Детекторы ик излучения

ДЕТЕКТОРЫ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Детекторы инфракрасного излучения широко используются в промышленности и исследованиях. Примером являются устройства, связанные со спектрометрией, включая мониторинг качества воздуха, состава выхлопных газов, обнаружение опасных веществ в системах противопожарной защиты, анализ химического состава, а также в диагностике заболеваний или контроле выбросов парниковых газов.

Каждое вещество по-своему поглощает электромагнитное излучение. Это явление используется в газовых датчиках, например в популярных NDIR (недисперсионных инфракрасных) сенсорах, обнаруживающих углекислый газ. Но аналогичные детекторы, использующие ИК-излучение, имеют гораздо более широкое применение. В первую очередь это устройства которые проверяют качество воздуха и состав газов, выбрасываемых промышленными предприятиями и автомобилями внутреннего сгорания. Конечно инфракрасная спектроскопия позволяет анализировать вещества без цвета и запаха, поэтому она также используется в современных системах безопасности. Например газовая промышленность (обнаружение утечек) или горнодобывающая промышленность, где инфракрасный детектор помогает обнаруживать метан и другие опасные химические вещества.

Анализ, выполняемый с помощью инфракрасного лазерного луча, не ограничивается газами. Одной из областей применения будет проверка качества воды (водопроводные станции, очистные сооружения). Различные, но основанные на одних и тех же предположениях решения, могут быть применены в медицине (изучение кровообращения в капиллярах), микробиологии, а также метеорологии и климатологии. Детекторы инфракрасного излучения также являются ключевым элементом современной железнодорожной безопасности, где они контролируют прочность механических элементов. Оони используются в системах противопожарной защиты, в том числе в нефтехимической промышленности.

Инфракрасные детекторы VIGO System

VIGO System – лидер в производстве детекторов инфракрасного излучения, которые используются в таких областях, как онкология, астрономия и даже в НАСА. Производственный процесс основан на методе MOCVD (осаждение полупроводниковых слоев из паров металлоорганических соединений). Это позволяет изготавливать детекторы с превосходной точностью и лучшим подтверждением качества модулей, предлагаемых этим производителем, является их использование в исследовательских программах NASA и Европейского космического агентства, они в настоящее время находятся на Марсе и принадлежат бортовым приборам марсохода Curiosity и посадочного модуля Schiaparelli.

В последнее время детекторы и готовые измерительные модули на их основе можно легко приобрести в любом количестве, имеются:

миниатюрные ИК-модули обнаружения,
детекторы общего назначения,
высокоскоростные детекторы,
модули для лабораторных устройств.

Далее обзор ассортимента продукции, который включает как специализированные модули, так и универсальные решения, предназначенные для использования во многих отраслях промышленности.

Лабораторные инфракрасные детекторы LabM-I-10.

Эти модули адаптированы для лабораторных целей. Их настройка выполняется с помощью программного обеспечения Smart Manager. Пользователь может изменять такие параметры, как: усиление (до 40 дБ), диапазон (1,5, 15, 100 МГц), контроль температуры и другое. Полный диапазон обнаружения охватывает излучение от 2 до 12 мкм. Благодаря широкому спектру, модуль может использоваться для калибровки лазерных излучателей. Он также используется в производстве микросхем, мониторинге содержания глюкозы (диабетология) и стоматологии.

Инфракрасные детекторы среднего диапазона LabM-I-6

LabM-I-6 – это продукт, предназначенный в первую очередь для лабораторных работ. Он также программируется. Разница между модулями заключается в спектральном диапазоне обнаружения, который тут более избирательный, охватывает длины волн от 3 до 7,5 мкм, определяемый как средний инфракрасный диапазон, MWIR (Midwave Infrared). LabM-I-6 также обеспечивает большую полосу пропускания (до 200 МГц). Благодаря этим характеристикам детектор используется в первую очередь для анализа состава газа.

