1 基础

1.1 热释电探测器是如何工作的?

热释电晶体由于其晶胞的单轴性是非对称结构。这种结构使它自身带有极性,并且随着温度改变而变化。这一热释电效应被应用于传感器技术。一片非常薄的热释电晶体在垂直于极轴的表面涂上电极。在上表面电极的上方,再涂上黑色的吸收层。当这层物质和红外辐射反应后,热释电晶体被加热并且表面电荷增加。如果关闭辐射,反向电荷增加。然而,这一电荷非常微弱,在有限的内部电阻平衡掉这些电荷之前,需要极低噪声和漏电流的结型场效应管(JFET)或者运算放大器(OpAmp)将电荷转换成信号电压。

1.2 热背景会不会影响热释电效应

不会,因为热释电效应在变化的辐射下才能形成。因此即使不去做额外的信号处理,稳定的背景也不会造成影响。

1.3 热释电探测器如何使用

由于热释电芯片只对变化的红外辐射有响应,热释电探测器必须应用于调制的光源下。一个例外是测试的物体本身就是快速变化的辐射,例如火焰。调制的光源可以是微型灯泡加机械斩波轮,或者是电调制的红外光源。

1.4 热释电探测器可以用于何处?

热释电探测器以其精准的测量和长期的稳定性广泛用于测量红外辐射。最常见的应用是运动物体的检测,红外气体分析,火焰检测,光谱仪和量热辐射计。相比于热电堆探测器,热释电探测器能够应用于几千赫兹的频率下并能输出高分辨率的信号。这一应用对于傅里叶光谱仪非常重要。短脉冲可以检测到几个微秒,高精准度的脉冲红外激光器的能量测量也是可行的,甚至是纳秒级的范围。

1.5 热释电探测器在哪个电磁波段工作?

不同于量子探测器,例如光电二极管,热探测器在很宽的光谱范围都有响应。热释电探测器能够探测从紫外范围(100 nm)到可见光、红外光一直到太赫兹(1000微米)。只要为热释电晶体选择合适的吸收层,全光谱的探测是可行的。InfraTec采用两种不同的技术为芯片镀膜,也就是涂黑薄膜。大部分情况下,用的是有机物黑化层。在制晶元的时候加上黑化层,且具有长时间的温度稳定性,能够从紫外到远红外,100微米都有良好的吸收。并且调制频率可以到几千赫兹。对于特殊的应用,采用金属黑化层薄膜。其整个光谱吸收率非常均匀,适合光谱仪的应用。然而,其使用温度必须控制在60 °C以下,也不能用于很强的辐射下,或者强振动环境下。

2 应用

2.1 红外气体分析的物理模型?

许多化合物在红外光的激发下能形成分子振动。因此,此分子结构吸收红外辐射。吸收的光谱依据分子结构,分子运动自由度,元素,化合物种类,空间结构和键合力而定。因此,每种物质都有其特殊的吸收光谱,例如,二氧化碳分子可以激发弯曲和伸展振动。不同分子轴之间额外的旋转运动也会发生,叠加到光谱振动中,使其光谱结构更加细致。

2.2 红外光谱仪是如何用于气体分析仪中的?

红外光谱仪能够测试气体的吸收光谱。对比红外图谱中的标准光谱,可以定性以及定量地确定物质的种类。

2.3 非分光红外光谱仪(NDIR气体分析)是如何工作的?

对于这种类型的气体分析仪,对光谱敏感的宽波段热探测器被一个带宽滤光片限制了其光谱范围。带宽滤光片是根据气体的特征吸收峰来选择的。对于热探测器,待测混合气体的光谱透过率在特定范围内可以被测定。如果没有待测气体,大部分红外辐射将会到达探测器,信号最强。如果待测气体增加,根据比尔-朗博定律,吸收增强,信号会逐步减小。

2.4 非分光红外分析(NDIR)有什么优势?

和红外光谱仪对比,NDIR气体分析仪非常便宜。然而只有在已知气体种类的情况下使用,因此使用的气体种类比较少。

2.5 什么气体是不适合非分光红外气体分光仪的(NDIR)?

惰性气体只有单一原子。为了能有振动运动,至少一个键是必须的。惰性气体不适用于这一方法。双原子气体,例如氧(O2)以及氮(N2),由于只有少数的振动模型能够被红外辐射激发,所以此类气体也不适用。

2.6 NDIR气体分析仪由哪些部分组成?

NDIR气体分析仪包括电子和机械部分,其中有调制的红外光源,气室和热释电探测器。分析电路用来处理信号计算气体浓度。InfraTec可以提供非常广泛的标准红外窄带滤光片(NBP),可以针对大部分被测气体。滤光片是封装在探测器管壳上的,并且密封处理。对于多种气体测量,也可以提供多通道的探测器。

2.7 非分光红外气体分析(NDIR气体分析),采用非吸收的掺比通道有优势吗?

