Principes de base des capteurs infrarouges

Selon cette classification, les capteurs infrarouges peuvent être divisés en capteurs thermiques et capteurs de photons.

Capteur thermique

Le détecteur thermique utilise un élément de détection qui absorbe le rayonnement infrarouge, provoquant une élévation de température et des modifications de certaines propriétés physiques. La mesure de ces modifications permet de déterminer l'énergie ou la puissance absorbée. Le processus se déroule comme suit : premièrement, le détecteur thermique absorbe le rayonnement infrarouge, induisant une élévation de température ; deuxièmement, il exploite les effets thermiques du détecteur pour convertir cette élévation de température en une variation de courant électrique. Quatre types de variations de propriétés physiques sont couramment utilisés : à thermistance, à thermocouple, pyroélectrique et pneumatique (Gaolai).

# Type de thermistance

Après l'absorption du rayonnement infrarouge par un matériau thermosensible, sa température augmente et sa résistance se modifie. L'amplitude de cette variation est proportionnelle à l'énergie du rayonnement infrarouge absorbé. Les détecteurs infrarouges qui fonctionnent en modifiant la résistance après l'absorption du rayonnement infrarouge par une substance sont appelés thermistances. Les thermistances sont fréquemment utilisées pour mesurer le rayonnement thermique. Il existe deux types de thermistances : métalliques et semi-conductrices.

R(T)=AT−CeD/T

R(T) : valeur de résistance ; T : température ; A, C, D : constantes qui varient selon le matériau.

La thermistance métallique possède un coefficient de température de résistance positif, et sa valeur absolue est inférieure à celle d'un semi-conducteur. La relation entre la résistance et la température est quasiment linéaire, et elle présente une excellente tenue aux hautes températures. Elle est principalement utilisée pour la mesure de simulation de température.

Les thermistances à semi-conducteurs sont tout à fait l'inverse ; elles sont utilisées pour la détection des rayonnements, notamment dans les alarmes, les systèmes de protection contre les incendies et la recherche et le suivi des radiateurs thermiques.

# Type de thermocouple

Le thermocouple, également appelé thermocouple, est le plus ancien dispositif de détection thermoélectrique. Son principe de fonctionnement repose sur l'effet thermoélectrique. Une jonction composée de deux conducteurs de matériaux différents génère une force électromotrice. L'extrémité du thermocouple exposée au rayonnement est appelée extrémité chaude, et l'autre extrémité, extrémité froide. C'est ce qu'on appelle l'effet thermoélectrique : si ces deux conducteurs sont connectés en boucle, la différence de température entre les deux jonctions induit un courant électrique dans la boucle.

Afin d'améliorer le coefficient d'absorption, une feuille d'or noir est déposée sur l'extrémité chaude pour former le matériau du thermocouple, qui peut être métallique ou semi-conducteur. Sa structure peut être linéaire, en forme de bande ou constituée d'un film mince réalisé par dépôt sous vide ou photolithographie. Les thermocouples à structure linéaire sont principalement utilisés pour la mesure de température, tandis que les thermocouples à film mince (composés de plusieurs thermocouples en série) servent principalement à la mesure des rayonnements.

La constante de temps des détecteurs infrarouges à thermocouple étant relativement élevée, leur temps de réponse est relativement long et leurs caractéristiques dynamiques relativement faibles. La fréquence de variation du rayonnement côté nord doit généralement être inférieure à 10 Hz. En pratique, plusieurs thermocouples sont souvent connectés en série pour former une thermopile et détecter l'intensité du rayonnement infrarouge.

# Type pyroélectrique

Les détecteurs infrarouges pyroélectriques sont constitués de cristaux pyroélectriques, ou « ferroélectriques », polarisés. Un cristal pyroélectrique est un type de cristal piézoélectrique présentant une structure non centrosymétrique. À l'état naturel, les centres de charge positifs et négatifs ne coïncident pas selon certaines directions, et une certaine quantité de charges polarisées se forme à la surface du cristal : c'est la polarisation spontanée. Lorsque la température du cristal varie, les centres de charge positive et négative se déplacent, ce qui modifie la charge de polarisation en surface. Généralement, la surface du matériau capte les charges libres présentes dans l'atmosphère et maintient un état d'équilibre électrique. À l'équilibre électrique, lorsqu'un ferroélectrique irradie sa surface avec des rayons infrarouges, sa température (en feuillet) augmente rapidement, l'intensité de polarisation chute brutalement et la charge liée diminue fortement ; en revanche, la charge libre en surface varie lentement. Le matériau ferroélectrique interne, quant à lui, reste inchangé.

