Thermoelektrisch gekühlte HgCdTe-MCT Detektoren
- Technologie
- Infrarot-Photodetektoren
- Partner
- Infrared Associates
Thermoelektrisch gekühlte HgCdTe-(MCT-)Detektoren sind hochempfindliche Infrarotsensoren für das mittlere Infrarotspektrum. Jeder Detektor integriert einen miniaturisierten mehrstufigen Peltier-Kühler und erreicht dadurch kryogenähnliche Betriebstemperaturen ganz ohne externe Kryogene. Durch dieses selbstkühlende Design lassen sich die Detektoren in unterschiedlichsten Umgebungen einfach betreiben und einsetzen – von Laborgeräten bis hin zu Feldsystemen – ohne Kühlmittelnachfüllung oder aufwendige Kühlinfrastruktur. MCT-Detektoren kommen in Anwendungen wie Wärmebildtechnik, Infrarot-Laserdetektion, Gasspektroskopie und industrieller Überwachung zum Einsatz, bei denen schnelle und präzise Messungen im mittleren Infrarot entscheidend sind. Die Detektoren sind in mehreren Konfigurationen erhältlich – mit zwei-, drei- oder vierstufigen TE-Kühlern und verschiedenen aktiven Flächengrößen – um unterschiedliche Wellenlängenbereiche und Empfindlichkeitsanforderungen abzudecken. Jedes Bauteil ist hermetisch gekapselt und mit einem integrierten Thermistor zur Temperaturüberwachung ausgestattet, was langfristig eine stabile Leistung sicherstellt. Optional sind optische Erweiterungen verfügbar, die die Einkoppeleffizienz in Systemen mit Faseroptik oder anderen anspruchsvollen optischen Aufbauten weiter verbessern und so den Einsatzbereich der Detektoren in spezialisierten Anwendungen erweitern.
Eigenschaften
- Photoleitender MCT-Sensor – Bietet eine außergewöhnlich hohe Infrarot-Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich von 2 µm bis 9 µm zur Erfassung selbst sehr schwacher IR-Signale.
- Integrierter thermoelektrischer Kühler – Die eingebaute Peltier-Kühlung (2, 3 oder 4 Stufen) ermöglicht einen kalten Detektorbetrieb (bis ca. –75 °C) ohne flüssigen Stickstoff und damit einen kryogenfreien sowie wartungsfreien Einsatz.
- Mehrstufige Kühloptionen – Eine zwei-, drei- oder vierstufige TE-Kühlung ermöglicht einen erweiterten Wellenlängenbereich (bis ~9 µm) und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis, sodass Anwender das passende Modell für ihren Spektralbereich und ihre Empfindlichkeitsanforderungen auswählen können.
- Schnelle Ansprechzeit – Die photoleitende MCT-Technologie bietet Ansprechzeiten im Mikrosekundenbereich (typisch < 2 µs) und eignet sich damit für Hochgeschwindigkeitsmessungen wie die Detektion gepulster Laser oder schnelle Scansysteme.
- Optisch verbesserte Varianten – Verfügbar mit integrierten reflektierenden/refraktiven optischen Elementen, die mehr einfallende IR-Energie auf das Detektorelement fokussieren und so die Empfindlichkeit in Aufbauten mit kollimierten oder divergenten Strahlen effektiv erhöhen (ideal für faseroptisch gekoppelte Anwendungen).
- Hermetisch gekapselte Gehäuse – Robuste Metallgehäuse im TO-Format (z. B. TO-66 oder TO-3) mit eingelöteten Fenstern und Inertgasfüllung schützen Detektor und Kühler, gewährleisten einen stabilen Betrieb und verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit für eine hohe Langzeitzuverlässigkeit.
- Integrierter Thermistor – Jeder Detektor enthält einen internen kalibrierten Thermistor für eine präzise Temperaturüberwachung und Rückkopplungsregelung, um die optimale Sensortemperatur für eine gleichbleibende Leistung aufrechtzuerhalten.
- Unterstützung durch Zubehör – Optionales Zubehör wie Vorverstärker, Kühlkörper, Netzteile und Temperaturregler vereinfacht die Integration in Messsysteme und ermöglicht es, den Detektor je nach Bedarf anzusteuern oder zu stabilisieren.
