Πτυχιακή Εργασία με Θέμα: ΑΝΩΤΑΤΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ & ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ Πτυχιακή Εργασία με Θέμα: Αισθητήρες Υπέρυθρης Ακτινοβολίας (IR). Τύποι αισθητήρων, απόδοση, προσομοίωση χαρακτηριστικών τους και εφαρμογές. Δημιουργία διεπαφής (interface) επιλογής του βέλτιστου αισθητήρα για συγκεκριμένη εφαρμογή από βιβλιοθήκη αισθητήρων και παρουσίαση μιας ολοκληρωμένης εφαρμογής IR αισθητήρα στη βιομηχανία. Επιβλέπων Καθηγητής: Δρ Ευάγγελος Δημητριάδης Εκπόνηση Εργασίας από την σπουδάστρια: Καφετζή Κυριακή με ΑΕΜ 611 Σέρρες, Νοέμβριος 2009

Παρουσίαση αισθητήρων IR

Υπέρυθρη ακτινοβολία Από το 1800, όταν ανακαλύφθηκε το τμήμα του οπτικού φάσματος που αποκαλούμε υπέρυθρο, η υπέρυθρη ακτινοβολία χρησιμοποιείται κυρίως μέσω της τεχνολογίας των υπέρυθρων αισθητήρων. Όλα τα αντικείμενα με θερμοκρασία μεγαλύτερη των 0 Κ εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία. Για παράδειγμα, ένας άνθρωπος (37ο, 310 Κ) εκπέμπει υπέρυθρη ακτινοβολία με μήκος κύματος που φτάνει τα 10 μm.

Υπέρυθρη ακτινοβολία (ΙΙ) Οι υπέρυθρες εκπομπές είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μεγαλύτερο μήκος κύματος από το ερυθρό φως. Το μήκος κύματος τους εκτείνεται στο εύρος 0.75-1000 μm. Περιοχή Μήκος κύματος (μm) Κοντά στις IR 0.78 – 1 Μικρό μήκος 1 - 3 Μέσο μήκος 3 – 6 Μεγάλο μήκος 6 – 15 Πολύ μεγάλο μήκος 15 - 1000

Αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας Οι αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι μετατροπείς της ακτινοβολούσας υπέρυθρης ενέργειας των αντικειμένων. Καθώς οι υπέρυθρες εκπομπές δεν βασίζονται στο ορατό φως, επιτρέπουν την ικανότητα όρασης σε δύσκολες συνθήκες όπως το σκοτάδι. Η ανιχνευόμενη ενέργεια απεικονίζεται σαν διαφορά ενέργειας ανάμεσα στα αντικείμενα. Θερμά αντικείμενα, όπως οι άνθρωποι, ξεχωρίζουν από το ψυχρότερο background, ανεξάρτητα από το ορατό φως.

Αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας (ΙΙ) Έτσι, οι άνθρωποι είναι ορατοί στο σκοτάδι, οι αδυναμίες είναι ορατές στις κατασκευές, εξαρτήματα που είναι προς κατάρρευση εντοπίζονται και η ορατότητα είναι δυνατή σε συνθήκες καπνού ή ομίχλης.

Κατηγορίες υπέρυθρων αισθητήρων Οι αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίες χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες: τους θερμικούς αισθητήρες και τους αισθητήρες φωτονίων (photon) ή κβαντικούς αισθητήρες (quantum). Οι θερμικοί αισθητήρες αντιδρούν στις θερμοκρασιακές αλλαγές που παράγονται από στιγμιαίες εκπομπές υπέρυθρης ακτινοβολίας. Οι αισθητήρες φωτονίων παράγουν ηλεκτρικά φορτία μέσω της αλληλεπίδρασης με φωτόνια ή ομάδες ηλεκτρονίων. Κάθε μεγάλη κατηγορία περιλαμβάνει υποκατηγορίες αισθητήρων.

