1 Grundlagen

1.1 Wie funktioniert ein pyroelektrischer Detektor?

Pyroelektrische Kristalle besitzen mit einer einzigen polaren Achse eine in der Kristallwelt seltene Unsymmetrie. Dadurch ändert sich ihre Polarisation mit der Temperatur. Diesen sogenannten pyroelektrischen Effekt nutzt die Sensortechnik. Dafür wird ein dünner pyroelektrischer Kristall (Pyroelektrikum) senkrecht zur polaren Achse mit Elektroden beschichtet. Auf der oberen Elektrode des Kristalls ist eine absorbierende Schicht (Schwarzschicht) aufgebracht. Trifft Infrarotstrahlung auf diese Schicht, erwärmt sich das Pyroelektrikum und Oberflächenladungen entstehen. Wird die Strahlung abgeschaltet, entstehen Ladungen umgekehrter Polarität. Die Ladungen sind jedoch sehr gering. Bevor sie sich durch den endlichen Innenwiderstand des Kristalls wieder ausgleichen können, wandeln extrem rausch- und leckstromarme Feldeffekttransistoren (JFET) oder Operationsverstärker (OpAmp) die Ladungen in eine Signalspannung um.

1.2 Beeinflusst der thermische Hintergrund den pyroelektrischen Effekt?

Nein, denn mit dem pyroelektrischen Effekt werden nur Strahlungsänderungen erfasst. Folglich ist der statische Hintergrund bereits ohne zusätzliche Signalauswertungsalgorithmen ausgeblendet.

1.3 Wie werden pyroelektrische Detektoren verwendet?

Da ein pyroelektrisches Element nur auf Änderungen der Infrarotstrahlung reagiert, muss ein pyroelektrischer Detektor immer mit einer modulierten Quelle betrieben werden. Eine Ausnahme bilden Messobjekte, die selbst eine schnell veränderliche Strahlung abgeben, wie beispielsweise Flammen. Als modulierte Quellen eignen sich zum Beispiel Miniaturglühlampen in Verbindung mit mechanischen Choppern oder elektrisch modulierte Infrarotquellen. 

1.4 Welche Anwendungsgebiete für pyroelektrische Detektoren gibt es?

Pyroelektrische Detektoren können sehr genau und langzeitstabil Infrarotstrahlung in vergleichsweise hohe Signalspannungen wandeln. Wichtige Anwendungsgebiete pyroelektrischer Detektoren sind die Bewegungsmeldung, die Gasanalyse, die Flammendetektion sowie die Spektroskopie und die Pyrometrie. Im Gegensatz zum Thermopile kann ein pyroelektrischer Detektor selbst noch bis zu Modulationsfrequenzen von einigen Kilohertz mit hoher Auflösung messen, was zum Beispiel den Einsatz in Fourier-Transform-Infrarotspektrometern ermöglicht. Kurze Laserimpulse der Größenordnung von Mikrosekunden sind noch zeitlich auflösbar. Energiemessungen von gepulster Infrarot-Laser-Strahlung sind auch bei Impulsen im Bereich von Nanosekunden mit hoher Genauigkeit möglich.

1.5 In welchem Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung können pyroelektrische Detektoren arbeiten?

Im Gegensatz zu Quantendetektoren, wie zum Beispiel Photodioden, besitzen thermische Detektoren eine sehr breite spektrale Empfindlichkeit. Pyroelektrische Detektoren sind für Strahlung, beginnend im ultravioletten Bereich (100 nm), über den sichtbaren und den infraroten Wellenlängenbereich bis hin zu Terahertzwellen (1.000 µm) empfindlich. Vorausgesetzt, der pyroelektrische Kristall besitzt eine geeignete Absorptionsbeschichtung. InfraTec verwendet zwei unterschiedliche Technologien für diese sogenannten Schwarzschichten. Für die meisten Anwendungen kommt die Polymerschwarzschicht zum Einsatz. Hergestellt in einem Waferprozess bietet sie eine temperatur- und langzeitstabile hohe Absorption von Strahlung, beginnend im ultravioletten Spektralbereich bis zum fernen Infrarot bis zu Wellenlängen von etwa 100 µm und für Modulationsfrequenzen bis zu einigen Kilohertz. Für Spezialanwendungen wurde die Metallschwarzschicht entwickelt. Mit ihrer spektral sehr homogenen Absorption eignet sie sich für anspruchsvolle Spektrometeranwendungen. Sie erfordert jedoch Einschränkungen der maximalen Betriebstemperatur auf 60 °C und ist nicht für hohe Strahlungsleistungsdichten sowie starke Vibrationen geeignet.