Миниатюрные ИК-модули обнаружения microM-10.6

Это миниатюрный детекторный модуль предназначенный для устройств с ограниченным пространством. Он характеризуется широким углом обзора около 85 °. Нет встроенного монитора напряжения и охлаждающей ячейки (только предусилитель, работающий в режиме постоянного тока), которые должны быть включены в конструкцию. Это универсальный продукт (калибровка лазера, измерения CO2), работающий в широком спектре (примерно 2–12 мкм), но оптимизированный для «длинного инфракрасного» (LWIR) диапазона.

Детекторы общего назначения UM-I-10.6

Эти модули имеют параметры обнаружения, аналогичные модулю microM-10.6. У них сенсорное окно из селенида цинка, покрытое антибликовым покрытием. Спектр пропускания окон изготовленных из этого соединения составляет от 2 до 22 мкм, что идеально соответствует характеристикам инфракрасных детекторов. Модули имеют монтажный кронштейн, разъем питания (от 2,5 до 5,5 В, типовое 5 В DC), выходной разъем (сигнал переменного тока подается на коаксиальный разъем SMA) и разъем для контроля напряжения питания предусилителя для точной компенсации смещения. Для охлаждения модуля стоит термопара, снабженная радиатором и вентилятором (питание от того же источника что и схема детектора).

Сверхбыстрые инфракрасные детекторы UHSM-10.6, UHSM-I-10.6

UHSM-10.6 – это детектор с частотой 1 ГГц, оптимизированный для излучения 10,6 мкм. Он предназначен для лазерного измерения расстояний, 3D-сканирования и интерферометрии. Таким образом, это подходящее решение для ряда областей: от коммуникации через точный контроль качества в промышленности до научных приборов в таких дисциплинах, как: метрология, сейсмология, астрономия, химия. Детекторы с этой характеристикой используются в спектроскопии с использованием двух оптических гребенок (двойная гребенчатая спектроскопия).

Модули ИК детекторов UHSM-I-10.6

В случае модели UHSM-I-10.6, параметры и область применения аналогичны. Фотоэлектрический детектор встроен в микрообъектив («I» в символе означает «погруженный»). Это позволило обеспечить высокое отношение сигнал / шум (SNR) с полосой пропускания 700 МГц и углом луча (от 80 ° до 36 °).

Схема простейшего ИК детектора

И в завершение обзора приводим самодельную конструкцию простого детектора инфракрасного излучения с исполнительным реле.

При отсутствии излучения на фототранзистор Q1 реле К1 находится в нормально разомкнутом состоянии. Чувствительность устройства определяется параметрами D1, Q1, R2 и конструкцией ИК датчика.

Приборы ИК-диапазона

ИК поддиапазоны:

Ближний ИК (англ. near IR, сокращённо NIR ): 0.78 - 1 мкм;
Коротковолновый ИК (англ. short wavelength IR, сокращённо SWIR ): 1 - 3 мкм;
Средневолновый ИК (англ. medium wavelength IR, сокращённо MWIR ): 3 - 6 мкм;
Длинноволновый ИК (англ. long wavelength IR, сокращённо LWIR ): 6 - 15 мкм;
Сверхдлиннволновый ИК (англ. very long wavelength IR, сокращённо VLWIR ): 15 - 1000 мкм.

Инфракрасный спектральный диапазон 0,78 - 3 мкм применяется в ВОЛС (сокр. от волоконно-оптическая линия связи), приборах внешнего наблюдения за объектами и аппаратуре для проведения химического анализа. В свою очередь все длины волн начиная с 2 мкм и заканчивая 5 мкм используются в пирометрах, и газовых анализаторах, контролирующих уровень загрязнения в конкретной среде. Интервал 3 - 5 мкм более подходит для систем, регистрирующих изображения объектов, с высокой собственной температурой или же в применениях где требование к контрасту предъявляются выше чем к чувствительности. Очень популярный для спецприменений спектральный диапазон 8 - 15 мкм в основном используется там, где необходимо увидеть и распознать любые объекты, находящиеся в тумане.

Все ИК-приборы разрабатываются в соответствии с графиком пропускания ИК излучения, который приведён ниже.

