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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 3

Hochdetektivitätssensoren

Frequenzgänge am Vorverstärkerausgang

Frequenzgang der Empfindlichkeit (Bild 5, oben), Frequenzgang der normierten Rauschspannung (Bild 6, Mitte), Frequenzgang der spezifischen Detektivität (Bild 7, rechts)

Pyroelektrische Infrarotsensoren mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis erfordern nicht nur ein geeignetes Pyroelektrikum bzw. einen rauscharmen Vorverstärker, sondern auch einen pyroelektrischen Chip mit geringer Dicke d_P. In den Beispielen der Bilder 5 bis 7 sind die Frequenzgänge der Empfindlichkeit, normierten Rauschspannung und spezifischen Detektivität am Vorverstärkerausgang für einen Sensor mit einem 5 µm dünnen, thermisch isolierten LiTaO3-Chip (A_S = 2 mm × 2 mm) dargestellt. Folgende Parameter wurden für die Berechnung verwendet:

Empfindliches Element
► Absorptionsgrad a = 0,7
► Normierte Stromempfindlichkeit TR = 1
Vorverstärker
► Eingangswiderstand r_eV = 10¹¹ Ω
► Eingangskapazität C_eV = 2 pF
► Verstärkung v_V = 1
► Stromrauschen bei 10 Hz beträgt 5∙10^-16 A/Hz^1/2
► Spannungsrauschen bei 1 kHz beträgt 6 nV/Hz^1/2

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Die berechneten Werte stimmen gut mit den realen Verhältnissen überein. Es ist zu erkennen, dass bei niedrigen Strahlungs-Modulationsfrequenzen (z. B. 10 Hz) Empfindlichkeit und spezifische Detektivität hohe Werte annehmen. Die normierte Rauschspannung und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bzw. die spezifische Detektivität werden in einem weiten Frequenzbereich (einige Hz bis einige 100 Hz) vom tanϑ-Rauschen bzw. dem Detektivitätsanteil D*_D dominiert. D*_D ist umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Dicke d_P des pyroelektrischen Chips. Je dünner der Sensorchip ist, um so höher ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis bzw. die spezifische Detektivität. Üblicherweise beträgt die Chipdicke zwischen 20 µm und 30 µm.
Durch moderne Ionenstrahlätztechnik (Bild 8) lassen sich pyroelektrische Lithiumtantalat-Chips mit einer Dicke von ca. 5 µm herstellen. Diese Chips bilden die Basis für heute verfügbare pyroelektrische Hochdetektivitätssensoren mit D*-Werten von ca. 10⁹ cmHz^1/2W^-1.

Anwendungsbeispiele

Auf Basis dieser Grundlagen stellt Dias Infrared ein Spektrum unterschiedlicher pyroelektrischer Hochdetektivitätssensoren her. Die Sensoren sind in verschiedenen Ausführungen von Ein- und Mehrelementsensoren erhältlich. Bei Mehrelementsensoren sind in einem Gehäuse bis zu vier pyroelektrische Chips gemeinsam mit dem Vorverstärker integriert. Pyroelektrische Hochdetektivitätssensoren finden beispielsweise Anwendung in der Medizintechnik (Anästhesiegase, Atemgaskontrolle), Umweltmesstechnik (Luftqualität, Abgase) und beim intelligenten Wohnen; sie messen dort hauptsächlich Gaskonzentrationen.

Auch die Analyse von Flüssigkeitsbestandteilen ist mit pyroelektrischen Hochdetektivitätssensoren möglich. Einsatzgebiete sind hier v. a. die Medizin (z. B. Blut und Urin/Harnstoff), Lebensmitteltechnologie und Umwelttechnik (Öle, Abwasser). Weitere Anwendungsbereiche sind Laserkalibrierung, Flammendetektion, Sicherheitstechnik und Temperaturmessung (Pyrometer).