Κατηγορίες υπέρυθρων αισθητήρων (ΙΙ)

Θερμικοί αισθητήρες Η απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας θερμαίνει τον αισθητήρα και αλλάζει διάφορα φυσικά ή ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του, τα οποία μπορούν να μετρηθούν. Λόγω της αλλαγής θερμοκρασίας, η απόκριση είναι σχετικά αργή και η ευαισθησία μικρότερη. Λειτουργούν σε θερμοκρασία δωματίου και καλύπτουν μεγάλο εύρος του φάσματος. Ο χρόνος απόκρισης και η ευαισθησία επηρεάζονται από τις δυνατότητες της δομής του αισθητήρα και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας.

Θερμοζεύγη Διαμορφώνονται από τον συνδυασμό δυο ανόμοιων μετάλλων που δημιουργούν τάση στα σημεία σύνδεσης τους. Η τάση είναι ανάλογη της θερμοκρασίας στα σημεία επαφής. Η ροή υπέρυθρης ακτινοβολίας αυξάνει την θερμοκρασία στον αισθητήρα, η οποία ανιχνεύεται από την διαφορά τάσης.

Θερμοζεύγη (ΙΙ) Για ανίχνευση ιδιαίτερης ευαισθησίας, το θερμοζεύγος πρέπει να είναι θερμικά αποκλεισμένο από το περιβάλλον του. Για ανίχνευση με μικρό χρόνο απόκρισης, το θερμοζεύγος πρέπει να έχει την δυνατότητα να αναπτύσσει θερμότητα γρήγορα. Το πρόβλημα του συνδυασμού των δυο στοιχείων είναι δεδομένο σε όλους τους αισθητήρες ενέργειας. Μια θερμοπύλη είναι μια σειρά από θερμοζεύγη που είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους για την επίτευξη αυξημένης δυνατότητας απόκρισης.

Πυροηλεκτρικοί αισθητήρες Αποτελούνται από φορτισμένα υλικά, τα οποία αλλάζουν πολικότητα κατά τις αλλαγές θερμοκρασίας. Συνήθως χρησιμοποιούν ένα μονοκρύσταλλο LiTaO, του οποίου η επιφάνεια είναι πάντοτε φορτισμένη με ιόντα που εξισορροπούν το φορτίο του κρυστάλλου. Όταν το επίπεδο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας αυξάνεται, ο κρύσταλλος απορροφά περισσότερη ακτινοβολία και η θερμοκρασία του αυξάνει. Η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει την πόλωση του κρυστάλλου και έτσι η τάση του αυξάνεται μέχρι να εξισορροπηθεί και πάλι το φορτίο επιφάνειας. Αντίστροφη είναι η διαδικασία όταν η ακτινοβολία μειώνεται.

Πυροηλεκτρικοί αισθητήρες (II) Εξηγείται στην προηγούμενη διαφάνεια

Αισθητήρες φωτονίων ή κβαντικοί Μετατρέπουν φωτόνια απευθείας σε ελεύθερα ηλεκτρικά φορτία, διεγείροντας ηλεκτρόνια μέσα στο ενεργειακό κενό του ημιαγωγού. Αυτό προκαλεί τάση ή αλλαγή στην αντίσταση του αισθητήρα. Η ευαισθησία των αισθητήρων αυτών βασίζεται στην φασματική απορρόφηση και φωτοδιέγερση. Η θερμοκρασία του αισθητήρα πρέπει να διατηρείται χαμηλή ώστε να μην υπάρχουν διεγέρσεις φορτίων λόγω θερμότητας. Αυτό επιτυγχάνεται με το σύστημα Dewars (θερμός).

