Choisir des détecteurs pyroélectriques à couches minces pour la détection de flammes et l'analyse de gaz

Les préoccupations croissantes concernant les gaz à effet de serre dans l'environnement, ainsi que la nécessité de mesurer la pollution atmosphérique et de détecter les incendies, font de l'identification et de la mesure des gaz un domaine d'intérêt majeur pour de nombreuses personnes. Voyons comment les concepteurs peuvent répondre à ces préoccupations en utilisant des détecteurs pyroélectriques passifs adaptés à la détection des gaz et des flammes.

Détection infrarouge (IR)

La capacité à détecter les gaz dans l'environnement est une fonction utile. Elle est particulièrement utile pour la détection de gaz sensibles du point de vue l'environnement, comme le dioxyde de carbone (CO₂) et le monoxyde de carbone (CO). Cette même technologie peut être appliquée à la détection des flammes, car ces mêmes gaz sont les principaux gaz présents dans les flammes nues. Ces gaz, tout comme la vapeur d'eau, les hydrocarbures (H-C) comme le méthane (CH₄) ainsi que plusieurs autres gaz, ont des spectres d'absorption significatifs dans la gamme de l'infrarouge moyen.

Le rayonnement IR a des composantes spectrales situées entre celles des hyperfréquences et de la lumière visible, couvrant les longueurs d'onde entre 0,76 micromètre (μm) et 1 millimètre (mm). Cette gamme est segmentée en trois sous-régions distinctes : les ondes courtes, ou IR proche, couvrant les longueurs d'onde de 0,76 μm à 3 μm ; les ondes moyennes, ou IR moyen, dans la gamme de longueurs d'onde de 3 μm à 14 μm ; et les grandes ondes, ou IR lointain, couvrant les longueurs d'onde de 14 μm à 1 mm.

La plupart des gaz d'intérêt ont des spectres d'absorption situés dans la gamme de l'IR moyen (Figure 1).

Figure 1 : Pics d'absorption IR associés à différents gaz dans le domaine spectral de l'IR moyen. (Source de l'image : Broadcom)

Les principaux gaz émis dans les flammes nues sont le CO₂ et le CO. La même technologie IR peut donc être appliquée à la détection des flammes.

Détection IR

Le rayonnement IR peut être détecté de plusieurs manières. Des photodiodes peuvent être utilisées dans la gamme de l'IR proche. D'autres méthodes traditionnelles incluent l'utilisation de thermopiles, qui sont des empilements de thermocouples réagissant au rayonnement thermique pour produire une tension proportionnelle au changement de température dû à l'énergie IR.

Plus récemment, des capteurs utilisant l'effet pyroélectrique ont commencé à être utilisés dans les segments du spectre allant de l'IR moyen à l'IR long. L'effet pyroélectrique est la capacité de certains matériaux cristallins à générer une tension sur les faces du quartz lorsqu'ils sont chauffés ou refroidis. Le capteur peut être visualisé comme un condensateur qui se charge de manière autonome lorsqu'il est soumis à un rayonnement IR. Les détecteurs pyroélectriques présentent un avantage par rapport aux thermopiles : ils ont un temps de réponse plus rapide, un rapport signal/bruit (SNR) supérieur et sont plus sensibles en raison de leur plus grande réactivité. Les photodiodes, en particulier lorsqu'elles mesurent des longueurs d'onde IR plus importantes, doivent être refroidies pour obtenir un bon rapport signal/bruit. Les détecteurs pyroélectriques n'ont pas besoin d'être refroidis dans les segments du spectre allant de l'IR moyen à l'IR long, ce qui leur confère un avantage.

Des matériaux pyroélectriques comme le zirconate de plomb (PZT) ou le tantalate de lithium (LiTaO₃) peuvent être utilisés pour créer des capteurs IR. Ils peuvent être utilisés en vrac ou sous forme de structures hybrides à couche mince. Les dispositifs pyroélectriques en vrac présentent généralement une réactivité et un rapport signal/bruit plus faibles que les dispositifs basés sur des technologies à couches minces.