2 Anwendungen

2.1 Was sind die physikalischen Grundlagen der IR-Gasanalyse?

Die Molekülschwingungen vieler chemischer Verbindungen können mit Energien angeregt werden, welche im infraroten Wellenlängenbereich liegen. Diese Stoffe absorbieren deshalb Infrarotstrahlung. Das Absorptionsspektrum hängt wesentlich vom Aufbau des Moleküls und damit von den Freiheitsgraden für die Bewegung der Molekülbestandteile, ihren Massen, ihren Abständen und ihren Bindungskräften ab. Jeder solche Stoff hat deshalb ein charakteristisches Absorptionsspektrum. Zum Beispiel können beim Kohlendioxidmolekül Knick- und Streckschwingungen angeregt werden. Dazu kommen Rotationsbewegungen um verschiedene Molekülachsen, welche das Schwingungsspektrum mit einer Feinstruktur überlagern. 

2.2 Wie funktioniert die Gasanalyse mit einem Infrarotspektrometer (IR-Spektrometer)?

Ein IR-Spektrometer misst die Absorptionsspektren der Gase. Der Abgleich mit den in einer Datenbank hinterlegten Spektren ermöglicht eine qualitative, und bei Einsatz einer Referenz auch quantitative, Bestimmung des Stoffes. 

2.3 Wie funktioniert die nicht-dispersive Infrarot-Gasanalyse (NDIR-Gasanalyse)?

Für diese Form der Gasanalyse wird die spektrale Empfindlichkeit eines breitbandigen thermischen Detektors mittels eines optischen Bandpassfilters eingegrenzt. Das geschieht für den Bereich, in dem Absorptionsbanden des zu bestimmenden Gases liegen. Mit dem thermischen Detektor wird in einer definierten Anordnung die Transmission des zu messenden Gasgemisches bestimmt. Ist das gesuchte Gas nicht enthalten, trifft die meiste Infrarotstrahlung auf den Detektor und das Signal ist maximal. Nimmt die Konzentration des Gases zu, erhöht sich Absorption gemäß dem LAMBERT-BEER-schen Gesetz und das Signal verringert sich entsprechend.

2.4 Welchen Vorteil bietet die nicht-dispersive Infrarot-Gasanalyse (NDIR-Gasanalyse)?

Im Vergleich zu Infrarotspektrometern ist die NDIR-Gasanalyse deutlich kostengünstiger. Allerdings ist ihr Einsatz nur möglich, wenn die zu messenden Gase bekannt sind und ihre Anzahl gering ist. 

2.5 Für welche Gase eignet sich die nicht-dispersive Infrarot-Gasanalyse (NDIR-Gasanalyse) nicht?

Edelgase bestehen nur aus einzelnen Atomen. Zum Schwingen wird aber mindestens eine Bindung benötigt. Edelgase können deshalb mit dieser Methode nicht detektiert werden. Bei zweiatomigen elementaren Gasen wie Sauerstoff (O2) oder Stickstoff (N2) können nur wenige Schwingungsmoden durch Infrarotstrahlung angeregt werden, sodass auch hier die Methode versagt.

2.6 Welche Hauptkomponenten kennzeichnen einen NDIR-Gasanalysator?

Ein NDIR-Gasanalysator besteht aus einer elektrisch oder mechanisch modulierten Infrarotquelle, einer Gasküvette und meist aus einem pyroelektrischen Detektor. Eine Auswerteelektronik berechnet aus der Signalspannung die Gaskonzentration. InfraTec bietet eine große Anzahl von Standard-IR-Schmalbandpassfiltern (NBP) an, die optimal auf die Absorptionseigenschaften der zu messenden Gase abgestimmt sind. Die Filter werden in die Kappe des Detektors montiert, welche mit dem Detektorgrundkörper verschweißt wird. Bei mehreren zu messenden Gasen bietet sich der Einsatz von Mehrkanaldetektoren an.

