroélectrique, résistance spécifique en courant alternatif, constante diélectrique et capacité calorifique spécifique. DLaTGS et LiTaO₃ obtiennent les meilleurs résultats et sont donc particulièrement bien adaptés.
DLaTGS offre le niveau de détectivité le plus élevé (environ 2 × 10⁹ Jones @ 10 Hz) et est largement utilisé dans la technologie de mesure IR en laboratoire, en particulier dans les applications FTIR de routine. Les applications industrielles sont largement le domaine de LiTaO₃ en raison de son comportement thermique favorable (Fig. 1). Le PZT est principalement utilisé dans les produits de consommation.
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Comment choisir les détecteurs pyroélectriques ?
Mode courant vs mode tension
Le cristal IR est modulé comme source d'alimentation avec une capacité parallèle et logé dans un boîtier TO avec des composants électroniques supplémentaires. Il existe deux modes de fonctionnement de base pour les détecteurs pyroélectriques : le mode tension (VM) (Fig. 2) et le mode courant (CM) (Fig. 3).
Mode tension : Avantages et inconvénients
Le mode tension basé sur le JFET est largement utilisé dans les applications de détection pyroélectrique depuis de nombreuses années. Cependant, l'intégration s'accompagne de défis importants et convient mieux aux utilisateurs expérimentés.
Principaux défis du mode tension :
- Un signal de sortie relativement faible
- Un décalage fortement dépendant de la température
Avantages du mode tension :
- Il offre des options d'amplification flexibles
- Il permet d'obtenir la valeur D* la plus élevée possible avec une conception simple (environ 0,5 × 10⁹Jones @ 10 Hz
Pourquoi des détecteurs en mode courant (CM) ?
Le mode courant (CM) offre plusieurs avantages tels qu'une grande réactivité pour les applications de détecteurs pyroélectriques.
Principaux avantages du mode courant :
- Produit un signal élevé sur un faible décalage, avec une dépendance minimale à la température
- Nécessite des amplificateurs opérationnels (OpAmp) de faible puissance
- Facile à mettre en œuvre, il est idéal pour le développement de produits au niveau débutant
- Présente une faible impédance de sortie, ce qui améliore les performances CEM
D Considérations relatives aux performances et à la conception
- Les valeurs D* (détectivité) élevées en mode courant sont comparables à celles du mode tension
- La conception est légèrement plus complexe qu'en mode tension car, pour atteindre ce D* impressionnant, le détecteur est connecté à un deuxième élément de détection aveugle en antiparallèle
- Cette conception - même si ce n'est pas le meilleur terme - est communément appelée « compensation de température (TC) »
Ce que fait réellement la compensation de température
- L'élément détecteur aveugle réduit les signaux indésirables causés par les fluctuations de la température ambiante
- Cependant, il ne compense pas les dépendances inhérentes à la température du matériau du détecteur (voir Fig. 1)
- Un terme plus précis serait « compensation des fluctuations de température » (TFC) ou stabilisation du signal
Effet de la TFC sur les performances
- En mode courant, la TFC améliore les performances en atténuant les oscillations naturelles, ce qui permet une plus grande amplification du signal
- En mode tension, cependant, la TFC peut réduire les performances d'environ 50 %
Bon à Savoir
Qu'est-ce que D* ?
D* représente le rapport signal/bruit (SNR) pour une fréquence électrique et une bande passante données, si une puissance de rayonnement de 1 watt atteint une surface de détection de 1 cm². Plus la valeur D* est élevée, plus le détecteur est performant.
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Un filtre IR fait toute la différence. Les détecteurs thermiques sont naturellement polychromatiques, et un filtre est nécessaire pour détecter les gaz/longueurs d’ondes spécifiques.
Détecteurs avancés à un canal en mode tension pour les instruments FTIR.
Les détecteurs DLaTGS présentent le plus efficace effet pyroélectrique connu. Leur application principale est en FTIR.
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Les cristaux pyroélectriques génèrent simultanément des porteurs de charge positifs et négatifs sur des faces opposées.
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Les détecteurs pyroélectriques LiTaO3 à canal unique sont disponibles pour le mode courant (CM).
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Détecteurs pyroélectriques multicanaux : à canal double, versions à triple-canaux et quadruple-canaux sont disponibles.
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Pack complet avec filtres sélectionnés et autres accessoires
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