Компактні ІЧ випромінювачі. Потужні та ефективні

03.04.2020

Сегменти застосування недисперсійних інфрачервоних датчиків (NDIR) та датчиків фотоакустичної спектроскопії (PAS) швидко зростають у всьому світі.
Зростання пояснюється збільшенням попиту на моніторинг та контроль, а також можливістю переходу від класичних методів до інфрачервоних застосувань, коли потрібна селективність по газу, тривалий термін експлуатації та висока точність.
Однією з провідних тенденцій в галузі є постійна мінімізація розмірів та оптимізація сенсорних блоків для обслуговування нових сегментів ринку. Мініатюризація підвищує вимоги до виробників компонентів і потребує інноваційних та індивідуальних рішень.

Типова NDIR або PAS установка складається з інфрачервоного випромінювача світла, індивідуального для газу селективного смугового фільтру та піроелектричного або відповідно термопілового детектору для п’єзомікрофону PAS. У різних застосуваннях вбудовуються багатоканальні детектори, або у якості еталону, або для вимірювання кількох газів. Датчики різняться за ціною і продуктивністю, наприклад мають особливе детектування, але однакову чутливість по всьому інфрачервоному діапазону.

Сенсорні блоки, зазвичай, використовуються роками, і тому значна кількість часу і сил витрачається на кваліфікацію та проведення випробувань для всього строку експлуатації. Очевидною перевагою є вибір джерела світла, що підходить для декількох датчиків. Характеристики ІЧ джерела для універсального використання - це висока випромінювальна здатність в усьому діапазоні довжин хвиль, висока оптична потужність, велика глибина модуляції на більш високих частотах, тривалий термін експлуатації та компактний розмір (мал. 1 та 2). Якщо ці вимоги будуть дотримані, то для точного налаштування смугового фільтру та оптичного шляху необхідно лише адаптувати конструкцію датчика до інших газів та застосувань. Таким чином, місяці чи роки випробувань можуть бути збережені.

Spectral emissivity.jpg

Малюнок 1, Малюнок 2: Висока емісійна здатність і тривалий термін експлуатації забезпечують чудову платформу для NDIR газоаналізаторів

Іноді менше - краще

Мінімізація розміру MEMS ІЧ випромінювача має переваги та недоліки. Очевидним недоліком є менша, активна поверхня: відповідно до закону Штефана-Больцмана, потужність випромінювання лінійно пропорційна площі, і, таким чином, зменшення розміру чипу, при збереженні однакового температурного профілю, зменшує оптичну потужність. До переваг, з іншого боку, відносяться зменшення фізичного розміру, підвищення електричної ефективності та велика глибина модуляції на більш високих частотах.

Очевидною перевагою, отриманою від чипу меншого розміру, є відношення розміру чипу до зовнішнього діаметра відбивача: світло від точкового джерела можна направляти вперед із значно більшою ефективністю, особливо якщо враховувати типові діаметри газової кювети, від двох до чотирьох міліметрів, і типові високоінтегровані багатоканальні ІЧ детектори з невеликим полем огляду.

Малюнок 3:
Різні можливості відбивача для малих ІЧ випромінювачів. Ліва сторона показує джерело Axetris EMIRS50 з відбивачем 6, а права - з відбивачем 7.

Зниження споживання електроенергії з меншими датчиками

Загальне споживання електроенергії меншим датчиком набуває вирішального значення, коли датчики є портативними або живляться від батареї. Оскільки ІЧ випромінювач суттєво впливає на споживання енергії, потрібні ефективні випромінювачі з невеликою активною площею. Технологія Axetris EMIRS дозволяє працювати з коротким робочим циклом, знижуючи енергоспоживання нижче 10 мВт. Крім того, висока часова роздільна здатність може бути досягнута шляхом живлення джерел EMIRS50 напругою з частотою до 100 Гц. Втрати глибини модуляції, внаслідок високої частоти, можуть бути компенсовані збільшенням вхідної потужності і напруги (мал. 5). Крім того, збільшення співвідношення сигнал/шум може бути досягнуто при роботі ІЧ джерела з робочим циклом нижче 15% на дуже високій частоті в поєднанні з компенсованою вхідною потужністю.

modulation depth.jpg

Малюнок 4: Значно більша глибина модуляції EMIRS50 порівняно з більшим EMIRS200

Малюнок 5:
Шляхом компенсації вхідної потужності або напруги при підтримці пікової температури мембрани, глибина модуляції може бути значно збільшена

Великий обсяг, малі датчики

Багато нових сегментів ринку з великими обсягами доступні лише з певними цінами для кінцевих споживачів. Це встановлює чіткі граничні умови для кожного постачальника. Компанією Axetris були зроблені численні кроки для задоволення конкретних потреб, і як показано на малюнку 6, були виконані значні дії по зниженню витрат. У результаті, для задоволення майбутніх потреб вже доступні повністю протестовані продукти у вигляді чипів для SMD монтажу.

Chip scaling.jpg

Малюнок 6: Масштабування чипів для досягнення цільового показника витрат для застосувань з великими обсягами

Невеликий, швидкий

Зменшення розмірів випромінювачів означає зменшення теплової маси. Охолодження та нагрівання відбувається швидше, що дозволяє ІЧ джерелу працювати на більш високих частотах. Глибина модуляції, тобто фактичний сигнал від детектора, тоді вище з певної частоти порівняно з джерелом з більшою тепловою масою.

