Auswahl des richtigen pyroelektrischen Detektors
Materialien, Anwendungen und Funktionsweise
Pyroelektrische Detektoren sind Wärmedetektoren: Bei Temperaturschwankungen verändert sich die Oberflächenladung der pyroelektrischen Kristalle und es wird ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt. Dieser Temperaturgradient wird in der Regel durch einen Absorber ausgelöst, der einfallendes Licht in Wärme umwandelt.
Es gibt verschiedene pyroelektrische Materialien. Für pyroelektrischen Detektoren nutzt man üblicherweise DLaTGS, LiTaO₃ (LTO) und PZT.
Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der einzelnen Materialien. Einfach ausgedrückt, bedeuten die Zahlen Folgendes:
- Der pyroelektrische Koeffizient bestimmt die Fähigkeit, aus Infratot-Strahlung Strom zu erzeugen. Das heißt: je größer, desto besser.
- Die Dielektrizitätskonstante bestimmt die Kapazität und hat Auswirkungen auf das Rauschen. Im Spannungsbetrieb gilt: Je größer die Kapazität, desto geringer das Rauschen. Bei der Dielektrizitätskonstante verhält es sich genau umgekehrt.
- Die spezifische Wärmekapazität bestimmt, wie stark sich Temperatur im pyroelektrischen Material in Abhängigkeit von der absorbierten Strahlung erhöht. Ein niedriger Cv-Wert bedeutet eine größere Temperaturerhöhung und damit ein besseres Signal.
- Der spezifische Wechselstromwiderstand ist mit dielektrischen Verlusten gekoppelt, die ihrerseits eine Art Johnson-Rauschen erzeugen. Ein reines Dielektrikum würde kein Rauschen erzeugen. Je niedriger der Wechselstromwiderstand, desto besser.
Um die grundsätzliche Eignung von Materialien für den Einsatz in pyroelektrischen Detektoren zu bewerten, empfiehlt es sich, folgende Parameter zu vergleichen: den pyroelektrischen Koeffizienten, den spezifischer Wechselstromwiderstand, die Dielektrizitätskonstante und die spezifische Wärmekapazität. DLaTGS und LiTaO₃ erzielen dabei die besten Ergebnisse. Sie sind daher besonders gut geeignet.
DLaTGS bietet mit etwa 2 × 10⁹ Jones @ 10 Hz die höchste Detektivität. Dieses Material ist in der IR-Messtechnik im Laborbereich weit verbreitet – insbesondere bei Routine-FTIR-Anwendungen. In industriellen Anwendungen kommt dagegen das günstige thermische Verhalten von LiTaO₃ (s. Abb. 1) zum Tragen. PZT findet sich vor allem bei Konsumgütern.
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So wählen Sie den passenden pyroelektrischen Detektor
Strommodus oder Spannungsmodus?
Der IR-Kristall fungiert als Stromquelle mit einer parallel geschalteten Kapazität und ist zusammen mit weiteren elektronischen Komponenten in einem TO-Gehäuse verbaut. Pyrodetektoren arbeiten grundsätzlich in zwei Betriebsarten: im Spannungsmodus (VM, s. Abb. 2) oder im Strommodus (CM, s. Abb. 3).
Spannungsmodus (VM): Für und wider
Der JFET-basierte Spannungsmodus ist seit Langem etabliert, hat jedoch entscheidende Nachteile und ist daher eher für erfahrene Anwender geeignet:
Herausforderungen:
- Relativ schwaches Ausganssignal
- Stark temperaturabhängiger Offset
Vorteile
- Flexible Verstärkungsmöglichkeiten
- Mit einem einfachen Design lässt sich höchste mögliche Detektivität erzielen (D* ~ 0,5 x 109 Jones @ 10 Hz).
Warum Detektoren im Strommodus (CM)?
Der Strommodus bietet bei pyroelektrischen Detektoren einige Vorteile – insbesondere eine hohe Empfindlichkeit.
Die wichtigsten Vorteile:
- Starkes Signal bei geringem und wenig temperaturabhängigem Offset.
- Benötigt Operationsverstärker (OpAmps) mit geringem Stromverbrauch.
