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Hochdetektivitätssensoren

Vielfältige IR-Messmöglichkeiten

2. November 2017, 8:00 Uhr | Dr. Reinhard Köhler (Bereichsleiter IR-Sensoren), Katrin Schindler (Marketing-Managerin), beide Dias Infrared

Ionenstrahlgeätzte Hochdetektivitätssensoren

Pyroelektrische Infrarot-Sensoren halten immer häufiger Einzug in die moderne Messtechnik. Häufig basieren sie auf dem Pyroelektrikum LiTaO3 als Wandlerelement. Warum gerade LiTaO3 für IR-Sensoren in der medizinischen Messtechnik eine wichtige Rolle spielt, verrät ein Blick in die Theorie.

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Pyroelektrische Infrarot-(IR)-Sensoren finden heute vielfältige Verwendung in der Messtechnik, im Konsumer- und Medizintechnikmarkt. Hauptanwendung sind passive Infrarot-Bewegungsmelder. Auch in der Gasanalytik (zum Beispiel Anästhesiegase oder Atemgaskontrolle)werden pyroelektrische IR-Sensoren verwendet, da sie ohne Kühlung bei Raumtemperatur betrieben werden, in einem großen Wellenlängenbereich einsetzbar sind, geringe Drifteffekte haben (wegen des AC-Prinzips) und über eine gute Langzeitstabilität hinsichtlich der Sensoreigenschaften verfügen. Ferner haben sie gute Signal-zu-Rausch-Verhältnisse. Diese Eigenschaften machen pyroelektrische IR-Sensoren für Messtechnik-Applikationen immer interessanter.

Aufbau und Funktionsweise

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In Bild 1 ist der prinzipielle Aufbau eines pyroelektrischen Einelement-Infrarotsensors gezeigt. Wesentliche Bestandteile sind das empfindliche Element und der Vorverstärker, dessen Hauptkomponenten im Sensor integriert sind. Das empfindliche Element besteht aus einem dünnen, mit Elektroden versehenen pyroelektrischen Chip. Zur Verbesserung der Absorptionseigenschaften ist oft eine zusätzliche Schwarzschicht vorhanden.

Trifft der Strahlungsfluss Φ_S(t) auf die Fläche A_S, wird er vom empfindlichen Element mit dem Absorptionsgrad α absorbiert. Dadurch entsteht im Pyroelektrikum eine Temperaturänderung ΔT(t), die auf Grund des pyroelektrischen Effekts zu einer Ladungsänderung ΔQ(t) auf den Elektroden führt. Diese Ladungsänderung wird mit Hilfe des Vorverstärkers in die Signalspannung u_S´(t) umgewandelt.

Neben der Signalspannung gibt es am Ausgang des Vorverstärkers auch eine Rauschspannung u_R´(t). Diese Rauschspannung hat ihre Ursache in den Rauschquellen des empfindlichen Elements und des Vorverstärkers. Sie bewirkt, dass kein beliebig geringer Strahlungsfluss vom Sensor nachgewiesen werden kann.

Die wichtigsten Sensorkenngrößen sind die Empfindlichkeit S_V und die spezifische Detektivität D*. Sie sind für sinusförmige Vorgänge im eingeschwungenen Zustand definiert und im allgemeinen von der IR-Strahlungsmodulationsfrequenz f, der Wellenlänge λ und der Sensortemperatur T abhängig. Die Empfindlichkeit SV ist der Quotient der Effektivwerte der sinusförmigen Signalspannung am Vorverstärkerausgang und des sinusförmig modulierten Strahlungsflusses, der auf die empfindliche Fläche A_S trifft (Formelkasten, Gleichung 1). Die spezifische Detektivität D* ist eine Größe, die das Signal-zu-Rausch-Verhältnis kennzeichnet (Gleichung 2).