Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales...

6
BOLETÍN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE Cerámica y Vidrio A R T I C U L O ^^^ Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO E.T.S.I.Telecomunicación (UPM). Madrid F.LÓPEZ, J.MENESES, A.J.DE CASTRO, J.MELÉNDEZ Escuela Politécnica Superior (U. Carlos III). Leganés (Madrid) En este trabajo, se sientan las bases para el desarrollo de un nuevo sensor Infrarrojo medioambiental compacto. Este sensor, com- bina el uso de cavidades Fabry-Perot de estado sólido (orden interferencial alto) y filtros paso-banda estrechos (bajo orden), aco- plados a ''arrays'' de detectores piroeléctricos (retinas). Se estudia, optimiza y desarrolla cada uno de los elementos del dispositi- vo sensor para el caso específico de detección de CO en procesos de combustión en los que aparece combinado con vapor de agua yCO^ Palabras Clave: Piroelectriddad, Filtros ópticos, Tecnología IR, Sensores Medioambientales, cavidades Fabry-Perot. New environmental infrared sensors In this work, we study a new kind of environmental compact infrared sensors. These sensors combine a new kind of infrared mul- tilayer filter, solid state Fabry-Perot filters, with narrow bandpass IR optical filters and a pyroelectric detector array. This general goal is obtained by means of three different items: study of infrared parameters of pyroelectric materials; study and selection of the gas to sense, and the design and study of properties of the system sensor. Key words: Pyroelectricity, Optical filters. Infrared technology. Environmental Sensors, Fabry-Perot resonators. 1. INTRODUCCIÓN Las técnicas de detección de gases que utilizan la Espectroscopia de Absorción Infrarroja (IR), se basan en que la absorción/emisión por un gas determinado de radiación elec- tromagnética a frecuencias ópticas, es proporcional a su con- centración y se produce únicamente en las longitudes de onda para las cuales los fotones de energía correspondiente pueden originar algún estado excitado en las moléculas componentes. La mayoría de los gases de interés medioambiental, por su importancia industrial e incidencia en la salud humana, como por ejemplo SO2, NO, NO2, CO, CO2, O3, hidrocarburos, etc., emiten y absorben radiación en la región del infrarrojo medio(l,2). En trabajos anteriores (2-4), se ha estudiado y desarrollado el concepto de retina espectral, que consiste básicamente, en la selección de un cierto número de longitudes de onda por medio de filtros interferenciales paso-banda estrechos (del orden del 2 % de la longitud de onda a seleccionar), a los que se les asigna un determinado número de elementos sensores infrarrojos de un array lineal. Cada elemento sensor IR, o grupo de elementos, originará una señal proporcional a la potencia óptica recibida correspondiente a la longitud de onda del filtro colocado encima. En determinadas ocasiones, la superposición de bandas de emisión-absorción y en otras, la presencia de focos térmicos que alteran el fondo de la señal recibida, dificultan enormemente el desarrollo de sistemas sensores mediante el uso de la retina espectral. Uno de los casos en los que aparecen los dos fenómenos anteriores, corresponde a la concentración de CO en procesos de combustión, y en él nos centraremos para demostrar la via- bilidad del sistema sensor, en condiciones extremas. La banda de emisión de interés para la detección del CO, está centrada en 4,7 pm (2127 cm"^), y en consecuencia queda fuera del rango de detección de gran número de sensores cuánticos, o en una región de muy fuerte dependencia con la longitud de onda. Unido esto al hecho de pretender extender la técnica de detección a otros gases, cuyas bandas de emisión- absorción se encuentren en el rango del infrarrojo medio, nos lleva a plantearnos la conveniencia de utilizar otro tipo de sen- sores. Debido a los niveles de detectividad alcanzados, y la mejora de sus propiedades como sensores IR, los materiales piroeléctricos, se presentan como excelentes candidatos. Estudiaremos en este trabajo las características como sensores infrarrojos de materiales cerámicos de titanato de plomo modificado con calcio, teniendo en cuenta la optimización del dispositivo sensor en función de la proporción de Ca en la composición, de los tratamientos eléctricos y mecánicos del material, del tipo de electrodo activo utilizado y del tipo de distribución de elementos considerado. En cuanto al sistema selector de longitudes de onda a desa- rrollar, comentaremos los fundamentos de las cavidades Fabry-Perot de estado sólido, y su utilización, junto con filtros paso-banda estrechos, con el fin de conseguir acoplar el espec- tro de transmisión de longitudes de onda, con el espectro de emisión del CO. Bol. Soc. Esp. Cerám. Vidrio, 37 [2-3] 97-101 (1998) 97

Transcript of Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales...