Вимоги до частоти залежать від застосувань: Наприклад, у капнографії вимоги високі. Щоб отримати якісні дані для капнограми життєво важливо отримувати від 30 до 100 точок вимірювання в секунду. З цієї причини необхідний випромінювач, який надійно працює при високій частоті дискретизації. З EMIRS50 Axetris надає ІЧ джерело, яке здатне випромінювати дивовижно швидко: глибина модуляції перевищує 60% при частоті 100 Гц (мал. 4).

Порівняльне вимірювання, показане на малюнку 7, було виконано великим джерелом Axetris EMIRS200 з відбивачем 1 та меншим EMIRS50 з відбивачем 6 для вивчення їхніх характеристик: сканування частоти проводилося на відстані 20 мм від кінця відбивача до детектора. Більш великий EMIRS200 має чіткі переваги в діапазоні частот нижче 17 Гц. Однак, коли частота вище 17 Гц, значно менший EMIRS50 демонструє явні переваги та більшу інтенсивність.

comparison measurement.jpg

Малюнок 7: При частоті вище 17 Гц EMIRS50 з відбивачем 6 забезпечує більшу інтенсивність по відношенню до EMIRS200 з відбивачем 1 на ІЧ детекторі (дійсне для відкритого шляху)

Маленький та ефективний

Щоб вимірювальна система забезпечувала малий час відгуку, газообмін також повинен бути швидким, а простір, який потрібно заповнити, повинен бути якомога меншим. Для отримання примусового потоку через датчики часто використовують геометрію замкнутої відбиваючої кювети (мал. 9). Діапазон вимірювання та нижня межа виявлення (в залежності від коефіцієнту поглинання газу) разом із використаними детектором та ІЧ випромінювачем визначають довжину кювети. Діаметр кювети повинен бути якомога меншим, але це залежить від зв'язку ІЧ випромінювача та детектора.

За допомогою спеціальних відбивачів Axetris все світло від невеликого випромінювача може бути спрямоване на кювету діаметром 3 мм (мал. 8). Кутовий розподіл оптимізовано з урахуванням форми відбивача. Оскільки властивості смугового фільтра залежать від кута падіння світла, потрібно або виміряти фактичну продуктивність смугового фільтру за допомогою спектрометру, або змоделювати очікувану продуктивність.

coupling efficiency.jpg

Малюнок 8: EMIRS50 з відбивачем 7 з підвищеною ефективністю зв’язку порівняно з EMIRS200 з відбивачем 2

У компактних дифузійних датчиках часто використовуються багатопрохідні пристрої (мал. 10), щоб підтримувати низький об'єм повітря і досягати достатньої довжини поглинання газу. Для таких пристроїв потрібні добре колімовані та сфокусовані ІЧ випромінювачі, щоб спрямувати більшу частину ІЧ випромінювання через оптичну систему. Малогабаритні, високоефективні відбивачі EMIRS50 забезпечують значне підвищення продуктивності для такої вдосконаленої та високопродуктивної конструкції датчику.

cuvette design.jpg

Малюнок 9 і 10: Класична конструкція кювети для широкодіапазонних проточних комірок, що забезпечує дуже компактні дифузійні сенсорні рішення

Порівнюючи продуктивність меншого ІЧ джерела EMIRS50 з більшим «стандартним» ІЧ джерелом EMIRS200, обидва з оптимізованою конструкцією відбивача, підвищення ефективності з джерелом EMIRS50 очевидне: при моделюванні газової кювети (2 х 2 мм детектор з відстанню 1 мм) з кутом падіння < 8°, 38% від загальної оптичної потужності з джерела EMIRS50 потрапляють на детектор порівняно з 8,3% від загальної оптичної потужності великого джерела EMIRS200 (мал. 8). В результаті оптична ефективність практично в п’ять разів вища з меншим ІЧ джерелом EMIRS50.

Кваліфікований та довготривало випробуваний продукт

Кожне ІЧ джерело проходить програму кваліфікації, яка фокусується на якості та надійності для його основних цільових ринків. Структура програми створена на основі AEC-Q101, в той час коли більшість стрес-тестів взяті з IEC 60601-1. Специфічні особливості ІЧ джерел (наприклад, термін експлуатації) перевіряються у відповідності до стандартів Axetris, заснованих на внутрішніх оцінках ризику і аналізі режиму відмови та наслідків (FMEA).

Висновок

Зростаючий попит на моніторинг, управління процесом та мініатюризацію датчиків потребує від виробників компонентів нових, індивідуальних рішень, таких як ІЧ джерела. Менші часто бувають швидшими, економічно вигіднішими та менше споживають енергії, що має вирішальне значення для портативних датчиків. Однак вимоги до ІЧ випромінювача залежать від області застосування, принципу датчика, оптичної геометрії та багатьох інших специфічних характеристик.

Команда Axetris співпрацює зі своїми клієнтами, щоб знайти правильну конструкцію продукту, яка найкраще відповідає їх потребам щодо продуктивності та витрат. Крім того, наша прикладна команда підтримує наших поважних клієнтів шляхом проведення оптичного аналізу та оптимізації специфічних параметрів.

Про Axetris

Пов'язані товари

Повернутися