是的,对于NDIR气体分析仪来说,采用一个掺比通道使气体信号通过比值方法归一化处理是非常推荐的。整个系统的光学,机械和电子漂移可以被降低。两次校准之间的时间间隔可以延长。掺比通道的光谱位置需要尽可能接近测试通道的光谱。如果所有的吸收通道在光谱窗口3-5微米或者8-12微米范围内,多种气体只需要用一个掺比通道。如果不需要掺比通道,可以考虑周期性地引入氮气来进行零点校准。

2.8 火焰探测器是如何工作的?

火焰传感器上配备的热释电探测器可以用来探测有机物(碳氢化合物)燃烧的标准光谱,通常为木材,天然气,石油和塑料。为了区分开太阳光和其他光源,有以下两个标准:1)典型的火焰自身闪烁的频率为1-5赫兹。2)碳氢化合物燃烧产生的气体是CO和CO2。光谱范围是4.0 ... 4.8 µm的之间。为了能够获得大信号,采用一个较宽带通的滤光片,同时包含CO和CO2两种吸收峰。此外,可以增加更多的通道,来检测其他的燃烧产物,水等。

2.9 InfraTec公司的火焰探测器能够探测100米外的信号吗?

是的,InfraTec公司的电流模式的热释电探测器,带有芯片尺寸(2 x 2) mm²或者(3 x 3) mm²,能够提供非常高的信噪比,非常小的噪声,可以进行可靠的探测。

2.10 用于气体分析和火焰探测的热释电探测器能够不用信号放大和转换器吗?

热释电芯片所产生的电荷信号是非常小的,它需要通过一个高输入阻抗(几个10 GΩ)的前置放大器来放大。在常温环境下(60%的相对湿度和22℃),放大电路很难避免干扰。高阻抗的电路部分最好密封在探测器内。所以我们建议对于气体分析和火焰探测使用集成有JFET或OpAmp的探测器。

3 运行条件

3.1 对热释电探测器制冷,会和半导体探测器(如硫化铅,锡化铅,铟镓锑,碲镉汞)一样增强信噪比吗?

不会,因为热释电探测器的热释电芯片不需要工作在制冷环境下。即使工作在长波红外,14微米波长也不需要制冷,信噪比和温度以及波长无直接关系。

3.2 热释电探测器的运行和保存温度如何限制?

InfraTec采用的热释电材料是双面抛光的钽酸锂单晶(LiTaO3)。这种永久极化的晶体拥有620 °C的居里温度,因此芯片材料本身对使用和保存温度没有限制。但其他因素会影响使用温度,最高使用温度受到内置前置放大器限制。使用在60 ° C以上会增加探测器的噪声,因为前置放大器在高温下会产生额外的漏电流。此外探测器窗口的热机械性能以及封装技术也决定了最高和最低存储温度。

3.3 热释电探测器能在60 °C以上使用吗?

通常来说是可以的。热释电芯片,钽酸锂单晶在实际应用中可以耐受很高的温度。然而,温度决定了漏电流的增加,从而增加了信号中噪声的比例,也限制了阻抗转换器的放大能力。结型场效应管的反向电流随温度上升显著,因此,带CMOS运放的探测器比较适合运用于60 °C以上范围内,因为它的剩余电流较低。因为红外窗片的连接必须要保证密封,所以对于窗片或者滤光片镀膜层的机械应力的设计和技术上的要求非常高。带有敏感窗口材料的探测器不能置于温度变化非常大的环境下。数据手册中会标明允许使用的温度范围。

3.4 如果加热带钽酸锂(LiTaO3)芯片的热释电探测器,可以像加热DTGS探测器一样,使信噪比提升吗?

DTGS探测器经常被使用在的50 °C温度下,正好低于其居里温度60 °C。热释电系数以及信号电压会显著增加,但是温度系数会非常高。InfraTec使用的是LiTaO3钽酸锂单晶作为热释电材料,其具有非常高的居里温度620 °C,能够保证整个使用范围很小的温度系数。所以即使提高使用温度,也不能实现非常显著的信号提升。在气体分析仪应用中,通常实际的使用温度在40到60 °C之间。这一温度可以降低水凝,以及减低热释电滤光片的波长对温度的漂移。

4 特性

4.1 热释电探测器的麦克风效应和加速度敏感是什么意思?