Page 1: Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación . J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO ... Escuela Politécnica

B O L E T Í N DE LA S O C I E D A D E S P A Ñ O L A DE

Cerámica y Vidrio A R T I C U L O

^^^

Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO

E.T.S.I.Telecomunicación (UPM). Madrid

F.LÓPEZ, J.MENESES, A.J.DE CASTRO, J.MELÉNDEZ Escuela Politécnica Superior (U. Carlos III). Leganés (Madrid)

En este trabajo, se sientan las bases para el desarrollo de un nuevo sensor Infrarrojo medioambiental compacto. Este sensor, com­bina el uso de cavidades Fabry-Perot de estado sólido (orden interferencial alto) y filtros paso-banda estrechos (bajo orden), aco­plados a ''arrays'' de detectores piroeléctricos (retinas). Se estudia, optimiza y desarrolla cada uno de los elementos del dispositi­vo sensor para el caso específico de detección de CO en procesos de combustión en los que aparece combinado con vapor de agua yCO^

Palabras Clave: Piroelectriddad, Filtros ópticos, Tecnología IR, Sensores Medioambientales, cavidades Fabry-Perot.

New environmental infrared sensors

In this work, we study a new kind of environmental compact infrared sensors. These sensors combine a new kind of infrared mul­tilayer filter, solid state Fabry-Perot filters, with narrow bandpass IR optical filters and a pyroelectric detector array. This general goal is obtained by means of three different items: study of infrared parameters of pyroelectric materials; study and selection of the gas to sense, and the design and study of properties of the system sensor.

Key words: Pyroelectricity, Optical filters. Infrared technology. Environmental Sensors, Fabry-Perot resonators.

1. INTRODUCCIÓN

Las técnicas de detección de gases que utilizan la Espectroscopia de Absorción Infrarroja (IR), se basan en que la absorción/emisión por un gas determinado de radiación elec­tromagnética a frecuencias ópticas, es proporcional a su con­centración y se produce únicamente en las longitudes de onda para las cuales los fotones de energía correspondiente pueden originar algún estado excitado en las moléculas componentes. La mayoría de los gases de interés medioambiental, por su importancia industrial e incidencia en la salud humana, como por ejemplo SO2, NO, NO2, CO, CO2, O3, hidrocarburos, etc., emiten y absorben radiación en la región del infrarrojo medio(l,2).

En trabajos anteriores (2-4), se ha estudiado y desarrollado el concepto de retina espectral, que consiste básicamente, en la selección de un cierto número de longitudes de onda por medio de filtros interferenciales paso-banda estrechos (del orden del 2 % de la longitud de onda a seleccionar), a los que se les asigna un determinado número de elementos sensores infrarrojos de un array lineal. Cada elemento sensor IR, o grupo de elementos, originará una señal proporcional a la potencia óptica recibida correspondiente a la longitud de onda del filtro colocado encima. En determinadas ocasiones, la superposición de bandas de emisión-absorción y en otras, la presencia de focos térmicos que alteran el fondo de la señal recibida, dificultan enormemente el desarrollo de sistemas sensores mediante el uso de la retina espectral.

Uno de los casos en los que aparecen los dos fenómenos anteriores, corresponde a la concentración de CO en procesos de combustión, y en él nos centraremos para demostrar la via­bilidad del sistema sensor, en condiciones extremas.

La banda de emisión de interés para la detección del CO, está centrada en 4,7 pm (2127 cm"^), y en consecuencia queda fuera del rango de detección de gran número de sensores cuánticos, o en una región de muy fuerte dependencia con la longitud de onda. Unido esto al hecho de pretender extender la técnica de detección a otros gases, cuyas bandas de emisión-absorción se encuentren en el rango del infrarrojo medio, nos lleva a plantearnos la conveniencia de utilizar otro tipo de sen­sores. Debido a los niveles de detectividad alcanzados, y la mejora de sus propiedades como sensores IR, los materiales piroeléctricos, se presentan como excelentes candidatos. Estudiaremos en este trabajo las características como sensores infrarrojos de materiales cerámicos de titanato de plomo modificado con calcio, teniendo en cuenta la optimización del dispositivo sensor en función de la proporción de Ca en la composición, de los tratamientos eléctricos y mecánicos del material, del tipo de electrodo activo utilizado y del tipo de distribución de elementos considerado.

