Auswahl pyroelektrischer Dünnschichtsensoren für die Flammendetektion und Gasanalyse

Die zunehmende Besorgnis über Treibhausgase in der Umwelt und die Notwendigkeit, die Luftverschmutzung zu messen und Brände zu erkennen, machen die Identifizierung und Messung von Gasen zu einem Bereich, der vielen ein großes Anliegen ist. Sehen wir uns an, wie Entwickler diese Probleme durch den Einsatz passiver pyroelektrischer Sensoren für die Gas- und Flammenerkennung lösen können.

Infrarot-Sensorik (IR)

Die Fähigkeit, Gase in der Umwelt wahrzunehmen, ist eine nützliche Funktion. Sie ist besonders nützlich für den Nachweis von umweltgefährdenden Gasen wie Kohlendioxid (CO₂) und Kohlenmonoxid (CO). Dieselbe Technologie kann bei der Flammendetektion eingesetzt werden, da diese Gase die Hauptbestandteile in offenen Flammen sind. Diese Gase sowie Wasserdampf, Kohlenwasserstoffe (H-Cs) wie Methan (CH₄) und einige andere haben signifikante Absorptionsspektren im mittleren Infrarotbereich.

Die IR-Strahlung hat Spektralkomponenten, die zwischen denen der Mikrowellen und des sichtbaren Lichts liegen und Wellenlängen zwischen 0,76 Mikrometern (mm) und 1 Millimeter (mm) abdecken. Dieser Bereich wird in drei verschiedene Unterregionen unterteilt: kurzwelliges oder nahes IR, das Wellenlängen von 0,76 bis 3 Mikrometer (μm) abdeckt; mittelwelliges oder mittleres IR, das im Wellenlängenbereich von 3 bis 14 μm liegt, und langwelliges oder fernes IR, das Wellenlängen von 14 μm bis 1 mm umfasst.

Die meisten der interessierenden Gase haben Absorptionsspektren im mittleren IR-Bereich (Abbildung 1).

Abbildung 1: IR-Absorptionsspitzen verschiedener Gase, die im mittleren IR-Spektralbereich auftreten. (Bildquelle: Broadcom)

Die wichtigsten Gase, die bei offenen Flammen freigesetzt werden, sind CO₂ und CO, so dass die gleiche IR-Technologie auch zur Erkennung von Flammen eingesetzt werden kann.

IR-Erfassung

IR-Strahlung kann auf verschiedene Weise nachgewiesen werden. Fotodioden können im nahen IR-Bereich eingesetzt werden. Andere herkömmliche Methoden umfassen die Verwendung von Thermosäulen, d. h. Stapeln von Thermoelementen, die auf Wärmestrahlung reagieren und eine Spannung erzeugen, die proportional zur Temperaturänderung durch die IR-Energie ist.

In jüngerer Zeit werden Sensoren, die sich den pyroelektrischen Effekt zunutze machen, in den mittleren bis langen IR-Spektren eingesetzt. Der pyroelektrische Effekt ist die Fähigkeit bestimmter kristalliner Materialien, eine Spannung über die Kristallflächen zu erzeugen, wenn sie erhitzt oder abgekühlt werden. Der Sensor kann als Kondensator betrachtet werden, der sich selbst auflädt, wenn er mit IR-Strahlung bestrahlt wird. Pyroelektrische Sensoren haben gegenüber Thermosäulen den Vorteil, dass sie eine schnellere Reaktionszeit, ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und eine höhere Empfindlichkeit haben. Fotodioden, insbesondere bei der Messung längerer IR-Wellenlängen, müssen gekühlt werden, um ein gutes SNR zu erreichen. Pyroelektrische Sensoren benötigen keine Kühlung in den mittleren und langen IR-Spektren, was ihnen einen Vorteil verschafft.

Pyroelektrische Materialien wie Bleizirkonat (PZT) oder Lithiumtantalat (LiTaO₃) können zur Herstellung von IR-Sensoren verwendet werden. Sie können in Rohform oder als Dünnschicht-Hybridstrukturen verwendet werden. Pyroelektrische Bauelemente aus Rohmaterial weisen im Allgemeinen eine schlechtere Empfindlichkeit und ein schlechteres SNR im Vergleich zu Bauelementen auf der Grundlage von Dünnschichttechniken auf.