2.7 Bringt ein absorptionsfreier Referenzkanal Vorteile bei der nicht-dispersiven Infrarot-Gasanalyse (NDIR-Gasanalyse)?

Ja, für NDIR-Gasanalysatoren bietet es sich an, einen Referenzkanal zu verwenden und das Signal des Gaskanals über das Quotientenverfahren auf diese Referenz zu normieren. Die optische, mechanische und elektronische Drift des Gesamtsystems verringert sich dadurch erheblich und der Zeitraum zwischen den Kalibrierungen kann deutlich verlängert werden. Die spektrale Lage dieser optischen Referenz sollte so dicht wie möglich an den Spektrallinien der zu messenden Gase angeordnet sein. Dabei kann ein Referenzkanal durchaus für mehrere Gase gemeinsam genutzt werden, wenn alle Absorptionsbanden innerhalb eines spektralen Fensters von 3 bis 5 µm oder 8 bis 12 µm liegen. Ohne optischen Referenzkanal kann die Referenzierung auch durch ein periodisch in die Küvette eingebrachtes Referenzgas, zum Beispiel Stickstoff, erfolgen.

2.8 Wie funktioniert ein Infrarot-Flammensensor?

Der pyroelektrische Detektor des Flammensensors erfasst die typische spektrale Ausstrahlung von brennenden organischen Materialien wie Holz, Erdgas, Öl oder Kunststoff. Um einen Fehlalarm durch Sonneneinstrahlung oder andere intensive Lichtquellen, z. B. die Emissionen beim Lichtbogenschweißen auszuschließen, werden zwei unabhängige Kriterien einer Flamme ausgewertet: Erstens ist eine typische Flamme durch eine Flackerfrequenz  von 1 bis 5 Hz gekennzeichnet. Zweitens enthält eine Kohlenwasserstoffflamme die Verbrennungsgase Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2). Deren Emissionsbanden liegen im infraroten Spektralbereich von 4,0 bis 4,8 µm. Um ein hohes Signal zu erhalten, nutzt man Breitbandpassfilter als Detektorfenster, die sowohl die Strahlungsemission von CO als auch von CO2 einschließen. Optional kann mit einem weiteren Kanal zusätzlich Wasser als Verbrennungsprodukt erfasst werden.

2.9 Können pyroelektrische Standarddetektoren von InfraTec selbst ohne zusätzliche Optik eine Flamme in bis zu 100 m Entfernung sicher detektieren?

Ja, speziell InfraTecs pyroelektrische Detektoren im Strombetrieb mit einer Chipgröße von (2 x 2) mm2 bzw. (3 x 3) mm2 weisen neben einem hohen Signal-Rausch-Abstand ein sehr geringes Popcorn-Rauschen auf. Das ermöglicht eine sichere Detektion.

2.10 Können pyroelektrische Detektoren ohne integrierte Verstärkungselemente in Gasanalysatoren und Flammensensoren eingesetzt werden?

Die im pyroelektrischen Kristall generierten Ladungen sind sehr gering und erfordern Vorverstärker mit extrem hohen Eingangsimpedanzen von bis zu einigen 10 GΩ. Schon bei normaler Luftfeuchtigkeit von etwa 60 % bei einer Umgebungstemperatur von 22 °C funktionieren solche Vorverstärker-Schaltungen nicht mehr störungsfrei. Der Hochohmkreis muss sich deshalb innerhalb des dicht verschlossenen Detektorgehäuses befinden. Für die Gasanalyse oder die Flammensensorik sind wegen der notwendigen Verstärkung Detektoren ohne integrierte Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (JFET) oder Operationsverstärker (OpAmp) kaum geeignet.

3 Einsatzbedingungen

3.1 Erhöht das Kühlen eines pyroelektrischen Detektors ebenso wie beim Halbleiterdetektor (z. B. PbS, PbSe, InGaSb, MCT) den Signal-Rauschabstand?