En cuanto al sistema selector de longitudes de onda a desa­rrollar, comentaremos los fundamentos de las cavidades Fabry-Perot de estado sólido, y su utilización, junto con filtros paso-banda estrechos, con el fin de conseguir acoplar el espec­tro de transmisión de longitudes de onda, con el espectro de emisión del CO.

Bol. Soc. Esp. Cerám. Vidrio, 37 [2-3] 97-101 (1998) 97

Page 2: Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación . J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO ... Escuela Politécnica

J. DE FRUTOS, A. M. G O N Z Á L E Z , M . C. D U R O , F. LÓPEZ, J. MENESES, A. J. DE CASTRO, J. MELÉNDEZ

2. EXPERIMENTAL

2.1. Espectro de emisión del CO

En la figura 1, se recoge el espectro de emisión de una llama a una temperatura promedio de 900 K, determinada experi-mentalmente por medio de un espectrorradiómetro MID AC, con una resolución de 0.5 cm"^, y a una distancia de la llama de 50 m, con lo que la señal medida se modifica con la corres­pondiente atenuación atmosférica. En la parte inferior de la figura, se recogen los espectros característicos a esta tempera­tura del CO2 y del CO. Puede observarse, que en la región de 2040 a 2100 cm'^ sobre el fondo del espectro de emisión de la llama, aparecen las bandas características de emisión del CO. Pequeñas fluctuaciones en el tamaño de la llama, variaciones del flujo radiante o simplemente variaciones pequeñas entre la orientación del elemento sensor y de la llama, pueden intro­ducir cambios más importantes en la región de emisión del CO que alteraciones notables de la concentración de este últi­mo (en un proceso de medida que implique la integración de la señal, determinaríamos el nivel con respecto al fondo, y los valores de CO quedarían incluidos como ruido), necesitando de alguna forma separar la señal del fondo para poder cuanti-ficar el contenido de CO presente.

Por otra parte, el estudio de evolución de las bandas de emi­sión del CO con la temperatura pone de manifiesto un notable desplazamiento de las mismas, que en determinadas longitu­des de onda implica un intercambio entre las posiciones de máximo y mínimo incluso para variaciones de temperatura relativamente pequeñas (en la región de máxima dependencia puede observarse este fenómeno con variaciones de tempera­tura inferiores a 50 °C). Se ha estudiado este fenómeno para diferentes concentraciones y temperaturas de CO, determi­nando que la región espectral entre 2100 y 2060 cm"^ mantiene estable la posición de las bandas de emisión del CO. En la figu­ra 2 se representa por una parte la evolución de las bandas características del CO para diferentes temperaturas en todo el rango espectral considerado, y el detalle de las mismas en una región espectral en la que con la dependencia de temperatura las bandas se desplazan intercambiando posiciones de máxi­mo y mínimo (2000-2040 cm'^ ), y la región espectral en la que la posición de las bandas es prácticamente independiente de la temperatura (2060-2100 cm"^). El objetivo por lo tanto, será desarrollar un sistema sensor que se adapte al perfil de emi­sión del CO en esta región espectral.

CO (lOOO ppm) en función de ia t e m p e r a t u r a

'm&. ;*, Hi|„,

• • ' .V , ,

'ÄW-^''''"''•^'if'miailmhírii

tK^ 2 2 Û 0 2 1 0 0 N Ú M E R O D E O N D A (cm"'')

2300 2260 2200 2150 2100 2050 2000

Fig. 1. Espectro de emisión de una llama de hidrocarburos, medida a una dis­tancia de 50 m y espectros teóricos de emisión del CO y CO2 a la temperatu­ra de la llama.

3C»K 5G0K 725K 2D« 2Cm 2E) 2D10

^ s K ^ 2 2W0 2030 2033 2010

Fig. 2. Evolución de las bandas de emisión del CO (1000 ppm) en función de la temperatura.

2.2. El elemento sensor

2.2.1. ESTUDIO EN FUNCIÓN DE LA COMPOSICIÓN

Se han estudiado cerámicas ferroeléctricas de composición nominal Ca/b^_JTi^ 95 W0.5^^0.5^om^^s ^^n x=0.24,0.30 y 0.35, a las que denominaremos respectivamente PTC24, PTC30 y PTC35. Estas cerámicas fueron mecanizadas en discos de 8 mm de diámetro y espesores inferiores a 0.5 mm. Posteriormente fue­ron metalizados en sus caras paralelas con plata evaporada en vacío, y polarizadas en caliente (a 120 °C), aplicando campos de 70 (PTC24), 30 (PTC30) y 15 kV/cm (PTC35).

