Pyroelektrische Detektoren: Materialien, Anwendungen & Funktionsweise

Pyroelektrische Detektoren sind thermische Detektoren: Temperaturwechsel erzeugen eine Ladungsänderung auf der Ober­fläche der pyroelektrischen Kristalle, wodurch ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt wird. Durch die Absorption von Licht kann dieser Temperaturgradient erzeugt werden.

Es gibt verschiedene pyroelektrische ­Materialien, von denen drei häufig bei pyroelektrischen ­Detektoren eingesetzt werden: DLaTGS, LiTaO₃ und PZT.
Die Tabelle gibt einen Überblick über die Material­eigenschaften. Vereinfacht gesagt, bedeuten die Zahlen folgendes:

1. Der pyroelektrische Koeffizient bestimmt die Fähigkeit zur Stromerzeugung durch IR-Strahlung. Es gilt: Je größer, je besser.
2. Die Dielektrizitätskonstante bestimmt die Kapazität und beeinflusst somit das Rauschen. Im Spannungsbetrieb gilt: Je größer die Kapazität, je niedriger das Rauschen.
   Die Dielektrizitätskonstante verhält sich dazu genau umgekehrt.
3. Die spezifische Wärmekapazität bestimmt den Temperaturanstieg im Kristall aufgrund der absorbierten Strahlung. Ein geringes C_v bedeutet einen größeren Temperaturanstieg und somit mehr Signal.
4. Der spezifische AC-Widerstand ist mit den dielektrischen Verlusten gekoppelt, die wiederum eine Art Johnson-Rauschen erzeugen. Ein reines Dielektrikum würde kein Rauschen erzeugen. Je niedriger, je besser.

Um Materialien bezüglich ihrer prinzipiellen Eignung für pyroelektrische Detektoren vergleichbar zu machen, ist es sinnvoll, sie mit der Kennziffer Pyroelektrischer Koeffizient x Spezifischer AC Widerstand / Dielektrizitätskonstante x C_v zu bewerten. Die besten Werte erreichen DLaTGS und LiTaO3 – sie sind also besonders geeignet.

DLaTGS ist das Material mit der höchsten Performance (ca. 2x109 @ 10 Hz). Es ist vor allem in der labornahen IR-Messtechnik verbreitet – insbesondere in Routine-FTIR-Anwendungen. Industrieanwendungen sind aufgrund des Temperaturverhaltens weitgehend dem LiTaO₃ vorbehalten (Bild 1). PZT wird vor allem bei Consumerprodukten eingesetzt.

Die Betriebsarten der Pyros
Der IR-Kristall wird als Stromquelle mit einer parallelen Kapazität moduliert und mit weiteren elektronischen Bauelementen in einem TO-Gehäuse untergebracht. Es gibt zwei grundlegende Betriebsarten für Pyrodetektoren: den Spannungs­betrieb VM (Bild 2) sowie den Strom­
betrieb CM (Bild 3).

Spannungsbetrieb VM: Seit langem ist der JFET-basierte Spannungsbetrieb verbreitet, der jedoch entscheidende Nachteile hat und nur erfahrenen Anwendern zu empfehlen ist: Es wird ein relativ geringes Signal auf einem stark temperaturabhängigen Offset erzeugt. Doch es gibt auch Vorteile dieser Betriebsweise: mit dem einfachsten Aufbau wird das höchste D* erreicht (ca. 0.5x109 @ 10 Hz) und die Verstärkung ist flexibel.

Strombetrieb CM: Im Strombetrieb wird ein hohes Signal auf einem niedrigen Offset mit relativ geringer Temperaturabhängigkeit erzeugt. Für den Strombetrieb werden OPV mit nur geringer elektrischer Leistungsaufnahme benötigt. Mit dieser Variante gelingt Neueinsteigern am schnellsten eine Produktentwicklung. Die niedrige Ausgangsimpedanz führt weiterhin zu EMV-Vorteilen.

Das D* erreicht ähnliche Werte wie im Spannungsbetrieb mit einem etwas komplexeren Aufbau: Benötigt wird hierzu ein zweites blindes Detektor­element, das antiparallel geschaltet wird. Für diese Konfiguration hat sich die etwas missverständliche Bezeichnung „Temperaturkompensation“ (TC) durchgesetzt. Das Blindelement dämpft unerwünschte Signale aufgrund von Fluktuationen der Umgebungstemperatur, kompensiert jedoch keineswegs physikalisch vorgegebene Temperaturab­hängigkeiten wie z.B. in Bild 1 dargestellt. Es ist darum eher eine Signalstabilisierung, bzw. eine ­„Temperaturfluktuationskompensation“ (TFC).

Diese TFC erhöht die Performance im Strom­betrieb; im Spannungsbetrieb wird sie jedoch halbiert. Das liegt daran, dass die TFC im Strombetrieb die Neigung zu Eigenschwingungen dämpft und so eine höhere Verstärkung erlaubt.

LASER COMPONENTS Produktprogramm
Die LASER COMPONENTS Pyro Group fertigt Pyrodetektoren sowohl auf DLaTGS- als auch auf LiTaO₃-Basis. Alle marktüblichen Optionen von Multicolor über miniaturisierte Varianten bis hin zu mikrofoniereduzierten Detektoren sind vertreten und werden in einer Modell­offensive sukzessive verfeinert.
Ausführliche Informationen erhalten Sie von ­unseren Produktingenieuren.

Good to Know

Detektivität D*
D* gibt das Signal/Rauschverhältnis wieder für eine bestimmte elektrische Frequenz und Bandbreite, wenn 1 Watt Strahlungsleistung auf eine Fläche eines Detektors von 1 cm² trifft. Je höher der D*-Wert ist, umso besser ist der Detektor.