Vorteile der Fabry-Pérot-Interferometer-Detektoren (FPI-Detektor)
- Hohe Flexibilität hinsichtlich der zu messenden Substanzen
- Anwendung chemometrischer Methoden für die Mehrkomponenten-Analyse
- Messung bekannter Stoffzusammensetzungen mit überlappenden Banden
- Identifikation unbekannter Substanzen
- Kostengünstige, robuste und miniaturisierte Lösung
Anwendungsgebiete
Die Infrarotspektroskopie als physikalisches Sensorprinzip ist ein etabliertes Verfahren in der Sensorik, um Stoffkonzentrationen und Zusammensetzungen sehr selektiv und langzeitstabil zu bestimmen. Die Anwendungsgebiete sind derart vielfältig, dass hier nur einige wichtige Beispiele aufgeführt werden können. Eine besonders große Rolle spielt die Infrarotspektroskopie in der Gasanalyse, sie wird aber auch für Flüssigkeits- und Feststoffanalysen angewandt.
Prozessmesstechnik – Analyse von flüssigen Medien in chemischen Prozessen
Die Flüssigkeitsanalyse in chemischen Herstellungsprozessen ist ein wesentlicher Bestandteil zur Optimierung von Produktqualität und -sicherheit. FPI-Detektoren haben den Vorteil, neben der hohen Flexibilität hinsichtlich der zu messenden Substanzen, dass sie wesentlich kostengünstiger, robuster und kompakter in ihrer Bauweise sind als die gegenwärtig zum Einsatz kommenden großen und sehr teuren Prozessspektrometer oder als andere aufwendige Messtechniken, wie z. B. ATR-Sonden in Kombination mit NDIR-Sensoren.
Energietechnik – Bestimmung des Energiegehaltes von Erdgas oder Biogas
Die Bestimmung des Energiegehaltes für Abrechnungszwecke oder für die Steigerung der Energieeffizienz von Verbrennungsprozessen ist mit bisherigen Messgeräten, z. B. Gas-Chromatographen, sehr zeit- und kostenintensiv und bei kleineren Anlagen kaum wirtschaftlich. Dem daraus resultierenden steigenden Bedarf an preiswerter, genauer und schneller Sensorik wird der FPI-Detektor aufgrund seiner Bauweise und Messeigenschaften gerecht.
Medizintechnik – Monitoring/Dosierung von Anästhesiegasen
Bei der sicheren Dosierung von Narkosemitteln müssen bis zu fünf Narkosegase, vorwiegend im Wellenlängenbereich 8 ... 11 µm, Lachgas und Kohlenstoffdioxid gleichzeitig gemessen werden. Aufgrund der Vielzahl der Gaskomponenten bieten sich spektrometrische Mess- und Auswerteverfahren an. Durch die zudem sehr kompakte Bauweise ergibt sich ein enormer Miniaturisierungsvorteil gegenüber konventionellen Lösungen basierend auf Schmalbandfiltern.
Weitere Anwendungsfälle für den Einsatz von FPI-Detektoren
- In der Sicherheitstechnik für die Detektion giftiger bzw. gesundheitsgefährdender oder explosiver Gase
- In der Umwelttechnik und Klimaforschung, z. B. zur Messung von Schadstoffemissionen, für die Identifikation von Kunststoffen bei der Müllsortierung, der Lecksuche an Leitungen, der Zusammensetzung der Atmosphäre
- Für die Messung auf Oberflächen, um Verunreinigungen zu detektieren, die vollständige Benetzung mit Schmiermitteln sicherzustellen oder Art und Dicke von Beschichtungen zu bestimmen
Produktspektrum FPI-Detektoren
Derzeitig bietet Ihnen InfraTec verschiedene Typen mit FPF in erster Ordnung und großen Durchstimmbereichen. Die Detektoren decken beinahe den gesamten mittleren und langwelligen Infrarotbereich von ca. 3 ... 11 μm ab. Die abgedeckten Bereiche oder das Design lassen sich natürlich auch an Ihre Anforderungen individuell anpassen.
