選用薄膜熱釋電感測器進行火焰偵測與氣體分析

人們越來越關心環境中的溫室氣體，加上對測量空污和偵測火焰的需求，氣體的辨識和量測受到廣泛高度重視。讓我們來看看，適合偵測氣體和火焰的被動式熱釋電感測器如何幫助設計人員解決這些疑慮。

紅外線 (IR) 感測

環境氣體感測是一項很有用的功能，在偵測二氧化碳 (CO₂) 和一氧化碳 (CO) 等環境敏感性氣體時特別有用，此技術也能用來偵測火焰，因為這些氣體是明火中的主要氣體。這些氣體、水蒸汽和甲烷 (CH₄) 等碳氫化合物 (H-C) 以及其他幾種氣體，在中紅外線範圍內具有顯著的吸收光譜。

紅外線輻射的光譜分量介於微波和可見光之間，波長介於 0.76 mm 和 1 mm。此範圍分成三個不同的子區域，即短波 (又稱近紅外線，波長為 0.76 至 3 μm)、中波 (又稱中紅外線，波長為 3 至 14 μm)，以及長波 (又稱遠紅外線，波長為 14 μm 至 1 mm)。

目前大多數偵測的氣體，吸收光譜均處於中紅外線範圍 (圖 1)。

圖 1：位於中紅外線光譜範圍內的各種氣體的紅外線吸收峰值。(圖片來源：Broadcom)

明火中排放的氣體主要是 CO₂ 和 CO，因此可利用相同的紅外線技術來偵測火焰。

紅外線偵測

偵測紅外線輻射有幾種方式。光電二極體可以在近紅外線範圍內使用。其他傳統方法包括使用熱電堆，熱電堆中的許多熱電偶會對熱輻射做出響應，產生出「與紅外線能量造成的溫度變化呈比例」的電壓。

最近，使用熱釋電效應的感測器用於中紅外線至長紅外線光譜段。熱釋電效應係指某些晶狀材料被加熱或冷卻時在晶體表面產生電壓的能力。感測器可視為一種能在紅外線照射時自我充電的電容。比起熱電堆，熱釋電感測器響應時間更快、訊噪比 (SNR) 極佳，且其更高的響應度賦予了更高的靈敏度。光電二極體在冷卻後才能達到良好的訊噪比，尤其是測量較長的紅外線波長時。熱釋電感測器用於「中紅外線至長紅外線」光譜段時不必冷卻，因此具有優勢。

鋯鈦酸鉛 (PZT) 或鉭酸鋰 (LiTaO₃) 等熱釋電材料，可用於製造紅外線感測器。這些材料能夠以塊狀形式使用，也能作為薄膜混合結構。散裝熱釋電元件的響應度和訊噪比，通常比不上採用薄膜技術的元件。

為了緩衝熱釋電元件，薄膜熱釋電感測器一般含有高增益放大器 (圖 2)。

圖 2：薄膜熱釋電感測器的封裝，包含感測器晶粒、高增益放大器和整合式光學紅外線濾波器。(圖片來源：Broadcom)

該放大器實作為低雜訊 CMOS 運算放大器，回授電阻高達 10 GΩ。輸出訊號的中心值為電源電壓的一半。該感測器能快速穩定地響應，能在廣大的頻率範圍下工作。

光學濾波器則用於限制感測器響應的波長範圍。這些濾波器基本上將該感測器調整至感測特定的紅外線波長。

薄膜熱釋電感測器應用

中紅外線薄膜熱釋電感測器的用途十分廣泛，包括火焰偵測與氣體分析，以及燃料與石油分析、食品安全與環境監測。

在火焰偵測應用中，紅外線感測器會測量火焰發出的紅外線輻射量。火焰被 CO₂ 和 CO 等高溫氣體覆蓋。火焰及其氣體層不是靜態，一般以 1 至 15 Hz 的頻率閃爍。紅外線感測器會監測在此閃爍速率下釋放之氣體的光譜範圍，藉此精確偵測明火。