所有的热释电材料都是压电材料。所以热释电芯片也会对物理振动或者声音有响应,例如麦克风振动或者是加速度计。这一现象被称为麦克风效应或者加速度敏感。

4.2 InfraTec是如何降低麦克风效应的?

结实的探测器管壳已经可以降低一部分空气声波振动。InfraTec采用的是独家专利的芯片微型结构连接的方法(LowMicro)来降低这一效应。干扰电压在三个维度方向都可以被最大程度的平衡掉。这一类型的探测器我们采用LME(single-channel)或者LMM(multi-channel)来作为名字的开头,普通的版本是LIE或者LIM。

4.3 热释电探测器的热补偿是什么?

由于热释电探测器对于温度的改变非常敏感,环境温度的改变对于测量信号也会有影响,从而改变工作点。这一效应可以被热补偿芯片降低20倍的影响。热补偿采用的是另一热释电芯片反向连接在光学响应的热释电芯片边上。此结构能够获得一个非常稳定的工作点。此外,也可以减少器件的预热时间。这一特性对于手持式仪器的精准度和稳定性非常关键。所以气体分析仪是经常采用热补偿探测器的。

4.4 什么热效应是温度补偿无法解决的?

温度补偿没有办法降低红外滤光片的温度漂移,也没有办法降低信号电压的温度系数, 以及气体浓度的温度系数。

5 运行模式

5.1 热释电探测器是如何工作在电压模式下的?

热释电探测器的芯片首先产生电荷,芯片在电路中如同电容器。生产的电压被放大并且作为信号电压输出。放大器带有高阻抗的输入电阻, 相当于一个阻抗变换器。通常是一个JFET,并且需要一个栅极电阻和外部信号源阻抗。在1-10Hz常用频率范围内,热释电探测器已经工作在了1/f频率范围内,高于电时间常数。标准的电压模式的信号输出是几个毫伏。

5.2 热释电探测器是如何工作在电流模式下的?

热释电探测器芯片产生的电荷在一定时间内流入放大器的输入端,并且产生与阻抗相对应的电流。放大器像一个电流电压转换器一样工作,得到探测器上的电压。典型使用的是一个带有反馈元器件的运算放大器,如果光源恒定,热释电探测器因此输出一个在很宽频率范围几乎恒定的输出电压。探测器最好使用在电时间常数和热时间常数之间, 典型的输出电压在100mV. 

5.3 电压模式和电流模式使用的主要区别?

信号电压的频率响应对于热释电探测器的表现来说是至关重要的,通常是由两个时间常数来决定的。热时间常数(典型值是150ms)反应的是热释电芯片和环境之间的热交换,它不取决于运行模式,因此电流模式和电压模式都是相同的。电时间常数(典型值几秒)在电压模式下是热释电芯片的电容值和栅极电阻作用结果,并且这两者都不能随意改变,所以缩短电时间常数是很难的。在电流模式中,电时间常数是反馈电阻和反馈电容的结果,这两者是可以调节的(典型值< 20 ms)。因此,使用电流模式探测器,频率响应和信号电压可以在很宽的范围内调节。非常典型的结果是,电流模式比电压模式的信号电压要高出100倍左右。信号等级可以通过调节反馈电阻来改变,通常在1:20这个范围内。电时间常数的缩短(通常只有电压模式的1%)能够缩短信号加载和放大的设置时间。如今由于低噪声,低功耗运放的普遍使用,电压模式的探测器也可以用于高信噪比的系统中。

5.4 改变栅极电阻的大小将如何影响电压模式的信号?

在一个没有补偿的电压模式的探测器中,降低栅极电阻可以提高工作电压对于温度瞬变的稳定性。所以这点通常在不想使用补偿型探测器时非常关键。但是降低栅极电阻增加了噪声电压,其和电阻成1/√R关系。

如果在同样的温度稳定水平上,无补偿的探测器的栅极电阻是有补偿的1/16(例如用5GOhm替代82GOhm),信噪比降低了70%,相当于下降根号的16分之一,也就是25%。选择热补偿探测器比降低栅极电阻提高3倍性能。

5.5 InfraTec探测器自带100 GΩ电阻如何避免湿气的影响?

所有探测器都密封焊接处理,InfraTec也提供冲氮气,氮气的露点在-50 °C。红外滤光片或者窗口被特殊粘结剂装在管帽上面。

5.6 电调制脉冲红外光源和机械斩波比有什么优势和劣势

封装于TO5或者TO8管帽中的电调制热学红外光源在市场上还属于非常先进的技术。如今微机械的芯片也能表现长时间的使用寿命。相比于斩波轮,它没有任何移动部件。

但是红外光源的热辐射部件一开一关会在原有的布朗克辐射基础上产生额外的调制光谱特性。作为一款热学的辐射器件,调制的红外光源也有热时间常数(取决于型号),在3-30Hz范围内微型加热区的调制深度会降低。如果调制频率在100Hz以上,或者需要精确的方波调制辐射的话,InfraTec公司仍旧建议使用机械斩波方式。

6 功能检测

6.1 如何简单地判断热释电探测器是否损坏?