Φωτοαγώγιμοι αισθητήρες Είναι αισθητήρες με ημιαγωγούς, οι οποίοι χρησιμοποιούν το φαινόμενο της φωτοαγωγιμότητας, κατά το οποίο το φως που προσπίπτει στο φωτοαγώγιμο υλικό μειώνει την αντίσταση του. Στο σκοτάδι, η αντίσταση του αισθητήρα είναι πάρα πολύ υψηλή και οφείλεται σε ένα κενό ζώνης (band gap). Η αντίσταση μειώνεται όσο αυξάνεται η ένταση του προσπίπτοντος φωτός. Υλοποιούνται με υλικά όπως PbS(1-3 μm), PbSe(1-4.5 μm) και HgCdTe(2-12 μm).

Φωτοαγώγιμοι αισθητήρες (II)

Φωτοδίοδοι Ένα εισερχόμενο φωτόνιο παράγει μια τάση σε μια ημιαγώγιμη επαφή (φωτοβολταϊκό φαινόμενο). Τα φωτόνια δημιουργούν ελεύθερους φορείς (ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών), οι οποίοι κινούνται λόγω των τοπικών πεδίων, που οφείλονται σε διαφορά στον εμπλουτισμό (επαφή ημιαγωγού με ημιαγωγό), σε διαφορά στην σύσταση ή και στα δυο. Κύριοι τύποι φωτοδιόδου είναι: Φωτοδίοδος με επαφή p-n Φωτοδίοδος τύπου ΡΙΝ Φωτοδίοδος τύπου Schottky Φωτοδίοδος χιονοστιβάδας

Φωτοδίοδοι (ΙΙ) Παρουσιάζουν χαμηλά επίπεδα θορύβου. Υλοποιούνται με υλικά όπως Si, Ge(0.6-0.9 μm), GaAs, InSb(2-5.5 μm), InAs(1-3 μm) και MCT.

Πλεονεκτήματα φωτοδιόδων Μεγαλύτερη ευαισθησία Ταχύτερος χρόνος απόκρισης Μικρότερο μέγεθος Καλύτερη σταθερότητα Άριστη γραμμικότητα

Σύγκριση τύπων αισθητήρων Παράμετρος Κβαντικοί αισθητήρες Θερμικοί αισθητήρες Χρόνος απόκρισης Γρήγορος Αργός Εύρος φάσματος Στενό και επιλεκτικό Ευρύ Ευαισθησία Υψηλή Χαμηλή Θερμοκρασία λειτουργίας Χαμηλή και συγκεκριμένη Δωματίου Κόστος Μεγάλο Μικρό Απαιτήσεις Σύστημα ψύξης Περιοριστής φάσματος

Κατηγορίες εφαρμογών υπέρυθρης ακτινοβολίας Κατηγορίες εφαρμογών υπέρυθρης ακτινοβολίας

Κατηγορίες εφαρμογών υπέρυθρης ακτινοβολίας (ΙΙ) Κατηγορίες εφαρμογών υπέρυθρης ακτινοβολίας (ΙΙ) Imaging systems (Συστήματα Απεικόνισης): Δημιουργία εικόνας από την υπέρυθρη ακτινοβολία που εκπέμπουν τα αντικείμενα. Measuring systems (Συστήματα Μέτρησης): Καταγραφή φυσικών μεγεθών με την χρήση της υπέρυθρης ακτινοβολίας, όπως θερμόμετρα, ραδιόμετρα, μέτρα για ταχύτητα, υγρασία κτλ. Detection, search and tracking systems (Συστήματα ανίχνευσης και εντοπισμού): Ανίχνευση και εντοπισμός στρατιωτικών στόχων, εισβολέων σε ασφαλισμένους χώρους, χημικά και βιολογικά συστατικά μέσα σε στερεά, υγρά και αέρια.

