Tecnologias de Sensores infravermelhos (ART652)

Os sensores infravermelhos são encontrados numa infinidade de aplicações eletrônicas. Podemos citar os leitores de códigos de barras, detectores de objetos ou alarmes de passagem, encoders, chaves ópticas e muito mais. O que talvez muitos leitores não saibam é que existem diversas tecnologias para a fabricação dos sensores que também levam a comportamentos diferentes em relação à radiação detectada. Nesse artigo focalizamos as principais tecnologias e suas características. Neste artigo, revisado em 2012, focalizamos as principais tecnologias encontradas nos equipamentos IR.

A radiação com comprimento de onda acima do visível, conforme mostra o gráfico da figura 1, é denominada infravermelha.

 

Gráfico das radiações
Gráfico das radiações

 

A ampla faixa da radiação infravermelha ou IR ocupa uma boa parte do espectro e, portanto das radiações magnéticas. O importante nessa informação é que os sensores que existem não podem cobrir a faixa inteira, havendo portanto de se escolher o tipo apropriado conforme a radiação, ou seja, adequar o sensor ao tipo de radiação que deve ser detectada.

Na prática existem duas categorias de sensores: térmicos e quânticos, que operam segundo princípios diferentes, conforme mostra a figura 2.

 

Categorias de sensores: quântico e térmico
Categorias de sensores: quântico e térmico

 

No sensor térmico aproveita-se a energia que a radiação transporta e que corresponde ao calor. Esse sensor detecta portanto o calor que a radiação transporta. O sensor quântico, por outro lado, aproveita a liberação de elétrons que ocorre quando a radiação atinge a superfície de um material sensível.

O segundo tipo de sensor é mais sensível estando nessa categoria os foto-diodos, foto-transistor, células foto-condutivas de chumbo ou selênio, além de detectores híbridos.

Além das características relativa à parte do espectro que pode ser detectada, também é muito importante em certas aplicações a velocidade de resposta, o que ocorre quando a radiação transporta informação. Temos então os seguintes tipos de sensores:

 

a) Fotodiodos PIN de InGaAs

Na figura 3 temos a estrutura típica de um diodo desse tipo.

 

Estrutura de um fotodiodo PIN.
Estrutura de um fotodiodo PIN.

 

Esse tipo de diodos se caracteriza pela baixa capacitância que apresenta, tendo uma elevada velocidade de resposta e baixo ruído. Os diodos PIN podem ser divididos em seis categorias.

 

* Detectores NIR (near Infrared) de Alta-performance com baixo ruído

Esses diodos padronizados possuem uma resposta espectral na faixa de 0,9 a 1,7 um, sendo disponíveis em diâmetros que variam entre -0,04 mm a 5 mm. Na figura 4 temos exemplos de diodos comerciais desta categoria.

 

Detetores NIR
Detetores NIR

 


* Fotodiodo melhorado de InGaAs para longos comprimentos de onda

Os diodos dessa catepossuem uma resposta espcetral extendida até a faixa de maiores comprimentos de onda, alcançando 1,9 um, 2,1 um e até mesmo os 2,6 um possibilitando assim a escolha do tipo apropriado a uma aplicação.

 

* Fotodiodo melhorado de InGaAs para comprimentos de onda curtos

Esses diodos proporcionam uma sensibilidade melhorada para os comprimentos de onda menores de 0,7 a 0,9 nm.

 

* Fotodiodo Pin de InGaAs com Pré-amplificador

Temos aqui um módulo que incorpora tanto o diodo sensor como o circuito amplificador. A Hamamatsu, por exemplo, fabrica tipos em invólucros TO-18, sendo usados em comunicação óptica a longa distância e outras aplicações que envolvem a radiação de intensidades pequenas de infravermelho.

 

* Sensores Infravermelhos de Imagens

Tratam-se de dispositivos que são formados por um conjunto de sensores em matriz, um sistema de refrigeração termoelétrico (Peltier, por exemplo) e um multiplexador CMOS. Na figura 5 temos sensor desse tipo da Hamamatsu.

