Snímače IR MEMS Thermopile Array

S filozofií Internet of Things vznikají nové světy aplikací, v nichž hrají snímače ústřední roli například jako hlásiče přítomnosti v bezpečnostních systémech, k rozpoznávání polohy v lékařských systémech nebo k měření teploty při řízení průmyslových procesů. Infračervené snímače Array umožňují jejich ještě jednodušší a levnější realizaci.

Až dosud byly nejčastěji používanými infračervenými (IR) detektory fotonické detektory a pyroelektrické snímače. Oba tyto prvky jsou založeny na polovodičích a velmi složité technologii krystalizace – a v důsledku toho je jejich výroba drahá. Inteligentní alternativu nabízí technologie pole termočlánků. Ta je založena na termočláncích a využívá skutečnost, že vyzařování předmětu je do značné míry závislé na jeho teplotě, resp. na teplotním rozdílu vůči okolí.

Na rozdíl od dosud běžných technologií nabízí několik předností – především nižší náklady a úsporu místa. Nepotřebuje zdroj elektrického proudu ani řídicí systém a současně boduje lepší linearitou a přesností. Na rozdíl od běžných tepelných snímačů, které měří teplotu jen v bodě kontaktu, mohou zaznamenávat teplotu celé oblasti.

Obr. 1 IR Array MLX90621 od Melexis zjišťuje současně teplotní profil dvou cestujících v automobilu

Pole snímačů infračerveného záření se skládá z čočky, pásmového filtru, pole termočlánků (Array), termistoru a ASIC. Termočlánek (termoelektrická baterie) se skládá z páru termočlánků, který je elektricky zapojen do série. Oba vodiče z různých materiálů měří na obou koncích napětí, které se chová v souladu se Seebeckovým efektem proporcionálně k teplotnímu rozdílu mezi místem kontaktu a oběma konci. Díky tomu může termočlánek detekovat široké spektrum od ultrafialového až po infračervený rozsah. Optický pásmový filtr zajišťuje průchod pouze určitého spektra – a to se liší podle jednotlivých aplikací.

Termočlánky jsou uspořádány do matice a výsledkem je pole – Array. Zachycují teplotu předmětu, směr pohybu a tepelný obraz předmětu a umožňují tak detekci statických i pohyblivých objektů. Pomocí termistoru se měří teplota prostředí objektu. Na základě tohoto a zjištěného napětí vypočítává ASIC teplotu předmětu.

Široké pole v yužití

Rozsah pásma aplikací, které mohou těžit z využívání snímačů IR Array, je široký: detekci nebo počítání osob lze realizovat stejně snadno jako bezpečnostní systémy, u nichž je třeba, aby přítomnost nebo pohyb osob vyvolávaly poplach. V osvětlovacích nebo klimatizačních zařízeních podporuje snímač IR Array úsporu energie: jestliže nedetekuje žádnou přítomnost nebo pohyb osob, zajišťuje vypnutí světla nebo snížení výkonu klimatizační jednotky při topení nebo chlazení. Totéž platí o mikrovlnné troubě nebo klasické troubě: jestliže snímač zjistí, že jídlo dosáhlo požadované teploty, přístroj se automaticky vypne.

Možnost měřit teplotu předmětu nebo člověka je určena pro řízení výroby a sledování procesů a také pro sledování strojů. Stejně zajímavá je pro bezpečnostní techniku a včasné rozpoznání požárů a také pro termografii v reálném čase ve výzkumu a vývoji.

Cenově výhodné IR Array s velkým zorným polem

S přístrojem MLX90621 nabízí Melexis komponentu IR Array s uspořádáním 16 × 4 pixely. Tento levný snímač nabízí zorné pole (Field of View) až 100° × 25°, a tím podstatně větší rozsah než jeho předchůdci. V rychlosti měření a teplotního rozlišení dosahuje 4× lepších hodnot. Díky tomu je také vynikající jeho poměr šum/rychlost při 16 Hz, který dosahuje 0,25 K NETD (Noise Equivalent Temperature Difference). Dosah 8 m lze zajistit při frekvenci 16 Hz. Předem kalibrovaná pole Arrays pracují v prostředí o teplotách od –40 °C do 85 °C a mohou změřit přesnou teplotu předmětu v rozsahu mezi –20 °C až 300 °C. Řízení se uskutečňuje prostřednictvím integrovaného digitálního rozhraní I2C. Rychlost lze nastavit v rozsahu obnovy od 0,5 do 64 Hz.

Přístroj MLX90621 v kompaktním kovovém pouzdru TO39 je k dispozici ve třech různých variantách s různým zorným polem (60° × 15°; 40° × 10° a 100° × 25°). Tento model s největším zorným polem umožňuje například levnou a efektivní regulaci klimatizace ve vozidlech, protože dokáže současně zaznamenat teplotní profil řidiče i spolujezdce. Díky tomu je zbytečný další mechanický skener, který byl až dosud nutný.

Deska Evaluation Board EVB90621 s paticí ZIF umožňuje kontrolu Plug & Play pole IR Arrays. Díky grafickému rozhraní GUI lze zobrazovat a protokolovat naměřené údaje a rychle a jednoduše upravovat nejdůležitější parametry snímače.

Snímač IR Array k povrchové montáži

První snímač s polem termočlánků k povrchové montáži s kompaktní konstrukcí SMD pochází od společnosti Panasonic: Grid-EYE disponuje 64 termočlánky uspořádanými v matici 8 × 8. V pouzdru jsou kombinovány s čipem snímače MEMS, ASIC (rozhraní I2C) a silikonovou čočkou MEMS se zorným polem 60°. Díky tomu může Grid-EYE současně detekovat osoby v klidu nebo pohybu (ve směru jejich pohybu) a v reálném čase měřit jejich povrchovou teplotu s vysokou přesností. Díky integraci modulu „nanopower“ Bluetooth Smart Modul firmy Panasonic a softwaru pro rozpoznávání osob založeném na infračerveném záření tak vznikl velmi snadno využitelný a cenově výhodný snímač, který je optimálně vhodný k využití v bezdrátových aplikacích Internet of Things.

(Obr. 4 vpravo nahoře Snímač s polem termočlánků Grid-EYE od Panasonicu může současně detekovat několik osob v klidu nebo pohybu)

www.rutronik.com