Κατηγορίες εφαρμογών υπέρυθρης ακτινοβολίας (ΙΙΙ) Κατηγορίες εφαρμογών υπέρυθρης ακτινοβολίας (ΙΙΙ) Communication systems (Συστήματα επικοινωνίας): Επικοινωνία μέσω ασύρματης υπέρυθρης εκπομπής ή μέσω οπτικών ινών. Sources (Πηγές): Χρήση υπέρυθρου λέιζερ για βιομηχανικές λειτουργίες. Countermeasures (Αντίμετρα): Στρατιωτικοί μηχανισμοί για την αντιμετώπιση απειλών σε μορφή υπέρυθρης ακτινοβολίας (π.χ. τεχνολογία stealth)

Μήκος κύματος και εφαρμογές υπέρυθρης ακτινοβολίας Μήκος κύματος και εφαρμογές υπέρυθρης ακτινοβολίας Στο διάστημα 0.78-3 μm χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως επικοινωνίες μέσω οπτικών ινών, παρατήρηση χώρων και χημικές αναλύσεις. Στο διάστημα 2-5 μm συναντώνται εφαρμογές όπως η καταγραφή θερμοκρασίας χωρίς επαφή, η θερμική απεικόνιση και η ανάλυση αερίων για τον έλεγχο της μόλυνσης. Το διάστημα των LWIR (8-15 μm) προορίζεται για την ανώτατη θερμική εκπομπή των αντικειμένων και χρησιμοποιείται για ανίχνευση μέσω δύσκολων συνθηκών, όπως η σκόνη και ο καπνός. Επίσης, έχει υψηλή διεισδυτικότητα στην ατμόσφαιρα. Τέλος, τα μεγάλα μήκη κύματος (30-1000 μm) χρησιμοποιούνται κυρίως για άντληση πληροφοριών στην επιστήμη της αστροφυσικής.

Εφαρμογές (Ι) Ανιχνευτές φωτιάς: Οι φλόγες εκπέμπουν φως μέχρι και το φάσμα των υπέρυθρων και ένας φωτοαγώγιμος αισθητήρας μπορεί να τις ανιχνεύσει. Αναλυτές αερίων: Τα αέρια έχουν την ιδιότητα να απορροφούν σε κάποιο βαθμό τις υπέρυθρες ακτινοβολίες. Έτσι, ο αισθητήρας μπορεί να καταγράψει την σύσταση και την πυκνότητα ενός αερίου.

Εφαρμογές (ΙΙ) Συσκευές απεικόνισης: Δίνουν μια θερμική εικόνα του αντικειμένου. Υλοποιούνται συνήθως με κάμερες. Χρησιμοποιούνται σε πολλές περιπτώσεις, όπως: Ιατρική θερμογραφία σώματος Επιστημονικές μελέτες, όπως ανάλυση εδάφους, αέρα, μετεωρολογική ανάλυση κτλ. Βιομηχανική χρήση, όπως σε αυτοκινητοβιομηχανίες για την κατανομή θερμότητας στο όχημα και προβληματικά σημεία στον σκελετό, τον έλεγχο ηλεκτρικών κυκλωμάτων κτλ. Ανθρώπινο σώμα: Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ανθρώπινης παρουσίας σε περιπτώσεις παραβίασης της ασφάλειας, ή σε περιπτώσεις αυτόματων θυρών ή ενεργοποίησης φώτων.

Αναφορές R,C.Hudson and J.W.Hudson. Benchmark papers in optics, Dowdsen,Hutchinson and Ross,Inc,1967. Prof. U. B. Desai. INFRA RED DETECTORS, M. Tech Credit Seminar Report, Electronic Systems Group, EE Dept, IIT Bombay, submitted Oct o4. J.W.Gardner. Μικροαισθητήρες. Αρχές και εφαρμογές. Εκδόσεις Τζιόλα , 2000. P.Elgar. Αισθητήρες μέτρησης και ελέγχου. Εκδόσεις Τζιόλα , 2003.

Αναφορές (ΙΙ) A.Rogalski and K.Chrzanowski, Infrared detection and devices, Opto-electronics review 10(2),(2002). J.D.Vincent,Fundamentals of infrared detectors operation and testing,John Wiley and sons,1990. Hamamatsu. Characteristics and use of infrared detectors. Technical information SD-12.