Verfügbare Modellvariationen
Alle verfügbaren Varianten und ein Vergleich ihrer Spezifikationen
| Model | Active Area (mm) | Spectral Range (approx.) | D* (2-stage TE) | D* (3-stage TE) | D* (4-stage TE) |
|---|---|---|---|---|---|
MCT-3.5-TE-0.25 | 0.25 × 0.25 | 2 – 3.5 µm |
| N/A | N/A |
MCT-3.5-TE-1.00 | 1.00 × 1.00 | 2 – 3.5 µm |
| N/A | N/A |
MCT-5-TE-0.10 | 0.10 × 0.10 | 2 – 5 µm |
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MCT-5-TE-0.50 | 0.50 × 0.50 | 2 – 5 µm |
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MCT-5-TE-1.00 | 1.00 × 1.00 | 2 – 5 µm |
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MCT-5-TE-2.00 | 2.00 × 2.00 | 2 – 7 µm | N/A |
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MCT-7-TE-0.25 | 0.25 × 0.25 | 2 – 7 µm | N/A |
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MCT-7-TE-1.00 | 1.00 × 1.00 | 2 – 7 µm | N/A |
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MCT-9-TE-0.25 | 0.25 × 0.25 | 2 – 9 µm | N/A |
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MCT-9-TE-1.00 | 1.00 × 1.00 | 2 – 9 µm | N/A |
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Hinweise:
- D*-Werte (Detektivität) werden für jedes Modell bei der Spitzenwellenlänge angegeben. „N/A“ bedeutet, dass ein bestimmtes Modell bzw. eine bestimmte Größe mit dieser Kühlstufe nicht verfügbar ist.
- Zweistufige Kühler unterstützen Modelle für kürzere Wellenlängen (niedrigere Grenzwellenlänge), während drei- und vierstufige TE-Kühler für Detektoren mit erweitertem Wellenlängenbereich (über ~5 µm Grenzwellenlänge) eingesetzt werden. Die Sensor-Betriebstemperatur beträgt dabei ungefähr –40 °C bei 2-stufigen, –65 °C bei 3-stufigen und –75 °C bei 4-stufigen Kühlern.
- Standarddetektoren (mit einer Grenzwellenlänge bis ~5 µm) verwenden in der Regel Saphirfenster, während Modelle für den erweiterten Bereich (>5 µm) mit entspiegelten Zinkselenid-(ZnSe-)Fenstern für eine hohe Transmission bei längeren Wellenlängen ausgestattet sind.
FAQs
für Thermoelektrisch gekühlte HgCdTe-MCT Detektoren
Thermoelektrische (Peltier-)Kühler machen die Detektoren deutlich einfacher in der Anwendung, da keine kryogenen Flüssigkeiten benötigt werden. Zwar können mit flüssigem Stickstoff gekühlte Detektoren sehr niedrige Temperaturen erreichen, doch ein integrierter TE-Kühler sorgt bereits durch das Anlegen der Betriebsspannung für eine ausreichende Kühlung (bei 3- oder 4-stufigen Ausführungen bis auf etwa –65 °C bis –75 °C). Dadurch entfallen regelmäßiges Nachfüllen und aufwendige Kühlsysteme. Das Ergebnis ist ein kompakteres und portableres System für den Dauerbetrieb – bei einer etwas höheren Sensortemperatur als bei LN₂-Kühlung. Für die meisten Mid-IR-Anwendungen ist die mit mehrstufiger TE-Kühlung erzielte Leistung hervorragend und bietet hohe Empfindlichkeit sowie Stabilität ohne die logistischen Herausforderungen kryogener Kühlung.
Die Anzahl der thermoelektrischen Stufen bestimmt, wie stark der Detektor gekühlt werden kann und damit auch, welche Infrarotwellenlängen er effektiv detektiert. Ein 2-stufiger Kühler kann den MCT-Sensor typischerweise auf etwa –40 °C abkühlen – ausreichend, um Wellenlängen bis ungefähr 5 µm mit hoher Empfindlichkeit zu erfassen. Zusätzliche Stufen (3 oder 4) ermöglichen niedrigere Temperaturen (etwa –65 °C bzw. –75 °C), reduzieren das thermische Rauschen des Detektors und erlauben die zuverlässige Erfassung längerer IR-Wellenlängen (modellabhängig bis ~7 µm oder ~9 µm). Praktisch bedeutet das: Verwenden Sie einen 2-stufigen Detektor für den Bereich von 2–5 µm und wählen Sie 3 oder 4 Stufen, wenn Ihre Anwendung Mid- bis Longwave-IR-Detektion oberhalb von 5 µm oder ein möglichst niedriges Rauschsignal erfordert. Beachten Sie dabei, dass mehr Stufen einen höheren Leistungsbedarf und eine stärkere Wärmeabfuhr bedeuten können – das sollte im Systemdesign berücksichtigt werden.