Nein, pyroelektrische Detektoren benötigen auch zur Detektion langwelliger Infrarotstrahlung von beispielsweise 14 µm keine Kühlung des pyroelektrischen Chips. 

3.2 Wodurch werden die Betriebs- und Lagertemperaturen pyroelektrischer Detektoren eingeschränkt?

InfraTec verwendet beidseitig poliertes, einkristallines Lithiumtantalat (LiTaO3) als pyroelektrisches Material. Dieses dauerhaft polarisierte Material hat einen CURIE-Punkt von ca. 620 °C und begrenzt damit den möglichen Temperaturbereich für Einsatz und Lagerung der Detektoren nicht. Einfluss haben dagegen andere Faktoren. Die obere Betriebstemperatur wird durch die Parameter der integrierten Vorverstärker begrenzt. Betriebstemperaturen über ca. 60 °C erhöhen das Detektorrauschen, da die integrierten Verstärkerkomponenten bei höherer Temperatur größere Leckströme aufweisen. Die thermomechanischen Eigenschaften des Detektorfensters sowie dessen Montagetechnologie schränken die untere und obere Lagertemperatur ein. 

3.3 Können pyroelektrische Detektoren bei Temperaturen von über 60 °C betrieben werden?

Prinzipiell ja. Das pyroelektrische Element aus Lithiumtantalat selbst begrenzt dabei die obere Betriebstemperatur praktisch nicht. Jedoch führen temperaturabhängige Restströme der integrierten aktiven Komponenten zu einer Erhöhung der Rauschanteile im Signal und zu deutlichen Einschränkungen der Dimensionierung des Impedanzwandlers. Der Sperrstrom von Sperrschicht-Feldeffekttransistoren steigt exponentiell mit der Temperatur. Für Applikationen mit Betriebstemperaturen oberhalb von 60 °C sollten deshalb Detektoren mit CMOS-Operationsverstärkern eingesetzt werden, da deren Restströme geringer sind. Da das Infrarotfenster einen dichten Verschluss des Detektorgehäuses über die gesamte Lebensdauer garantieren muss, entstehen erhebliche konstruktive und technologische Anforderungen hinsichtlich mechanischer Spannungen im empfindlichen Infrarotfenster oder im Interferenzfilterschichtsystem. Detektoren mit empfindlichen Detektorfenstermaterialien sollten generell keinen extremen Temperaturdifferenzen ausgesetzt werden. Die Datenblätter enthalten Angaben zu den jeweils zulässigen Temperaturbereichen.

3.4 Kann man durch Erwärmen eines pyroelektrischen Detektors mit empfindlichen Elementen aus Lithiumtantalat (LiTaO3) ähnlich wie bei Detektoren aus Deuteriumtriglycinsulfat (DTGS-Detektoren) das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern?

DTGS-Detektoren werden gelegentlich bei einer erhöhten Temperatur von ca. 50 °C betrieben. Kurz unterhalb des CURIE-Punkts (von etwa 60 °C für DTGS) steigt der pyroelektrische Koeffizient und somit die Signalspannung spürbar an. Dieser Vorteil geht allerdings mit einem sehr hohen Temperaturkoeffizienten einher. InfraTec verwendet LiTaO3 als Pyroelektrikum, dessen extrem hoher CURIE-Punkt von 620 °C einen minimalen Temperaturkoeffizienten im Betriebstemperaturbereich garantiert. Eine nennenswerte Signalerhöhung kann deshalb durch Erwärmung nicht erreicht werden. In Gasanalysatoren ist es jedoch üblich, den gesamten Detektorblock auf ca. 40 bis 60 °C zu heizen und bei einer stabilen Temperatur zu betreiben. Das verringert die Bildung von Kondensat und die temperaturbedingte Wellenlängendrift der Infrarotfilter.

4 Besondere Eigenschaften

4.1 Was bedeuten Mikrofonieeffekt und Beschleunigungsempfindlichkeit von pyroelektrischen Detektoren?

Alle pyroelektrischen Materialien sind physikalisch bedingt auch piezoelektrisch. Deshalb reagiert der pyroelektrische Chip eines Detektors auf Körper- und Luftschall wie ein Mikrofon oder ein Beschleunigungssensor. Dieses Phänomen wird als Mikrofonieeffekt oder Beschleunigungsempfindlichkeit bezeichnet.