 

 Sensores infravermelhos de imagem
Sensores infravermelhos de imagem

 

Uma aplicação para esse tipo de sensor é em espectroscopia óptica na faixa de 0,9 um a 2,6 um.

 

* Cabeça sensora InGaAs multicanal

São sensores que incorporam um circuito driver e amplificador de baixo ruído de modo a fornecer sinais de alta qualidade. Alguns módulos desse tipo incorporam um controlador de temperatura que mantém estável o funcionamento do sensor

 

b) Células PbS e PbSe

As células de sulfeto de chumbo e seleneto de chumbo são do tipo foto-condutivo, ou seja, aproveitam a liberação de elétrons que ocorre quando a radiação incide nesses materiais.

A principal característica dessas células é sua elevada velocidade de respostas e a capacidade de operar na temperatura ambiente. Algumas dessas células podem ser usadas para detectar variações da temperatura ambiente, funcionando como pirodetectores e assim minimizar ruídos em sistemas sensores.

 

c) Detectores foto-voltaicos de IInAs e InSb

Os detectores foto-voltáicos geram uma tensão com à radiação incidente, tendo por esse motivo junções PN para essa finalidade.

A faixa de comprimentos de onda com que eles podem trabalhar estão próximas das faixas com que trabalham as células PbS e PbSe, no entanto sua velocidade de resposta e também ruído são melhores do que esses detectores, o que lhes abre uma gama diferente de aplicações práticas.

Dentre as aplicações que podemos citar para esses sensores estão os analisadores de gases, espectrômetros, sistemas de sensoriamento térmico remoto, etc.

 

d) Detectores MCT

MCT vem de HgCdTe (Mercúrio - Cádmio - Telúrio) sendo detectores foto-condutivos que aproveitam a variação da condutividade do material que ocorre na incidência de radiação. Na figura 6 temos um detector desse tipo.

 

Detector foto-condutivo
Detector foto-condutivo

 

Modificando-se a dopagem dos materiais ativos usados, pode-se modificar a faixa de resposta espectral do dispositivo. Assim, existem sensores desse tipo com diferentes respostas de freqüência para a radiação infravermelha.

Esses sensores são encontrados em aplicações como termômetros radiantes, analisadores de impurezas, analisadores de gases, espectrômetros, medidores de espessura de filmes, imagem térmica, etc.

 

e) Detectores de duas-cores

Nesse detector temos um sanduiche em que um foto-diodo que também trasmite radiação infravermelha é montado sobre um detector infravermelho. Dessa forma temos dois chips em um, com a capacidade de detectar radiação de diferentes comprimentos de onda.

Dentre as aplicações para esses sensores podemos citar os monitores de laser e os medidores de espessura de filmes.

 

f) Detectores piroelétricos

Os detectores piroelétricos são formados por materiais piroelétricos como o LiTaO3. Um FET e um resistor de polarização são incluídos de modo a fornecer um sinal para um circuito externo. Na figura 7 temos sensores desse tipo.

 

Detectores piroelétricos.
Detectores piroelétricos.

 

Na janela é usado um filtro que determina a faixa de freqüências com que o sensoir opera. Esses sensores são usados em detectores de incêndios, pessoas, analisadores de gases, e termômetros radiantes.

 

Conclusão

A escolha do tipo de sensor mais apropriado para uma aplicação depende de muitos fatores, destacando-se a resposta espectral e o tipo de sinal que vai ser analisado. Sensores para detectar a simples presença da radiação são diferentes daqueles que devem extrair sinais de uma radiação modulada.

Nesse artigo demos uma breve visão dos tipos existentes, com suas

 

Leia mais:

* Sensoriamento infravermelho (ART639)

* Modulador infravermelho (CIR181)

* Controle remoto infravermelho (ART195)


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