Ein optisch verbesserter MCT-Detektor enthält interne optische Elemente, etwa kleine Reflektoren oder Linsen im Gehäuse, um mehr einfallendes Infrarotlicht auf den aktiven Sensor zu konzentrieren. Dadurch erhöht sich effektiv die vom Detektor erfasste IR-Strahlung, was insbesondere bei nicht perfekt fokussiertem Licht die Responsivität und Detektivität verbessert. Eine optisch verbesserte Version ist sinnvoll, wenn Ihr System mit divergenten oder kollimierten Strahlen arbeitet oder wenn Infrarotlicht über eine optische Faser eingekoppelt wird. In faseroptischen Spektroskopie- oder Fernerfassungsaufbauten beispielsweise, bei denen sonst ein Teil des Lichts am kleinen Detektorelement vorbeigehen könnte, fokussiert die integrierte Optik dieses Licht wieder auf den Sensor und verbessert so das Gesamtsignal. Kurz gesagt: Optisch verbesserte Detektoren bieten eine höhere effektive Empfindlichkeit in Anwendungen, in denen die maximale Erfassung einfallender IR-Strahlung eine Herausforderung ist.
Ja. Dabei handelt es sich um photoleitende HgCdTe-Sensoren, deren elektrischer Widerstand sich in Reaktion auf absorbiertes Infrarotlicht verändert. In der Regel werden sie mit einer konstanten Spannungs- oder Stromquelle vorgespannt und über einen Transimpedanzverstärker oder eine ähnliche Schaltung ausgelesen, die kleine Änderungen von Strom oder Spannung erfassen kann. In der Praxis verwenden Sie einen rauscharmen Vorverstärker, um das Ausgangssignal des Detektors zu verstärken, da die eigentliche Widerstandsänderung sehr gering sein kann. Viele Anwender entscheiden sich für die verfügbaren Vorverstärkermodule, die auf diese Detektoren abgestimmt sind und die Integration vereinfachen.
Wenn Sie die Temperatur des Detektors zusätzlich aktiv regeln möchten – etwa um ihn auf einem konstanten Sollwert zu halten –, kann dafür eine Temperaturregeleinheit in Verbindung mit dem integrierten Thermistor und dem TE-Kühler eingesetzt werden. Diese elektronische Unterstützung sorgt dafür, dass Sie unter Ihren Betriebsbedingungen ein stabiles und starkes Signal vom MCT-Detektor erhalten.
Die thermoelektrischen MCT-Detektoren sind in hermetisch dichten Standard-Metallgehäusen im TO-Format erhältlich. Die gängigsten Gehäuseformate sind TO-66 und TO-3. Sie wurden gewählt, weil sie die mehrstufigen Kühler aufnehmen können und sich auf einem Kühlkörper montieren lassen. TO-66 ist ein kompaktes, bolzenmontiertes Gehäuse, das sich für viele 2-stufige und einige 3-stufige Ausführungen eignet. Das größere TO-3-Gehäuse wird dagegen häufig für 4-stufige Kühler oder dann eingesetzt, wenn eine größere Fläche zur Wärmeableitung benötigt wird. Jedes Gehäuse verfügt über ein integriertes IR-durchlässiges Fenster. Bei Detektoren, die für bis zu ~5 µm optimiert sind, besteht dieses Fenster in der Regel aus Saphir (Al₂O₃), der robust und im mittleren Infrarot transparent ist. Für Detektoren mit erweitertem Spektralbereich (über 5 µm) wird ein entspiegeltes Fenster aus Zinkselenid (ZnSe) verwendet, da ZnSe im langwelligen IR eine gute Transmission bietet. Die Wahl des Fensters stellt sicher, dass der vorgesehene Wellenlängenbereich des Detektors mit minimalen Verlusten durchgelassen wird.
Bei der Auslegung Ihres Systems sollten Sie beachten, dass der Gehäusetyp bestimmt, wie Sie den Detektor montieren und das Wärmemanagement umsetzen. In der Regel befestigen Sie das TO-Gehäuse an einem Kühlkörper, um die vom TE-Kühler abgeführte Verlustwärme abzuleiten. Das Fenstermaterial ist bereits auf den Spektralbereich des Detektors abgestimmt, sodass Sie normalerweise kein zusätzliches externes Fenster benötigen. Sie sollten das Fenster jedoch sauber halten und, falls erforderlich, einen zusätzlichen optischen Filter einsetzen, wenn Sie den Spektralbereich weiter begrenzen möchten.