Les détecteurs pyroélectriques à couches minces incluent généralement un amplificateur à gain élevé pour servir de tampon aux dispositifs pyroélectriques (Figure 2).

Figure 2 : Le boîtier d'un détecteur pyroélectrique à couches minces inclut la matrice du capteur, un amplificateur à gain élevé et un filtre IR optique intégré. (Source de l'image : Broadcom)

L'amplificateur est implémenté comme un amplificateur opérationnel CMOS à faible bruit avec une résistance de contre-réaction atteignant 10 gigaohms (GΩ). Le signal de sortie est centré sur la moitié de la tension d'alimentation. Le capteur offre une réponse stable et rapide sur une large gamme de fréquences.

Le filtre optique est utilisé pour limiter la gamme de longueurs d'onde sur laquelle le capteur répond. Ces filtres adaptent essentiellement le capteur à des longueurs d'onde IR spécifiques.

Applications de détecteurs pyroélectriques à couches minces

Les détecteurs pyroélectriques à couches minces dans la gamme de l'IR moyen sont utilisés dans un large éventail d'applications, notamment la détection de flammes et l'analyse de gaz, ainsi que l'analyse de carburant et d'huile, la sécurité alimentaire et la surveillance environnementale.

Dans les applications de détection de flammes, les capteurs IR mesurent le rayonnement IR provenant de la flamme. La flamme est recouverte de gaz chauds tels que le CO₂ et le CO. La flamme et son enveloppe gazeuse ne sont pas statiques. Elles scintillent à des fréquences typiquement comprises entre 1 hertz (Hz) et 15 Hz. Les capteurs IR surveillent le domaine spectral des gaz émis à la fréquence de scintillement, ce qui permet une détection précise de la flamme nue.

Les caractéristiques clés de la détection de flammes sont le champ de vision (FoV) et la plage dynamique, comme indiqué par le rapport signal/bruit. Ces paramètres doivent être aussi grands que possible. La détection de flammes est auto-excitée par la source de la flamme et n'utilise généralement que des capteurs IR à canal unique.

L'analyse IR des gaz est basée sur l'absorption d'une source IR par le gaz sélectionné. Ce processus est appelé spectroscopie IR non dispersive (NDIR). Un émetteur IR agit comme source d'énergie IR à large bande, qui inclut la longueur d'onde d'absorption. Deux capteurs IR sont utilisés, dont l'un est filtré pour mesurer la longueur d'onde d'absorption du gaz sélectionné, tandis que le second est filtré à une longueur d'onde hors absorption pour fournir un signal de référence (Figure 3).

Figure 3 : Schéma simplifié d'un système d'analyse de gaz utilisant des détecteurs pyroélectriques à couches minces. (Source de l'image : Broadcom)

Une source de corps noir pulsée, modulée à une fréquence de 30 Hz à 100 Hz, remplit le tube à gaz avec une gamme appropriée de longueurs d'onde IR. Les gaz contenus dans le tube absorbent l'énergie IR en fonction de leur structure atomique. Par exemple, le CO₂ absorbe l'énergie avec une longueur d'onde de 4,26 μm. Une longueur d'onde proche de 3,9 μm qui n'est pas absorbée par le CO₂ est sélectionnée comme longueur d'onde de référence. Le canal de référence surveille toutes les variations de puissance de la source IR. Pour réduire les interférences, un filtre optique bloquant limite la gamme de longueurs d'onde vues par les capteurs à celles associées à l'absorption du gaz et à la longueur d'onde du canal de référence.

Les quatre gaz les plus fréquemment surveillés sont l'oxygène (O), le CO, le CO₂ et l'oxyde d'azote (NO). Les capteurs IR offrent des avantages significatifs par rapport aux autres méthodes, notamment une longue durée de vie, une réponse rapide, l'absence de besoin d'étalonnage, et la capacité à détecter et à identifier une large gamme de gaz.