火焰感測的關鍵特性是視野 (FoV) 和動態範圍，訊噪比指出了這點。這些參數越大越好。火焰偵測是由火焰源自我激發，且通常只使用單通道紅外線感測器。

紅外線氣體的分析依據所選氣體對紅外線光源的吸收情況。此過程稱為非分散式紅外線 (NDIR) 光譜法。紅外線發射器是寬頻紅外線能量的來源，其包含吸收波長。共使用兩個紅外線感測器，其中一個會進行濾波，以測量所選氣體的吸收波長，另一個則以非吸收波長進行濾波，以提供參考訊號 (圖 3)。

圖 3：使用薄膜熱釋電感測器之氣體分析結構的簡易示意圖。(圖片來源：Broadcom)

脈衝黑體源以 30 至 100 Hz 的頻率調變，向氣體管中注入合適波長範圍的紅外線。管中的氣體會依據其原子結構吸收紅外能量。例如，CO₂ 會吸收波長 4.26 μm 的能量。未被 CO₂ 吸收的鄰近波長 (3.9 μm)，會選為參考波長。參考通道會監測紅外線光源的任何功率變化。為了減少干擾，阻隔性光學濾波器會將感測器能夠感測到的波長範圍，限縮為與氣體吸收相關的波長以及參考通道相關的波長。

四種最常監測的氣體為氧 (O)、CO、CO₂ 和氮氧化物 (NO)。比起其他替代方法，紅外線感測器具有顯著優勢，包括使用壽命長、快速響應、無需校準，並能偵測和識別多種氣體。

薄膜熱釋電感測器

瞭解這些資訊之後，您可能有興趣自己設計熱釋電感測器。想知道有哪些元件可用嗎？Broadcom 提供現成的紅外線感測器，其採用自家的薄膜 PZT 紅外線技術。該感測器具有類比式單通道與雙通道紅外線偵測器，能感測離散的中紅外線波長，適用於火焰偵測與氣體分析應用。

這些感測器採用 TO-39 罐式封裝，非常適合重工業、石油天然氣、基礎建設及護林產業之戶外用途，在這些產業中，這種封裝方式、視野及訊噪比都是很重要的特性 (圖 4)。

圖 4：單通道與雙通道薄膜熱釋電感測器的 TO-39 封裝範例。(圖片來源：Broadcom)

這種感測器的額定響應度為 150,000 V/W，訊噪比為 10,000。所有感測器均使用 2.7 至 8 V 的單供電電軌，工作溫度範圍介於 -40°C 至 +85°C (表 1)。

薄膜熱釋電單通道感測器

薄膜熱釋電雙通道感測器

表 1：表中顯示 Broadcom 單通道與雙通道薄膜熱釋電感測器的關鍵光譜特性。(表格來源：Art Pini)

對於使用的光學濾波器，其波長限制是根據中心波長來指定，另一個指定依據是濾波器的半功率頻寬，或是帶通濾波器的截通和截止波長。用於氣體分析應用的雙通道型號會經過濾波，以偵測特定氣體和鄰近的參考波長。例如，雙通道 AFBR-S6PY0234 感測器具有一個濾波至 4.26 μm 的分析窗口，以便偵測 CO₂，另有波長 3.91 µm 的參考窗口，其落在圖 1 CO 和 CH₄ 的吸收峰值之間。此外，時間常數快達 12 ms，能快速偵測火焰。

感測器的介接較容易；簡易的非反相放大器提供帶通增益，為後續電路提供適當的驅動 (圖 5)。

圖 5：雙通道薄膜熱釋電紅外線感測器之簡易放大器介面的線路圖。(圖片來源：Broadcom)

此放大器為感測器輸出訊號的 AC 分量，提供 25 dB 電壓增益，帶通頻率範圍介於 1 至 50 Hz。在 DC (0 Hz) 下，此放大器為單位增益電壓隨耦器。高於 50 Hz 時，輸出位準會慢慢返回單位增益。

結論

如果您正在尋找氣體感測解決方案，Broadcom 類比感測器是一種低元件數、採用單通道或雙通道配置的簡易元件。這些感測器的薄膜熱釋電 PZT 結構中內建高效能規格，包括電流模式感測的響應度達 150 kV/W；能在 3 至 15 Hz 的完整火焰閃爍頻率範圍中穩定響應；時間常數快達 12 ms，以快速偵測火焰；訊噪比高達 10,000。由於響應度高，能支援較低的工作功率，並延長紅外線光源壽命，因此成為氣體和火焰偵測系統的理想元件。