Zum Portfolio zählen u.a. Detektoren mit integriertem ASIC. Diese können in einer Regelschleife betrieben werden und sind in der Typbezeichnung mit einem „C“ gekennzeichnet. Der Abstand der Reflektorplatten wird durch eine Kapazitätsmessung realisiert. Damit kann das Filter gegen externe Beschleunigungskräfte stabilisiert werden. Temperaturdriften werden ebenso automatisch im Regelbetrieb kompensiert.
Durchstimmbare Detektoren (FPI)
LME, LMM: Detektoren mit reduzierter Mikrofonie
LRE, LRM: Detektoren mit mikromechanischem Rahmen
LFP: Detektoren mit durchstimmbaren Fabry-Pérot-Filtern
TO5, TO39: 9,2 mm Durchmesser
TO8: 15,2 mm Durchmesser
Die dem Bindestrich folgende Ziffer gibt die Anzahl der Anschlüsse (Pins) an.
Typ | Gehäuse | Kanal | Öffnung (mm) | Betriebsmodi | JFET/OpAmp | Thermische Kompensation | Reduzierte Mikrofonie | Detektivität* | Download weiterer Informationen |
| LFP-3144C | TO8 | durchstimmbar | ø 1,9 | Strombetrieb | OpAmp | Ja | Ja | 0,036 | LFP-3144C |
| LFP-3850C | TO8 | durchstimmbar | ø 1,9 | Strombetrieb | OpAmp | Ja | Ja | 0,03 | LFP-3850C |
| LFP-5580C | TO8 | durchstimmbar | ø 2,0 | Strombetrieb | OpAmp | Ja | Ja | 0,048 | LFP-5580C |
| LFP-80105C | TO8 | durchstimmbar | ø 2,0 | Strombetrieb | OpAmp | Ja | Ja | 0,04 | LFP-80105C |
*(400 ºC, 10 Hz, 1 Hz, 25 ºC) [10E+8cmHz1/2/W]
Ein mikromechanisches, durchstimmbares Fabry-Pérot-Filter für die Nichtdispersive Gasanalytik im Spektralbereich 3 ... 5 µm
Aufbau des FPI-Detektors
Die Fabry-Pérot-Filter sind zusammen mit einem LiTaO3-basierten pyroelektrischen Detektor in das TO8-Gehäuse integriert. Letzterer ist thermisch kompensiert und arbeitet im Strombetrieb mit einem integrierten Operationsverstärker. Die Elementgröße von 2 × 2 mm2 ist auf die Filterapertur angepasst. Das Bandpassfilter (Ordnungsfilter) ist in die Detektorkappe eingebaut.
Die Kalibrierdaten sind in einem internen EEPROM gespeichert. Ein integrierter ASIC ermöglicht die Positionsmessung der beweglichen Reflektorplatten. Dadurch wird die Stabilität der Zentralwellenlänge (CWL) bei wechselndem Schwerkrafteinfluss, z. B. beim Drehen des Detektors in einem portablen Gerät, gewährleistet.
Funktionsweise des FPI-Detektors
Die durchstimmbaren Filter von InfraTec basieren auf einem mikromechanischen Fabry-Pérot-Interferometer (FPI), das aus zwei ebenen, parallelen Reflektorplatten besteht (siehe Grundaufbau und Funktionsweise). Einfach ausgedrückt wirkt das Filter als Halbwellenresonator, der eine Reihe von Transmissionsmaxima aufeinanderfolgender Interferenzordnungen erzeugt (siehe Transmissionsspektrum und Schlüsselparameter). Durch Ändern des Plattenabstandes kann die Position der Maxima und damit die Zentralwellenlänge (CWL) durchgestimmt werden. Ein zusätzliches, in Reihe zum Fabry-Pérot-Filter (FPF) platziertes Bandpassfilter (Ordnungsfilter) ermöglicht eine eindeutige schmalbandige Filterung.