几乎所有InfraTec的探测器都装有前置放大器,源极跟随器JFET或者是CMOS运放。这两种结构都可以用测试DC输出电压的方式简单地检测工作是否正常。在温度稳定的情况下,没有红外光源,直流输出需要符合测试报告上的偏置电压的值。对于源极跟随器,± 10 %的浮动是正常的。对于运放来说,一般不超过1mV。并且,电压通常只会非常缓慢地漂移。

7 先进的多通道探测器

7.1 热释电分光探测器有什么优势?

分光探测器是只有一个通光孔的多通道探测器,它采用的是微型镜面表面技术,将多阵列内置于探测器中作为分光器。光束会在探测器内部分成2束或者4束。所以通光孔只有2.5mm直径,适用于小型化的NDIR气体分析仪,在整个测试系统中只有非常小的死角。在NDIR系统中,机械膨胀,老化效应,使用污迹等只能在分光前影响到光路,这样可以保证进入探测器内部的光束分光后始终保持等比例。所以每一个独立的通道都能永久保持稳定的信号比例。

7.2 如果需要探测4个以上的通道,InfraTec是如何做到的?

InfraTec提供标准的多通道探测器,通道数量可以达到4个,通常可以同时测3种气体和1个参考通道。如果需要更多的光谱通道,同时想保持同步测试,那么就需要额外的分光装置。对两个分光探测器或者多通道探测器进行同时检测,通常我们用没有涂层的硅窗片置于两探测器的45°位置就可以实现分光。

其他可以实现同样功能的是传统的机械滤光片转轮的装置。它可以用非常紧凑和快速响应的小型热释电传感器(如LIE-200或者LME-300)。通常对于气体检测,通道数量可以达到8个。

最新的技术是采用内置可调节波长的热释电探测器来检测多种气体。InfraTec公司采用微机械结构的法布里-帕罗滤光片。目前有4种不同的波段类型,分别从3-10微米不等,都是封装在TO8管壳中的。并且这些探测器配有EEPROM内置校准数据存储器。

8 坏境因素

8.1 缩略语ROHS、WEEE和REACH是什么意思?

欧盟颁布了一系列保护其公民健康及环境的指令和条例,其中电子行业中最重要的包括:

欧盟指令 2011/65/EU,即RoHS = Restriction of (the use of certain) Hazardous Substances(有害物质限制)

RoHS指令限制了六种对环境有害的物质及类似物质在电气电子设备中的应用。这些物质包括:铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯(PBB)和多溴二苯醚(PBDE)。但也有一些产品类不适用于这一指令,并且对于特定的应用,存在一系列的豁免清单。在2015年,加入了其他物质(邻苯二甲酸酯)。

欧盟指令2002/96/EG,即WEEE = Waste of Electrical and Electronic Equipment(废弃电气和电子设备)

WEEE指令规定了制造商通过对报废电子电气设备的再循环使用以避免或减少废弃物的额外责任。

欧盟条例 1907/2006,即REACH = Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals(化学品注册、评估、授权和限制

REACH是关于现有化学品和化学合成物的许可、文档建立、注意事项要求及使用限制管理的条例。获得官方许可或者使用限制说明的前提是,对产品和生产过程中的“高关注度物质”进行分类。

这些指令和条例对所有欧盟成员国都具有约束力,并以国家法律的形式执行。

8.2 InfraTec的热释电探测器和生产过程是否符合ROHS,WEEE和REACH指令和条例的要求?

所有将产品投放到欧盟市场的公司,都必须保证他们的产品符合所在国的法律规定以及各项指令和条例。

InfraTec的探测器并不是RoHS指令的直接监管产品。但InfraTec作为元器件的制造商,只会使用符合要求的材料和结构,使我们的客户能够生产出完全符合RoHS指令的设备。

WEEE指令针对的是电子电气设备的再循环使用,而不是单个的元器件。因此,InfraTec的热释电探测器不属于WEEE指令的监管范围。

我们的探测器中存在的物质,或者存在的含量极少的物质,都是REACH不限制其使用的物质,或者不要求其具体信息披露的物质。

每一个发货包装都会附有一份符合RoHS指令和REACH条例的说明。

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