4.2 Wodurch reduziert InfraTec den Mikrofonieeffekt pyroelektrischer Detektoren?

Den Luftschalleinfluss unterdrückt bereits das dichte Detektorgehäuse. Die Auswirkung des störenden Körperschalls senkt InfraTec durch eine patentierte mikromechanische Chipbefestigung (LowMicro). Als Folge wird die Störspannung so bis auf einige Prozent in allen drei Raumrichtungen kompensiert. Die Typenbezeichnung dieser Detektoren beginnt mit LME (einkanalig) oder LMM (mehrkanalig) anstelle von LIE oder LIM.

4.3 Wozu dient die thermische Kompensation des pyroelektrischen Detektors?

Da der pyroelektrische Detektor für Temperaturänderungen empfindlich ist, hat auch die Änderung der Umgebungstemperatur Einfluss auf das Messsignal und verschiebt den Arbeitspunkt. Diesen Effekt reduziert eine thermische Kompensation um etwa den Faktor 20. Dafür werden optisch inaktive pyroelektrische Elemente gegenphasig den aktiven pyroelektrischen Elementen zugeschaltet. Das Resultat ist ein deutlich stabilerer Arbeitspunkt. Zusätzlich verkürzt sich die Aufwärmzeit eines Gerätes. Das ist besonders für die Genauigkeit und Stabilität von Handmessgeräten wichtig. Die thermische Kompensation wird häufig bei Gasanalysatoren eingesetzt.

4.4 Welche Temperatureffekte kann eine thermische Kompensation nicht eliminieren?

Die thermische Kompensation verringert nicht die Temperaturdrift der eingebauten Infrarotfilter sowie den Temperaturkoeffizienten von Signalspannung und Gaskonzentrationsmessung.

5 Betriebsarten

5.1 Wie arbeitet ein pyroelektrischer Detektor im Spannungsbetrieb (voltage mode)?

Das pyroelektrische Detektorelement liefert zunächst eine Ladung, die das elektrisch auch als Kondensator wirkende Element auflädt. Die entstehende Spannung ergibt verstärkt die Signalspannung des Detektors. Die Verstärker mit ihrem hochohmigen Eingangswiderstand wirken gleichzeitig als Impedanzwandler. Als Basis dient in der Regel eine Sourcefolger-Schaltung aus Sperrschicht-Feldeffekttransistor, Gatewiderstand und externem Sourcewiderstand. Bei üblichen Modulationsfrequenzen von 1 bis 10 Hz arbeitet der pyroelektrische Detektor bereits im 1/f-Bereich oberhalb der elektrischen Zeitkonstante. Typische Signalspannungen sind einige Millivolt.

5.2 Wie arbeitet ein pyroelektrischer Detektor im Strombetrieb (current mode)?

Die vom pyroelektrischen Detektorelement gelieferte Ladung fließt innerhalb einer bestimmten Zeit über den Eingang eines Verstärkers ab und liefert damit einen vom Eingangswiderstand abhängigen Strom. Der Verstärker arbeitet als Strom-Spannungs-Wandler und liefert die Signalspannung des Detektors. Dazu wird in der Regel ein Transimpedanzverstärker, bestehend aus einem Operationsverstärker mit Feedback-Komponenten, eingesetzt. Je nach Dimensionierung der Feedback-Komponenten erzeugen pyroelektrische Detektoren, eine gleichbleibende Strahlung der Quelle vorausgesetzt, in einem weiten Frequenzbereich eine nahezu konstante Ausgangsspannung. Der Detektor arbeitet zwischen der thermischen und der elektrischen Zeitkonstante. Typischerweise entstehen Signalspannungen von einigen 100 mV.