Eigenschaften und Vorteile von Spektrometern
Die grundlegenden Funktionsparameter von Spektrometern sind Wellenlängenbereich, spektrale Auflösung und Durchsatz (Signal-Rausch-Abstand). In jedem Fall erfordert die Miniaturisierung eines Spektrometers einen bestimmten Kompromiss zwischen den Zielparametern. Im Infrarotbereich gilt das ganz besonders für Auflösung und Durchsatz. Im Vergleich zu Gitterspektrometern, linearen Verlaufsfiltern oder miniaturisierten Fourier-Transform-Spektrometern bieten mikromechanische FPF diesbezüglich eine sehr attraktive Lösung:
- Kein Eintrittsspalt begrenzt den Durchsatz
- Scannendes Messprinzip mit einem großen Einzeldetektor hat einen Durchsatzvorteil gegenüber Detektorarrays
- Detektorzeilen für den Infrarotbereich sind sehr teuer (andere Seite des Vorteils)
- Zusätzliche Präzisionsoptiken sind überflüssig
- Parallelplattenanordnung des FPI eignet sich ideal für die Miniaturisierung
Den großen Vorteilen der spektrometrischen Messmethode steht in vielen Anwendungen vor allem die Forderung nach einem hohen Signal-Rausch-Abstand anstatt einer hohen Auflösung gegenüber. Die durchstimmbaren Filter von InfraTec sind für diese speziellen Ansprüche optimiert:
- Betrieb in erster Ordnung (größter Durchstimmbereich)
- Große Apertur von circa 2 mm (großer Durchsatz)
- Moderate Auflösung (großer Durchsatz)
Die FPF von InfraTec bestehen aus zwei gebondeten Siliziumsubstraten, die mit den Technologien der Volumenmikromechanik strukturiert werden. Sie bilden die zwei Platten des Interferometers sowie die Elektroden für den elektrostatischen Antrieb (siehe Prinzipaufbau). Dieser Ansatz bietet große Vorteile gegenüber konkurrierenden Lösungen:
- Dicke Reflektorplatten verhindern statische oder dynamische Deformationen
- Getrennte Reflektor- und Elektrodenplatten heben die Begrenzung des Durchstimmbereiches durch Instabilitäten des elektrostatischen Antriebs auf
- Dünnschichtsystem für Reflektoren und AR-Beschichtungen vom nahen bis in den fernen Infrarotbereich
Evaluation-Kit
Mit dem Evaluation-Kit testen Sie den Fabry-Pérot-Interferometer-Detektor (FPI-Detektor), ohne dafür eigene Testschaltungen oder Software zu entwickeln. Die Software von InfraTec erlaubt die Ansteuerung des Detektors und einer IR-Strahlungsquelle sowie die Analyse des Detektorsignals. Mithilfe des Kits konfigurieren Sie ein Mini-Spektrometer schnell und bequem.
Vorteile des Evaluation-Kit
- Betrieb des FPI-Detektors aus den im Detektor hinterlegten Kalibrierdaten sowie Signalanalyse
- Betrieb einer IR-Strahlungsquelle
- Umfangreiche Konfigurationsoptionen, einschließlich Darstellung kompletter Spektren mit der Software „Fabry-Pérot Evaluation Workbench“
Das Evaluation-Kit enthält eine Detektorplatine sowie Hauptplatine mit USB-Interface, USB-Kabel, Flachbandkabel, CDROM mit Test- und Messsoftware, USB-Treiber und Handbuch. Die Hauptplatine ist kompatibel zu allen FPI-Detektoren und kann damit sowohl Detektorplatinen für geregelte als auch gesteuerte FPI-Detektoren betreiben. Auf Anfrage ist das Evaluation-Kit auch mit einer IR-Strahlungsquelle erhältlich.
Technische Daten
Spezifikationen
- Spannungsversorgung 12 V
- Stromaufnahme 150 mA (ohne IR-Strahlungsquelle)
- Integrierte Erzeugung Spannungsversorgung für Detektor ± 5 V
- Integrierte Erzeugung Fabry-Pérot-Steuerspannung (z. B. max. 35 V für LFP-3144-337)
- Betrieb einer IR-Strahlungsquelle bis 800 mA, DC bis 500 Hz (Rechtecksignal, (0 … 100) % Tastverhältnis)
- Signalerfassung mit 12 Bit, 2 kHz, Analyse mit FFT-Algorithmus
Anforderungen
- PC mit Windows 2000, XP, Vista, 7 oder höher mit USB 2.0 Schnittstelle
- Spannungsversorgung 12 V DC (300 mA Minimum)
Detektorsuche
InfraTec bietet Ihnen fünf Produktgruppen mit rund 50 verschiedenen pyroelektrischen Detektoren. Wählen Sie Ihre passenden Infrarotdetektoren mit unserer detaillierten Detektorsuche.