- Leicht umzusetzen und daher optimal für wenig erfahrene Produktentwickler.
- Niedrige Ausgangsimpedanz und daher gute elektromagnetischen Verträglichkeit.
Detektivität und Design
- Die Detektivität im Strommoduls ist ähnlich wie im Spannungsmodus.
- Um diesen D*-Wert zu erreichen, kann der Detektor mit einem zweiten, antiparallel geschalteten Blinddetektorelement verbunden werden.
- Dieser Aufbau ist komplexer als im Spannungsmodus und wird häufig als „Temperaturkompensation“ (TC) bezeichnet. Dieser Begriff ist jedoch irreführend.
Was „Temperaturkompensation“ wirklich bedeutet
- Das „blinde Detektorelement“ reduziert unerwünschte Signale, die durch Schwankungen in der Umgebungstemperatur entstehen.
- Es kompensiert jedoch nicht die inhärente Temperaturabhängigkeit des Detektormaterials. (s. Abb. 1).
- Treffendere Bezeichnungen wären daher „Temperaturschwankungsausgleich“ (Temperature Fluctuation Compensation - TFC) oder „Signalstabilisierung“
Auswirkungen von TFC auf die Leistung
- Im Strommodus dient TFC zur gezielten Dämpfung thermischer Eigenschwingungen. Das ermöglicht eine bessere Signalverstärkung und steigert die Gesamtleistung.
- Im Spannungsmodus kann TFC jedoch die Leistung um bis zu 50% reduzieren.
Wissenswertes
Was bedeutet D*?
Die Detektivität D* bezeichnet das Signal-Rausch-Verhältnis bei einer bestimmten Frequenz und Bandbreite, wenn Strahlung mit einer Leistung von 1 Watt auf 1 cm² einer Detektoroberfläche trifft. Je höher D*, desto empfindlicher und leistungsfähiger ist der Detektor.
Standardkomponenten und individuellen OEM-Bauteilen
Was Sie hier nicht finden, bauen wir für Sie
Die LASER COMPONENTS Detector Group fertigt pyroelektrische Detektoren mit DLaTGS und LiTaO3.
Unser Produktangebot umfasst alle kommerziell verfügbaren Optionen – von Detektoren für mehrere Wellenlängen und miniaturisierten Ausführungen bis hin zu Komponenten, die besonders widerstandfähig gegen Vibrationen sind. Wir bauen dieses Portfolio kontinuierlich aus und damit ist LASER COMPONENTS Ihr Partner für alle Detektionslösungen.
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IR Komponenten
für 5Hz / 5µm
Komplettpaket mit ausgewählten Filtern und anderem Zubehör
Der Filter macht den Unterschied. Thermische Detektoren sind naturgemäß polychromatisch. Um ein bestimmtes Gas/eine Wellenlänge zu detektieren, wird ein passender Filter benötigt.
Innovative Einkanal-Detektoren für FTIR-Instrumenten im Spannungsbetrieb (VM).
Unsere mehrkanaligen Pyrodetektoren umfassen 2-Kanaler, 3-Kanaler und 4-Kanal Detektoren.
Unsere mehrkanaligen Pyrodetektoren umfassen 2-Kanaler, 3-Kanaler und 4-Kanal Detektoren.
DLaTGS Detektoren haben den höchsten pyroelektrischen Effekt und werden meist für FTIR Anwendungen eingesetzt.
DLaTGS Detektoren haben den höchsten pyroelektrischen Effekt und werden meist für FTIR Anwendungen eingesetzt.
Pyroelektrische Kristalle erzeugen gleichzeitig positive und negative Ladungsträger – jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten des Kristalls.
Pyroelektrische Kristalle erzeugen gleichzeitig positive und negative Ladungsträger – jeweils auf den gegenüberliegenden Seiten des Kristalls.
Pyroelektrische Einkanal-Detektoren aus LiTaO3 sind für den Strombetrieb (CM) verfügbar. Sie werden für die Gasdetektion und Flammendektektion eingesetzt.
Pyroelektrische Einkanal-Detektoren aus LiTaO3 sind für den Strombetrieb (CM) verfügbar. Sie werden für die Gasdetektion und Flammendektektion eingesetzt.
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