5.3 Wodurch unterscheiden sich Spannungs- und Strombetrieb eines pyroelektrischen Detektors in der Anwendung?

Für die Leistungsfähigkeit eines pyroelektrischen Detektors ist der Frequenzgang der Signalspannung wesentlich. Dieser wird von zwei Zeitkonstanten bestimmt: Die thermische Zeitkonstante (typisch 150 ms) ergibt sich aus der thermischen Kopplung des pyroelektrischen Elementes an die Umgebung. Sie wird nicht durch die Betriebsart beeinflusst und ist deshalb für Strom- und Spannungsbetrieb identisch. Die elektrische Zeitkonstante (typisch einige s) ist im Spannungsbetrieb das Produkt aus der Kapazität des pyroelektrischen Elementes und dem Gatewiderstand. Da beide nicht frei gewählt werden können, ist eine Verkürzung der elektrischen Zeitkonstante nur bedingt möglich. Im Strombetrieb ist die elektrische Zeitkonstante das Produkt aus Feedback-Widerstand und -kapazität. Diese können weitgehend unabhängig vom pyroelektrischen Element gewählt werden (typisch < 20 ms). Frequenzgang und Signalspannung können bei Strombetriebsdetektoren deshalb in einem weiten Bereich angepasst werden. Bei typischer Dimensionierung ergibt sich eine mehr als 100 mal größere Signalspannung als bei Spannungsbetriebsdetektoren, wobei die gewünschte Signalhöhe durch den Feedbackwiderstand im Bereich von ca. 1:20 wählbar ist. Die erheblich kürzere elektrische Zeitkonstante (typisch 1 % des Spannungsbetriebes) ermöglicht kurze Einschwingzeiten der Verstärkerelektronik nach Signalsprüngen. Seit rauscharme low-power-Operationsverstärker verfügbar sind, ist auch ein vergleichbar hoher Signal-Rausch-Abstand, wie bei Detektoren im Spannungsbetrieb erreichbar.

5.4 Welche Möglichkeiten ergeben sich durch die Änderung des Gatewiderstandes eines pyroelektrischen Detektors im Spannungsbetrieb?

Die Verringerung des Gatewiderstandes eines unkompensierten pyroelektrischen Detektors im Spannungsbetrieb ist eine einfache Methode zur Stabilisierung des Arbeitspunktes bei Temperaturänderungen. Es ist eine kostengünstige Alternative zum Einsatz des thermisch kompensierten Detektors. Allerdings steigt das niederfrequente Detektorrauschen, welches umgekehrt proportional zur Wurzel des Gatewiderstandes ist, gegenüber der thermischen Kompensation deutlich an.

Ein Beispiel zeigt das deutlich: Für eine ähnliche Stabilität eines unkompensierten Detektors muss dessen Gatewiderstand etwa auf 1/16 reduziert werden, zum Beispiel von 82 GΩ auf 5 GΩ. Während die thermische Kompensation das Signal-Rausch-Verhältnis auf etwa 70 % verringert, sinkt dieses Verhältnis bei Verringerung des Gatewiderstandes auf Wurzel (1/16) = 25 %. Eine thermische Kompensation ist also bei gleicher Arbeitspunktstabilisierung, bezogen auf das Rauschen, etwa dreimal besser als die Verringerung des Gatewiderstandes.

5.5 Wie wird die Eingangsstufe der InfraTec-Detektoren mit den gewöhnlich 100 GΩ vor Feuchtigkeit geschützt?

Alle Detektoren werden hermetisch verschweißt. InfraTec verwendet dabei Stickstoff, dessen Taupunkt unter -50 °C liegt. Das IR-durchlässige Fenster bzw. das Filter wird mit einem speziell für diesen Zweck qualifizierten Klebstoff in die Gehäusekappe montiert. 

5.6 Welche Vor- und Nachteile bietet eine gepulste Infrarotquelle im Vergleich zu einem mechanischen Chopper?

Elektrisch modulierbare thermische Infrarotquellen im TO5- oder TO8-Gehäuse entsprechen dem neuesten Stand der Technik. Es gibt sie mittlerweile auch als mikromechanische Bauteile mit hoher Lebensdauer. Sie haben im Gegensatz zu einem Chopper keine bewegten mechanischen Teile. 

