Инфрачервените сензори с матрица от термодвойки (thermopile) разкриват нови възможности пред разработчиците.

Аурелиан Нгонганг, продуктов мениджър сензори в Rutronik

Интернет на нещата (IoT) доведе до появата на нови области на приложение, в които сензорите играят ключова роля, например безконтактни датчици в системи за сигурност, за следене състоянието на пациенти в медицински институции или за измерване на температурата в системите за управление на индустриални процеси. Инфрачервените, базирани на термодвойки матрични сензори (thermopile) правят прилагането им икономически ефективно и лесно.

Доскоро фотодетекторите, базирани на фотоелектрически ефект, и пироелектричните сензори, базирани на поляризацията на кристали, бяха най-често използваните инфрачервени детектори. И двата вида са доста сложни, което ги прави скъпи за производство. Освен това, с тези технологии не е възможно да се откриват статични обекти. Така наречената thermopile технология предлага подходяща алтернатива. Тя е основана на термодвойки и използва факта, че излъчването на даден обект до голяма степен е в резултат на неговата температура или на разликата между неговата температура и тази на околната му среда.

В сравнение с конвенционалните технологии, базираната на матрица от термодвойки технология предлага много предимства, по-специално по-ниски разходи и по-малко заемано място, както и това, че не се нуждае от източник на енергия или система за управление. Освен това, тази технология предлага изключителна линейност и прецизност. За разлика от конвенционалните термодатчици, които измерват само температурата в точката на контакт, тези сензори могат да измерват температурата на цяла област.

Един инфрачервен матричен сензор се състои от обектив, инфрачервен лентов филтър, матрица от термодвойки, термистор и ASIC интегрална схема. Термисторът се използва за измерване на температурата на околната среда. Така наречената thermopile матрица се състои от термодвойки, които са свързани последователно. Проводниците на термодвойката са от различни материали и са свързани електрически. Измерват се напреженията в двата края, които съгласно ефекта на Зеебек са пропорционални на температурната разлика между контакта и двата края. Това позволява матрицата да регистрира широк спектър на светлината в диапазона от ултравиолетовата до инфрачервената. Оптичният лентов филтър гарантира, че се филтрира само определен спектър – използваният спектър ще е различен при различните приложения.
Подредените елементи – термодвойки, формират матрицата. Те отчитат температурата на обекта и температурата на околната среда, което позволява да се определят посоката на движение и топлинното изображение на обекта, което дава възможност за едновременно откриване на статични и движещи се обекти.

Широка гама от приложения
Гамата от приложения, благодарение на IR матричните сензори, е широка. Те предоставят възможност за откриване или броене на лица и могат да бъдат използвани за създаване на системи за сигурност, където откриването на хора, които може да са неподвижни или да се движат, задейства аларма. В осветителни или климатични инсталации IR матричният сензор може да спомогне за пестенето на енергия – ако не се открие присъствие или движение на лице, той гарантира, че осветлението ще се изключи или че климатичната система охлажда или затопля по-малко. Микровълновите фурни и печките също са потенциална област за приложение – ако сензорът отчете, че храната е достигнала желаната температура, устройството се изключва автоматично.

Възможността за измерване на температурата на даден обект или човек е интересно както в производствения контрол, мониторинга на процеси и мониторинг на машини, така и за инженеринга в областта на сигурността, пожароизвестителните системи за ранно предупреждение и термографията в реално време в областта на научните изследвания и развойната дейност.

IR матрица с широко зрително поле
Типичен представител на тези прибори е IR матрицата MLX90621 на Melexis с размер 16 х 4 пиксела. Този сензор предлага хоризонтално и вертикално зрително поле до 100° х 30°. От гледна точка на скоростта на измерване и температурната резолюция той генерира стойности, до четири пъти по-добри от средните. Обхват от 8 метра може да се гарантира при 16 Hz. Предварително калибрираните матрици работят в температурен диапазон от -40 до +85°С и могат да измерят точната температура на обект между -20 и +300°С. Интерфейсът и управлението се осигуряват от интегриран цифров I2C интерфейс. Честотата на обновяване на изображението може да се регулира от 0,5 до 64 Hz. Сензорът е реализиран в метален TO39 корпус се предлага в три варианта с различни зрителни полета (60° х 15°; 40° х 10° и 100° х 25°). Моделът с най-голямо зрително поле позволява например по-ефективно управление на климатичната система в превозни средства, тъй като може да регистрира едновременно температурните профили както на водача, така и на пътника до него.
Чрез специализираната развойна платка със ZIF цокъл може да се изпробва плъг-енд-плей функцията на IR матрицата, като измерените данни се показват и регистрират чрез графичен интерфейс, а основните параметри на сензора се настройват бързо и лесно.

IR матричен сензор за повърхностен монтаж
Първият thermopile матричен сензор за повърхностен монтаж в компактно SMD изпълнение е на Panasonic – Grid-EYE има 64 термодвойки, разположени в матрица 8х8. Те са комбинирани с MEMS сензорен чип, ASIC за I²C интерфейс и силициев обектив с зрително поле от 60°. Това позволява Grid-EYE да открива едновременно множество неподвижни или движещи се хора (по посока на движението им), а външна температура се измерва изключително прецизно в реално време. Сензорът е подходящ за приложения в безжичен “интернет на нещата” в комбинация със смарт Bluetooth модула с ниска енергоконсумация на същия производител и софтуера за откриване на хора, базиран на инфрачервеното им излъчване.