Существует два типа ИК детекторов:

Фотонные. Чувствительные элементы состоят из полупроводников различных типов, а так же могут включать в свою структуру различные металлы, принцип их работы основан на поглощении фотонов носителями заряда, в результате чего изменяются электрические параметры чувствительной области, а именно: изменение сопротивления, возникновение разности потенциалов, фототока и др. Данные изменения могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, сформированными на подложке, где расположен сам сенсор. Сенсоры обладают высокой чувствительностью и высокой скоростью отклика.

Тепловые. ИК излучение поглощается чувствительной областью сенсора, нагревая её до некоторой температуры, что приводит к изменению физических параметров. Данные отклонения которые могут быть зарегистрированы измеряющими схемами, выполненными непосредственно на одной подложке с фоточувствительной областью. Описанные выше типы датчиков имеют высокую инерционность, значительное время отклика и относительно низкую чувствительность, в сравнении с фотонными детекторами.

По типу используемого полупроводника датчики разделяются на:

Собственный (нелегированный полупроводник с равной концентрацией дырок и элеткронов).
Примесный (легированный полупроводник n- или p-типа).

Основным материалом всех фоточувствительных сенсоров является кремний или германий, которые могут быть легированы различными примесями бора, мышьяка, галлия и др. Примесный фоточувствительный датчик схож с собственным детектором, с той лишь разницей что носители с донорных и акцепторных уровней могут перемещаться в зону проводимости преодолевая более низкий энергетический барьер, вследствие чего данный детектор может работать с более короткими длинами волн, чем собственный.

Типы конструкций детекторов:

Фотовольтаический. Под воздействием ИК излучения в электронно-дырочном переходе возникает фотовольтаический эффект: фотоны с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, поглощаются электронами, в результате чего они занимают места в зоне проводимости, способствуя тем самым возникновению фототока. Детектор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фоторезистивный. Чувствительным элементом сенсора является полупроводник, принцип работы данного датчика основан на эффекте изменения сопротивления проводящего материала под воздействием ИК излучения. Свободные носители заряда, генерируемые фотонами в чувствительной области, приводят к уменьшению её сопротивления. Сенсор может быть выполнен на основе как примесного так и собственного полупроводника.

Фотоэмиссионный, он же «детектор на свободных носителях» или на барьере Шоттки.; Чтобы избавиться от необходимости глубокого охлаждения примесных полупроводников, и в некоторых случаях достичь чувствительности в более длинноволновом диапазоне, существует третий тип детекторов, называемых фотоэмиссионными. В датчиках данного типа металлическая или металло-кремниевая структура покрывает примесный кремний. Свободный электрон, который образуется в результате взаимодействия с фотоном, попадает из проводника в кремний. Преимуществом такого детектора является отсутствие зависимости отклика от характеристик полупроводника.

Фотодетектор на квантовой яме. Принцип действия схож с примесными детекторами, в которых примеси используются для изменения структуры запрещённой зоны. Но в данном типе детектора примеси сконцентрированы в микроскопических областях где ширина запрещенной зоны значительно сужена. Образованная таким образом «яма» называется квантовой. Регистрация фотонов происходит, за счет поглощения и образования зарядов в квантовой яме, которые затем вытягиваются полем в другую область. Такой детектор намного чувствительнее по сравнению с другими типами, так как целая квантовая яма - это не отдельный атом примеси, а от десяти до ста атомов на единице площади. Благодаря этому можно говорить о достаточно высокой эффективной площади поглощения.

Термопары. Основным элементом данного устройства является контактная пара двух металлов с различной работой выхода, в результате чего на границе возникает разность потенциалов. Это напряжение пропорционально температуре контакта.

Пироэлектрические детекторы изготовлены с использованием пироэлектрических материалов и принцип работы которых основан на возникновении заряда в пироэлектрике при прохождении через него теплового потока.

Микробалочные детекторы. Состоит из микробалки и проводящего основания, которые выполняют роль обкладок конденсатора, микробалка сформирована из двух плотно соединённых металлических частей, имеющих разные коэффициенты теплового расширения. При нагреве балка изгибается и изменяет ёмкость структуры.