Das An- und Ausschalten der strahlenden Heizfläche der Infrarotquellen bewirkt jedoch neben der gewünschten Modulation der Strahlungsleistung aufgrund des planckschen Strahlungsgesetzes auch eine Modulation der spektralen Charakteristik. Als thermische Strahler haben modulierbare Infrarotquellen eine thermische Zeitkonstante, durch die je nach Typ von 3 bis 30 Hz die Modulationstiefe der Miniaturheizfläche spürbar abnimmt. Für Modulationsfrequenzen von über 100 Hz bzw. für eine exakt rechteckförmige Strahlungsmodulation empfiehlt InfraTec deshalb nach wie vor den Einsatz mechanischer Chopper.

6 Funktionsprüfung

6.1 Wie lässt sich einfach feststellen, ob ein pyroelektrischer Detektor defekt ist?

Nahezu alle pyroelektrischen Detektoren von InfraTec enthalten einen Vorverstärker, der entweder aus einem JFET-Sourcefolger oder einem CMOS-Operationsverstärker besteht. In beiden Fällen testen Sie die Funktion des Detektors durch eine Kontrolle der DC-Ausgangsspannung. Die Spannung muss im thermisch eingeschwungenen Zustand dem Wert im Messprotokoll entsprechen. Beim Sourcefolger ist eine Abweichung von ±10 % typisch, beim Operationsverstärker kann der Wert um typisch 1 mV abweichen. Außerdem darf die Spannung nur eine langsame Drift zeigen.

7 Innovative Mehrkanaldetektoren

7.1 Worin besteht der Vorteil eines pyroelektrischen Detektors mit integriertem Beamsplitter?

Beamsplitter-Detektoren sind Mehrkanaldetektoren mit nur einer einzigen Aperturöffnung, bei denen ein Array aus einer Vielzahl von Mikrospiegelflächen als interner Strahlteiler arbeitet. Die Teilung des Strahlenbündels in zwei oder vier spektrale Kanäle erfolgt erst innerhalb des Detektors. Die Apertur mit einem Durchmesser von 2,5 mm erlaubt den Einsatz von Küvetten mit sehr kleinen Abmaßen für die NDIR-Gasanalyse. Daraus resultieren sehr geringe Totvolumina des Messsystems. Mechanische Ausdehnungen im optischen System des nicht-dispersiven Infrarot-Gasanalysators, Alterungseffekte oder eventuelle Verschmutzungen wirken bei diesen Detektoren schon vor der Strahlteilung und damit in gleicher Weise auf alle Kanäle. So bleibt das Signalverhältnis zwischen den einzelnen Kanälen dauerhaft stabil.

7.2 Welche Möglichkeiten bietet InfraTec, in mehr als vier spektralen Infrarotkanälen zu messen?

Mehrkanalige Standard-Detektoren von InfraTec erfassen parallel bis zu vier spektrale Kanäle, meist drei Gaskanäle und eine Referenz. Werden mehr spektrale Kanäle benötigt, kann man unter Beibehaltung der zeitgleichen Messung in allen spektralen Kanälen die Strahlaufteilung für zwei Mehrkanaldetektoren über einen externen Beamsplitter realisieren. Im einfachsten Fall ist das ein unter 45° im Strahlengang stehender unbeschichteter Silizium-Chip.  

Eine Alternative dazu stellen klassische mechanische Filterräder dar. Sie ermöglichen in der Kombination mit einem schnellen pyroelektrischen Miniaturdetektor (zum Beispiel LIE-200 oder LME-300) trotz der Filterradmechanik sehr kompakte und zuverlässige Sensoraufbauten. In der Multigasanalyse sind bis zu acht Filterpositionen üblich. 

Die modernste Variante der vielkanaligen Gasanalyse verwendet pyroelektrische Detektoren mit einem integrierten durchstimmbaren Infrarotfilter. InfraTec setzt dabei ein mikromechanisches FABRY-PÉROT-Filter ein. Zur Auswahl stehen vier Typen mit unterschiedlichen spektralen Durchstimmbereichen 3 bis 10 µm im TO8-Gehäuse. Die Detektoren verfügen standardmäßig über einen EEPROM, der die Kalibrierdaten enthält.