En un laps de temps très court entre la variation d'intensité de polarisation induite par le changement de température et le retour à l'équilibre électrique en surface, des charges libres excédentaires apparaissent à la surface du matériau ferroélectrique, ce qui équivaut à libérer une partie de la charge. Ce phénomène est appelé effet pyroélectrique. La neutralisation des charges liées en surface par les charges libres étant un processus long (plusieurs secondes), et le temps de relaxation de la polarisation spontanée du cristal étant très court (environ 10 à 12 secondes), le cristal pyroélectrique peut réagir rapidement aux variations de température.

# Type de geôle pneumatique

Lorsqu'un gaz absorbe un rayonnement infrarouge à volume constant, sa température et sa pression augmentent. L'amplitude de cette augmentation de pression est proportionnelle à la puissance du rayonnement infrarouge absorbé, ce qui permet de la mesurer. Les détecteurs infrarouges fonctionnant selon ces principes sont appelés détecteurs de gaz, et le tube de Gao Lai en est un exemple typique.

Capteur de photons

Les détecteurs infrarouges à photons utilisent certains matériaux semi-conducteurs pour produire des effets photoélectriques sous l'effet d'un rayonnement infrarouge, modifiant ainsi leurs propriétés électriques. La mesure de ces variations permet de déterminer l'intensité du rayonnement infrarouge. Ces détecteurs, basés sur l'effet photoélectrique, sont appelés détecteurs de photons. Leurs principaux atouts sont une sensibilité élevée, une vitesse de réponse rapide et une fréquence de réponse élevée. Cependant, ils nécessitent généralement un fonctionnement à basse température et leur bande passante est relativement étroite.

Selon leur principe de fonctionnement, les détecteurs de photons se divisent généralement en deux catégories : les photodétecteurs externes et les photodétecteurs internes. Ces derniers se subdivisent en détecteurs photoconducteurs, détecteurs photovoltaïques et détecteurs photomagnétoélectriques.

# Photodétecteur externe (dispositif PE)

Lorsqu'un faisceau lumineux frappe la surface de certains métaux, oxydes métalliques ou semi-conducteurs, et si l'énergie des photons est suffisamment élevée, la surface peut émettre des électrons. Ce phénomène, appelé émission de photoélectrons, relève de l'effet photoélectrique externe. Les tubes photomultiplicateurs et les tubes photovolts appartiennent à cette catégorie de détecteurs de photons. Leur temps de réponse est rapide et, de plus, les tubes photovolts présentent un gain très élevé, ce qui permet la détection de photons uniques. Cependant, leur plage de longueurs d'onde est relativement étroite, limitée à 1700 nm.

# Détecteur photoconducteur

Lorsqu'un semi-conducteur absorbe des photons incidents, certains électrons et trous qu'il contient passent d'un état non conducteur à un état libre capable de conduire l'électricité, augmentant ainsi la conductivité du semi-conducteur. Ce phénomène est appelé effet photoconducteur. Les détecteurs infrarouges basés sur cet effet sont appelés détecteurs photoconducteurs. Actuellement, il s'agit du type de détecteur de photons le plus répandu.

# Détecteur photovoltaïque (dispositif PU)

Lorsqu'un rayonnement infrarouge éclaire la jonction PN de certaines structures de matériaux semi-conducteurs, sous l'effet du champ électrique généré, les électrons libres de la zone P migrent vers la zone N, et les trous de la zone N migrent vers la zone P. Si la jonction PN est ouverte, un potentiel électrique supplémentaire est induit à ses extrémités : la force photoélectromotrice (FPEM). Les détecteurs exploitant l'effet FPEM sont appelés détecteurs photovoltaïques ou détecteurs infrarouges à jonction.

# Détecteur magnétoélectrique optique

Un champ magnétique est appliqué latéralement à l'échantillon. Lorsque la surface du semi-conducteur absorbe des photons, les électrons et les trous générés diffusent dans le matériau. Durant cette diffusion, les électrons et les trous sont décalés aux extrémités de l'échantillon sous l'effet du champ magnétique latéral. Il en résulte une différence de potentiel entre ces deux extrémités. Ce phénomène est appelé effet optomagnétoélectrique. Les détecteurs basés sur cet effet sont appelés détecteurs photomagnétoélectriques (ou dispositifs PEM).