Pyroelektrische Dünnschichtsensoren enthalten im Allgemeinen einen Verstärker mit hoher Verstärkung zur Pufferung der pyroelektrischen Bauteile (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Gehäuse eines pyroelektrischen Dünnschichtsensors umfasst den Sensorchip, einen Verstärker mit hoher Verstärkung und einen integrierten optischen IR-Filter. (Bildquelle: Broadcom)

Der Verstärker ist als rauscharmer CMOS-Operationsverstärker (Operationsverstärker) mit einem Rückkopplungswiderstand von bis zu 10 Gigaohm (GΩ) ausgeführt. Das Ausgangssignal ist auf die Hälfte der Versorgungsspannung zentriert. Der Sensor bietet ein stabiles, schnelles Ansprechverhalten, das über einen breiten Frequenzbereich funktioniert.

Der optische Filter wird verwendet, um den Wellenlängenbereich zu begrenzen, auf den der Sensor anspricht. Diese Filter stimmen den Sensor im Wesentlichen auf bestimmte IR-Wellenlängen ab.

Anwendungen für pyroelektrische Dünnschichtsensoren

Pyroelektrische Dünnschichtsensoren im mittleren IR-Bereich werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Flammendetektion und Gasanalyse, Brennstoff- und Ölanalyse, Lebensmittelsicherheit und Umweltüberwachung.

Bei Anwendungen zur Flammenerkennung messen die IR-Sensoren die von der Flamme ausgehende IR-Strahlung. Die Flamme enthält heiße Gase wie CO₂ und CO. Die Flamme und ihre Gashülle sind nicht statisch; sie flackern mit Frequenzen, die typischerweise zwischen 1 und 15 Hertz (Hz) liegen. IR-Sensoren überwachen den Spektralbereich der emittierten Gase mit der Flackerrate und ermöglichen so eine präzise Erkennung der offenen Flamme.

Die wichtigsten Merkmale für die Flammenerkennung sind das Sichtfeld (FoV) und der dynamische Bereich, der durch das SNR angegeben wird. Diese Parameter sollten so groß wie möglich sein. Die Flammendetektion wird durch die Flammenquelle selbst angeregt und verwendet im Allgemeinen nur einkanalige IR-Sensoren.

Die IR-Gasanalyse basiert auf der Absorption einer IR-Quelle durch das ausgewählte Gas. Das Verfahren wird als nichtdispersive IR-Spektroskopie (NDIR) bezeichnet. Ein IR-Strahler ist die Quelle für breitbandige IR-Energie, die die Absorptionswellenlänge einschließt. Es werden zwei IR-Sensoren verwendet, von denen einer gefiltert wird, um die Absorptionswellenlänge des ausgewählten Gases zu messen, während ein zweiter Sensor bei einer Nicht-Absorptionswellenlänge gefiltert wird, um ein Referenzsignal zu liefern (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt ein vereinfachtes Diagramm eines Gasanalyseaufbaus, der pyroelektrische Dünnschichtsensoren verwendet. (Bildquelle: Broadcom)

Eine gepulste Schwarzkörperquelle, die mit einer Frequenz von 30 bis 100 Hz moduliert wird, füllt die Gasröhre mit einem geeigneten Bereich von IR-Wellenlängen. Die Gase in der Röhre absorbieren die IR-Energie aufgrund ihrer atomaren Struktur. So absorbiert CO₂ beispielsweise Energie mit einer Wellenlänge von 4,26 μm. Eine nahe gelegene Wellenlänge von 3,9 μm, die nicht vom CO₂ absorbiert wird, wird als Referenzwellenlänge gewählt. Der Referenzkanal überwacht alle Schwankungen in der Leistung der IR-Quelle. Um Interferenzen zu reduzieren, schränkt ein optischer Sperrfilter den Wellenlängenbereich, der von den Sensoren wahrgenommen wird, auf die Wellenlängen ein, die mit der Gasabsorption und der Wellenlänge des Referenzkanals verbunden sind.

Die vier am häufigsten überwachten Gase sind Sauerstoff (O), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO₂) und Stickoxid (NO). IR-Sensoren bieten erhebliche Vorteile gegenüber alternativen Methoden, darunter eine lange Lebensdauer, ein schnelles Ansprechverhalten, keine Notwendigkeit zur Kalibrierung und die Fähigkeit, eine breite Palette von Gasen zu erkennen und zu identifizieren.