8 Umweltaspekte

8.1 Was bedeuten die Abkürzungen RoHS, WEEE und REACH?

Die Europäische Union hat eine Reihe von Festlegungen zum Schutz ihrer Bürger und der Umwelt getroffen. Die für die Elektronikindustrie wichtigsten sind gegenwärtig: 

EG-Richtlinie 2011/65/EU – RoHS = Restriction of (the use of certain) Hazardous Substances; deutsch: Beschränkung (der Verwendung bestimmter) gefährlicher Stoffe.

RoHS beschränkt die Verwendung von sechs als umweltgefährlich eingestuften Stoffen und Stoffgruppen in elektrischen und elektronischen Geräten. Das betrifft Blei, Quecksilber, Cadmium, sechswertiges Chrom, polybromierte Biphenyle (PBB) und polybromierte Diphenylether (PBDE). Dabei gibt es aber einige große Produktgruppen, die nicht der Richtlinie unterliegen. Ferner gibt es eine Reihe von Ausnahmeregelungen für bestimmte Anwendungen. Im Jahr 2015 wurden weitere Stoffe (Phthalate) hinzugefügt.

EU-Richtlinie 2011/19/EU – WEEE = Waste of Electrical and Electronic Equipment; deutsch: Elektro- und Elektronikgeräte-Abfall

WEEE legt eine erweiterte Herstellerverantwortung bei der Vermeidung bzw. Verringerung von Elektronikschrott durch Rücknahme und Recycling elektrischer und elektronischer Geräte fest.

EG-Verordnung 1907/2006 – REACH = Registration, Evaluation, Authorisation and Restriction of Chemicals; deutsch: Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung von Chemikalien

REACH ist das Ergebnis der Harmonisierung des bisherigen Chemikalienrechts in Form von Zulassungs-, Dokumentations- und Informationspflichten für chemische Stoffe in Verbindung mit Nutzungsbeschränkungen für bestimmte Stoffe. Vorstufe einer notwendigen Zulassung bzw. von Nutzungsbeschränkungen ist die Einstufung als SVHC (Substance of Very High Concern; deutsch: besonders besorgniserregender Stoff) in Produkten und Herstellungsprozessen.

Diese Festlegungen sind für die Mitgliedsstaaten bindend und von diesen in nationales Recht umzusetzen.

8.2 Erfüllen die pyroelektrischen Detektoren von InfraTec sowie deren Herstellungsprozesse die Erfordernisse von RoHS, WEEE und REACH?

Alle Unternehmen, die Waren innerhalb der Europäischen Union liefern, haben die Einhaltung der auf ihre Produkte zutreffenden Richtlinien und Verordnungen bzw. der darauf basierenden nationalen Gesetze und Vorschriften zu garantieren.

InfraTec-Detektoren sind keine Geräte im Sinne der RoHS- Richtlinie. InfraTec als Komponentenhersteller verwendet aber ausschließlich solche Konstruktionen und Materialien, die unseren Kunden die Herstellung RoHS-konformer Geräte ermöglichen.

WEEE regelt die Rücknahmeverpflichtung für elektronische Geräte, jedoch nicht für deren Komponenten. Aus diesem Grund bestehen für pyroelektrische Detektoren von InfraTec keine daraus abzuleitenden Anforderungen.

Unsere Detektoren enthalten nur solche Stoffe bzw. Stoffe in solchen Mengen, die keiner Anwendungsbeschränkung und keinen besonderen Informationspflichten durch die REACH-Verordnung unterliegen.

Jede Lieferung liegt eine Konformitätserklärung bei, die auch die Aspekte von RoHS und REACH berücksichtigt.

Mit InfraTec in Kontakt treten

Möchten Sie mehr erfahren?

Nicht selten sind Aufgabenstellungen mit besonderen Anforderungen verknüpft. Besprechen Sie gemeinsam mit unseren erfahrenen Ingenieure Ihre konkrete Anwendung, erhalten Sie weiterführende technische Informationen oder lernen Sie unsere Zusatzdienstleistungen kennen.

Deutschland

InfraTec GmbH
Infrarotsensorik und Messtechnik
Gostritzer Str. 61 – 63
01217 DresdenDEUTSCHLAND