Болометры (Терморезисторы) состоят из терморезистивного материала, в основе принципа работы данного сенсора поглощение ИК излучения материалом чувствительного элемента, что приводит к увеличению его температуры, что в свою очередь вызывает изменение электрического сопротивления. Есть два пути снятия информации: измерение тока, протекающего в чувствительной области, при постоянном напряжении и измерение напряжения при постоянном токе.

Основные параметры

Чувствительность - отношение изменения электрической величины на выходе приёмника излучения, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения. В/лк-с.

Интегральная чувствительность - чувствительность к немонохроматическому излучению заданного спектрального состава. Измеряется в А/лм.

Спектральная чувствительность - зависимость чувствительности от длины волны излучения.

Обнаружительная способность - величина обратная величние минимального потока излучения, который вызывает на выходе сигнал, равный собственному шуму. Она обратно пропорциональна квадратному корню из площади примёмника излучения. Измеряется в 1/Вт.

Удельная обнаружительная способность - Обнаружительная способность умноженная на корень квадратный из произведения полосы частот в 1 Гц и площадь в 1 см². Измеряется в см*Гц^1/2/Вт.

Время отклика - время, необходимое для установления сигнала на выходе, соответствующего входному воздействию. Измеряется в миллисекундах.

Рабочая температура - максимальная температура сенсора и окружающей среды, при которой сенсор имеет возможность правильно выполнять свои функции. Измеряется в °C.

Параметр	Фотонный детектор	Тепловой детектор
Чувствительность	Высокая	Низкая
Интегральная чувствительность	Средняя	Высокая
Спектральная чувствительность	Узкая и избирательная	Широкая и однородная
Время отклика	Малое	Значительное
Рабочая температура	Криогенная	Комнатная
Стоимость	Высокая	Низкая
Прочие требования	Система охлаждения	Затвор

Применение:

Космические системы наблюдения;
Система обнаружения стартов МБР;
В бесконтактных термометрах;
В датчиках движения;
В ИК спектрометрах;
В приборах ночного видения;
В головках самонаведения.

Инфракрасные детекторы | Хамамацу Фотоникс

Чтобы использовать все доступные функции на этом сайте, в вашем браузере должен быть включен JavaScript.

Комплектация "Приборы для измерения газа" доступна!

Hamamatsu предлагает широкий ассортимент источников света и детекторов, необходимых для оптического измерения газа. В этом документе представлены подходящие продукты и примеры применения для каждого метода измерения.

Фотодиоды InGaAs для обнаружения света в ближнем инфракрасном диапазоне. Особенности включают высокую скорость, высокую чувствительность, низкий уровень шума и спектральные характеристики в диапазоне от 0,5 мкм до 2,6 мкм.

Линейки InGaAs и фотодиоды сегментного типа.

InGaAs APD обеспечивают высокую чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне для обнаружения при слабом освещении на высоких скоростях.

Высокоскоростные инфракрасные детекторы с низким уровнем шума, способные обнаруживать инфракрасный свет длиной примерно до 3,5 мкм.

Высокоскоростные малошумящие инфракрасные детекторы, обеспечивающие высокую чувствительность в атмосферном окне в диапазоне 3–5 мкм. Инфракрасный свет в диапазоне 5 мкм может быть обнаружен с максимальной чувствительностью и высокой скоростью отклика.

Фотогальванические детекторы InAsSb обеспечивают высокую чувствительность в пределах 5 мкм, 8 мкм и 11 мкм.

Массив из 16, 46 элементов, способный обнаруживать диапазон до 5 мкм.

Инфракрасный детектор на сверхрешетке типа II с чувствительностью, расширенной до диапазона 14 мкм, с использованием уникальной технологии выращивания кристаллов Hamamatsu и технологического процесса.

Сверхбыстрый фотоприемник среднего инфракрасного диапазона с полосой отклика более 20 ГГц.

Недорогие датчики, генерирующие термоэлектродвижущую силу, пропорциональную уровню энергии падающего инфракрасного света. Концентрацию различных типов газов можно измерить, прикрепив полосовой фильтр к детекторам на термобатареях.