Détecteurs pyroélectriques à couches minces

Maintenant que vous disposez de ces informations, vous souhaiterez peut-être concevoir votre propre détecteur pyroélectrique. Si vous vous demandez quels dispositifs sont disponibles, sachez que Broadcom propose des capteurs IR prêts à l'emploi basés sur sa propre technologie IR PZT à couches minces. L'entreprise propose des détecteurs IR analogiques à un et deux canaux, sensibles aux longueurs d'onde discrètes de l'IR moyen et destinés aux applications de détection de flammes et d'analyse de gaz.

Les capteurs sont conditionnés dans des boîtiers TO-39 et conviennent parfaitement à une utilisation en extérieur dans les secteurs de l'industrie lourde, du pétrole et du gaz, des infrastructures et de la protection des forêts, où cette caractéristique est importante, au même titre que le champ de vision et le rapport signal/bruit (Figure 4).

Figure 4 : Exemples de boîtiers TO-39 utilisés pour les détecteurs pyroélectriques à couches minces à un et deux canaux. (Source de l'image : Broadcom)

Les capteurs ont une sensibilité nominale de 150 000 volts par watt (V/W) et un rapport signal/bruit de 10 000. Tous les capteurs utilisent des rails d'alimentation simples entre 2,7 V et 8 V, et ont une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C (Tableau 1).

Détecteurs pyroélectriques à couches minces à un seul canal

Détecteurs pyroélectriques à couches minces à deux canaux

Tableau 1 : Caractéristiques spectrales clés des détecteurs pyroélectriques à couches minces à un canal et à deux canaux de Broadcom. (Source du tableau : Art Pini)

Les limites de longueur d'onde des filtres optiques utilisés sont spécifiées par la longueur d'onde centrale et la largeur de bande à mi-puissance du filtre ou les longueurs d'onde de montée et de coupure du filtre passe-bande. Les modèles à deux canaux, destinés aux applications d'analyse de gaz, sont filtrés pour détecter des gaz spécifiques ainsi qu'une longueur d'onde de référence adjacente. Par exemple, le capteur à deux canaux AFBR-S6PY0234 possède une fenêtre d'analyse filtrée à 4,26 µm pour la détection du CO₂ et une fenêtre de référence à une longueur d'onde de 3,91 µm, qui se situe entre les pics d'absorption du CO et du CH₄ illustrés à la Figure 1. Il possède également une constante de temps rapide de 12 millisecondes (ms) pour une détection rapide des flammes.

La connexion des capteurs est relativement facile : un amplificateur non-inverseur fournit un gain passe-bande afin de commander de manière adéquate les circuits suivants (Figure 5).

Figure 5 : Schéma d'une interface d'amplificateur simple pour un détecteur IR pyroélectrique à couches minces à deux canaux. (Source de l'image : Broadcom)

Cet amplificateur fournit un gain en tension de 25 décibels (dB) à la composante CA du signal de sortie du capteur sur une gamme de fréquences passe-bande de 1 Hz à 50 Hz. À CC (0 Hz), l'amplificateur est un suiveur de tension à gain unité. Au-dessus de 50 Hz, le niveau de sortie diminue lentement pour revenir au gain unité.

Conclusion

Si vous cherchez une solution de détection de gaz, les capteurs analogiques de Broadcom sont des dispositifs simples contenant peu de composants, dans des configurations à un seul canal ou à deux canaux. Ils présentent des spécifications hautes performances inhérentes à leur construction PZT pyroélectrique à couches minces, notamment la détection en mode courant avec une réactivité de 150 kV/W, une réponse stable sur toute la plage de scintillement de la flamme de 3 Hz à 15 Hz, une constante de temps rapide de 12 ms pour une détection rapide des flammes, ainsi qu'un rapport signal/bruit élevé de 10 000. Leur réactivité élevée permet des niveaux de puissance de fonctionnement plus faibles pour une durée de vie prolongée de la source IR, ce qui en fait des composants parfaits pour les systèmes de détection de gaz et de flammes.