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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

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Ersatzschaltbilder

Die Absorption des Strahlungsflusses Φ_S ruft im Pyroelektrikum eine Temperaturänderung ΔT hervor, die im allgemeinen vom Ort im Pyroelektrikum abhängt. Diese Ortsabhängigkeit kann oft in guter Näherung vernachlässigt werden, sodass das thermische Verhalten des empfindlichen Elements in diesen Fällen durch eine einfache analoge elektrisches Ersatzschaltung (Bild 2) mit der Wärmekapazität H_P = c_P‘ d_P A_S‘ (Gleichung 3, mit d_P = Dicke des empfindlichen Elements und c_P´ = volumenspezifische Wärmekapazität) und dem thermischen Leitwert G zwischen dem empfindlichen Element und seiner Umgebung dargestellt wird.

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Aufgrund des statistischen Charakters des Wärmeaustausches zwischen empfindlichem Element und Umgebung entsteht ein Temperaturrauschen. Deshalb ist im elektrischen Ersatzschaltbild (Bild 2) eine zusätzliche Rauschquelle enthalten (Gleichung 4).

Die Temperaturänderung ΔT führt zu einem pyroelektrischen Strom, der bei einem Kurzschluss der Elektroden des empfindlichen Elementes fließt. Unter Berücksichtigung der Definition des pyroelektrischen Koeffizienten und der thermischen Verhältnisse gemäß Bild 2 ergibt sich der pyroelektrische Strom (Gleichungen 5 bis 8, mit p = pyroelektrischer Koeffizient). Die dimensionslose Funktion T_R wird komplexe normierte Stromempfindlichkeit genannt. In praxisrelevanten Modulationsfrequenzen (f = 1...1000 Hz) kann der Betrag von T_R bei den meisten Sensorkonstruktionen näherungsweise 1 gesetzt werden.

Wird die einfallende Strahlung nicht moduliert (f = 0), wird kein pyroelektrischer Strom erzeugt. Der pyroelektrische Sensor ist also nicht gleichlichtempfindlich. Er benötigt eine zeitliche Modulation des einfallenden Strahlungsflusses, z. B. durch Chopperung. Der pyroelektrische Sensor ist ein AC-Sensor.

Das elektrische Ersatzschalbild des empfindlichen Elements ist in Bild 3 gezeigt. Die Eingangsgröße ist der pyroelektrische Strom gemäß Gleichung 5. Ersatzelemente sind die elektrische Kapazität (Gleichung 9), der frequenzabhängige Widerstand (Gleichung 10) und die sogenannte tanδ-Rauschquelle (Gleichung 11), die das thermische Rauschen des Elementwiderstandes r_P beschreibt. Mit ε_r und tanδ wird die Dielektrizitätszahl bzw. der dielektrische Verlust des Pyroelektrikums beschrieben.

Bild 4 zeigt die elektrische Ersatzschaltung eines Vorverstärkers im Spannungsbetrieb. Ersatzelemente sind Eingangswiderstand r_eV und Eingangskapazität C_eV sowie Strom- und Spannungsrauschen des Vorverstärkers.

Das thermische Rauschen des Eingangswiderstandes beschreibt die Rauschquelle (Gleichung 12). Beim Vorverstärker wird zusätzlich die Verstärkung v_V berücksichtigt.