Детекторы с одним датчиком, установленным над вторым датчиком вдоль той же оптической оси, чтобы обеспечить широкий спектральный диапазон отклика.

Компактные модули, содержащие инфракрасный детектор и предусилитель. Термоэлектрическое охлаждение и охлаждение жидким азотом доступны для приложений, требующих низкого уровня шума.

Модули инфракрасного обнаружения.

Усилители, регуляторы температуры и радиаторы.

Подкаст "Окружающая среда x Фотоника" уже доступен!

В честь Дня Земли, 22 апреля, наши сотрудники обсудили экологические проблемы, вызванные изменением климата, и то, как оптические технологии могут способствовать этим проблемам. Пожалуйста, взгляните.

Инфракрасный детектор - ИК-детектор

Принцип инфракрасного излучения

Принцип инфракрасного излучения основан на физическом явлении, согласно которому любое тело при температуре выше абсолютного нуля (-273,15 °C) излучает электромагнитное излучение. Существует четкая корреляция между поверхностью тела и интенсивностью и спектральным составом испускаемого им излучения. Таким образом, определяя интенсивность его излучения, можно бесконтактным способом определить температуру объекта.

Инфракрасное излучение – это та часть электромагнитного спектра, которая непосредственно примыкает к красному свету (инфракрасному свету) длиной прибл. 760 нм на длинноволновой стороне видимого спектра и простирается до длины волны прибл. 1 мм.

Преимущества пироэлектрических инфракрасных детекторов InfraTec

Являясь частью семейства тепловых детекторов, пироэлектрический детектор, в отличие от полупроводниковых детекторов (InGaAs, PbS, PbSe), оснащен высокоэффективным поглощающим черным слоем и, таким образом, имеет чрезвычайно широкая, спектрально и латерально однородная чувствительность. Полупроводниковые детекторы достигают более высокой удельной обнаруживающей способности, чем пироэлектрические инфракрасные детекторы, при работе в диапазоне длин волн до 3 мкм при комнатной температуре.

По сравнению с детекторами на термоэлементах, которые также могут обнаруживать длинноволновое инфракрасное излучение при комнатной температуре, пироэлектрический инфракрасный детектор InfraTec работает намного быстрее и работает со значительно более высоким напряжением сигнала даже без дополнительного предварительного усиления. Оптимальными условиями для пироэлектрических детекторов являются длины волн от 2,5 до 25 мкм и частоты модуляции от 0,5 до 400 Гц.

Пироэлектрические инфракрасные датчики InfraTec используют специальные черные слои для поглощения и поэтому могут использоваться даже в качестве крупномасштабных долговременно стабильных приемников УФ-излучения (т.е. 193 нм), но также может использоваться для терагерцового излучения в диапазоне от 100 мкм до 1 мм.

Предложение инфракрасных детекторов

Высокая гибкость в отношении измеряемых веществ
Применение хемометрических методов для многокомпонентного анализа
Измерение известных составов с перекрывающимися полосами
Идентификация неизвестных веществ
Экономичный, надежный и миниатюрный решение

Инфракрасный детектор в использовании

Пироэлектрические инфракрасные извещатели чаще всего используются для обнаружения движения. Обычно для этой цели достаточно недорогих пироэлектрических керамических датчиков. Другие области применения включают недисперсионный анализ газа в инфракрасном диапазоне (анализ газа NDIR), а также обнаружение и мониторинг пламени в инфракрасном диапазоне. В этих областях в качестве пироэлектрического материала используется в основном высококачественный монокристаллический танталат лития (LiTaO3). Это также обеспечивает долговременную стабильную работу при большом соотношении сигнал/шум. Возможно также использование пироэлектрических инфракрасных детекторов для спектроскопии или радиометрии.

Совершенство производства

Все этапы разработки и производства происходят в нашем главном здании в Дрездене, начиная с разработки и моделирования и заканчивая проектированием и прототипированием, а также серийным производством детекторов. Технологии проектируются с резервированием и производят полный внутренний технологический процесс. PVD, соединение чипов и проводов, а также измерения продукта автоматизированы, что исключает варианты ручного производства.