Pyroelektrische Dünnschichtsensoren

Mit diesen Informationen ausgestattet, sind Sie vielleicht daran interessiert, Ihren eigenen pyroelektrischen Sensor zu entwickeln. Falls Sie sich fragen, welche Komponenten verfügbar sind: Broadcom bietet handelsübliche IR-Sensoren an, die auf seiner eigenen PZT-IR-Dünnschichttechnologie basieren. Es werden sowohl analoge Einkanal- als auch Zweikanal-IR-Detektoren angeboten, die für diskrete Wellenlängen im mittleren IR-Bereich empfindlich sind und sowohl für die Flammendetektion als auch für Gasanalyseanwendungen vorgesehen sind.

Die Sensoren sind in TO-39-Gehäusen untergebracht und eignen sich gut für den Außeneinsatz in der Schwerindustrie, der Öl- und Gasindustrie, der Infrastruktur und dem Forstschutz, wo dies neben dem Sichtfeld (FoV) und dem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eine wichtige Eigenschaft ist (Abbildung 4).

Abbildung 4: Beispiele für das TO-39-Gehäuse der ein- und zweikanaligen pyroelektrischen Dünnschichtsensoren. (Bildquelle: Broadcom)

Die Sensoren haben eine Nennempfindlichkeit von 150.000 Volt pro Watt (V/W) und weisen einen SNR von 10.000 auf. Alle Sensoren arbeiten mit einer Versorgungsspannung zwischen 2,7 und 8 Volt und haben einen Betriebstemperaturbereich von -40°C bis +85°C (Tabelle 1).

Einkanalige pyroelektrische Dünnschichtsensoren

Zweikanalige pyroelektrische Dünnschichtsensoren

Tabelle 1: Dargestellt sind die wichtigsten spektralen Eigenschaften der ein- und zweikanaligen pyroelektrischen Dünnschichtsensoren von Broadcom. (Tabellenquelle: Art Pini)

Die Wellenlängengrenzen der verwendeten optischen Filter werden durch die Mittenwellenlänge und entweder die Halbwertsbreite des Filters oder die untere und obere Grenzwellenlänge des Bandpassfilters bestimmt. Zweikanalmodelle für Gasanalyseanwendungen sind gefiltert, um bestimmte Gase sowie eine benachbarte Referenzwellenlänge zu erkennen. Der Zweikanal-Sensor AFBR-S6PY0234 verfügt beispielsweise über ein auf 4,26 µm gefiltertes Analysefenster für die CO₂-Detektion und ein Referenzfenster mit einer Wellenlänge von 3,91 µm, die in die Lücke zwischen den in Abbildung 1 dargestellten Absorptionsspitzen für CO und CH₄ fällt. Außerdem hat er eine schnelle Zeitkonstante von 12 Millisekunden (ms) für eine schnelle Flammenerkennung.

Die Anbindung der Sensoren ist relativ einfach; ein einfacher nicht-invertierender Verstärker sorgt für eine Bandpass-Verstärkung, um die nachfolgenden Schaltungen ausreichend zu versorgen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Schematische Darstellung einer einfachen Verstärker-Schnittstelle für einen zweikanaligen pyroelektrischen IR-Dünnschichtsensor. (Bildquelle: Broadcom)

Dieser Verstärker bietet eine Spannungsverstärkung von 25 Dezibel (dB) für die AC-Komponente des Sensorausgangssignals über einen Bandpass-Frequenzbereich von 1 bis 50 Hz. Bei Gleichstrom (0 Hz) ist der Verstärker ein Spannungsfolger mit Einheitsverstärkung. Oberhalb von 50 Hz sinkt der Ausgangspegel langsam wieder auf die Einheitsverstärkung.

Fazit

Wenn Sie nach einer Gasmesslösung suchen, sind die analogen Sensoren von Broadcom einfache Komponenten mit einer geringen Anzahl von Bauteilen in Ein- oder Zweikanal-Konfigurationen. Sie zeichnen sich durch leistungsstarke Spezifikationen aus, die in ihrer pyroelektrischen PZT-Dünnschichtkonstruktion enthalten sind. Dazu gehören die Strommessung mit einer Ansprechempfindlichkeit von 150 kV/W, ein stabiles Ansprechverhalten über den gesamten Flammenflackerbereich von 3 bis 15 Hz, eine schnelle Zeitkonstante von 12 ms für eine schnelle Flammenerkennung und ein hohes SNR von 10.000. Ihre hohe Empfindlichkeit unterstützt niedrigere Betriebsleistungen für eine längere Lebensdauer der IR-Quellen und macht sie zu idealen Komponenten für Gas- und Flammendetektionssysteme.