Para cada una de las composiciones, se ha determinado la polarización remanente en función de la temperatura (hacien­do uso del método de integración de carga), y a partir de este valor, se han calculado los coeficientes piroeléctricos asociados.

También se ha medido la permitividad dieléctrica a 1 kHz, para cada uno de los diferentes contenidos de Ca, en función de la temperatura. La bondad de un material para su uso como sensor piroeléctrico, se determina a partir de las denominadas ''Figuras de Mérito piroeléctrico''. En ellas, se determina la rela­ción de diferentes parámetros implicados en la respuesta a estí­mulos térmicos del elemento sensor. De todas ellas, la Figura de Mérito más frecuentemente usada, es aquella que indica la rela­ción entre el coeficiente piroeléctrico (a mayor valor mejor res­puesta a estímulos térmicos del material) y la constante dieléc­trica (altos valores implican una peor respuesta eléctrica del material a estímulos térmicos) (5). En consecuencia, a partir de los valores experimentales anteriores, determinamos la Figura de Mérito piroeléctrica F¿ (figura 3B) que nos da una idea de la bondad de cada uno de los materiales para ser usados como sensor IR. Un aspecto muy importante a tener en cuenta en la aplicación que buscamos es que en ocasiones, el sensor puede encontrarse sometido a temperaturas relativamente altas com­paradas con la temperatura ambiente. Para que el elemento sen­sor sea fiable, es necesario que el material recupere los niveles de polarización perdidos en los procesos de calentamiento. Para obtener información al respecto, hemos diseñado un experi­mento basado en la determinación de la remanencia del pará­metro piezoeléctrico d33, que está directamente relacionado con el nivel de polarización del material. Para ello, se determina el valor de d33 a temperatura ambiente, después de haber mante­nido la muestra a la temperatura deseada durante un mínimo

98 Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 37 Núms. 2-3 Marzo-Junio 1998

Page 3: Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación . J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO ... Escuela Politécnica

SENSORES INFRARROJOS MEDIOAMBIENTALES DE NUEVA GENERACIÓN

125

100

75

50

25

O

120 DEI-I

40

TEMJf'E;RAT|J F A, (Ç) , ,

100 200 300

(A)

50 100 150 200

(B)

Fig. 3. Remanencia de d¡¡ (a) y Figuras de Mérito piroeléctricas (B), en mues­tras de PTC24, PTC30 y PTC35

A PTC24 0.08 -(3— PTC30

a PTC35 o 1-

^5|i> 0 . 0 4 -S í ' ^ ^ ^ ^ UJ

^ J n . " ^^-s^aí^-. <

P T C 3 0 Tratada Sin Tratar

0.00

T E M RE: RATURA (<=>C)

100 200 300 400

Fig. 4. Figuras de Mérito piroeléctricas en muestras sometidas a 10 reversio­nes de polarización (línea a trazos) y muestras sin reversión de polarización.

de 30 minutos. En la figura 3A, se representan los valores obte­nidos para cada composición.

Analizando los resultados anteriores, y fundamentalmente los valores de Figura de Mérito piroeléctrica y los de rema­nencia de d33 consideramos que la composición más adecua­da para su uso como sensor piroeléctrico, corresponde al PTC30.

2.2.2. TRATAMIENTOS ELÉCTRICOS

La Figura de Mérito piroeléctrica, puede mejorarse sustan-cialmente aumentando los valores del coeficiente piroeléctrico y / o disminuyendo los valores de la permitividad dieléctrica. En trabajos anteriores (5), se ha puesto de manifiesto que tra­tamientos controlados de reversión de polarización, originan un estado de microfracturas que provocan una moderada inte­rrupción del flujo eléctrico, sin alterar el estado de polariza­ción. En consecuencia, se consigue disminuir notablemente los valores de permitividad dieléctrica. No obstante, si el número de reversiones de polarización es alto, el material se degrada fuertemente, mostrando un aspecto frágil, que impide su uso como sensor. Experimentalmente, se ha comprobado que con aproximadamente 10 reversiones, se consigue crear suficientes microfracturas como para reducir considerablemente la cons­tante dieléctrica, manteniendo las propiedades mecánicas del material. Teniendo esto presente, se han realizado medidas de constante dieléctrica, coeficiente piroeléctrico y pérdidas die­léctricas todo ello en función de la temperatura, y para mues­tras polarizadas en caliente siguiendo el método tradicional, y en muestras sometidas 10 veces al proceso de reversión de polarización. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto la mejora de las propiedades sensoras del material cuando es sometido al proceso de reversión de polarización. En la figura 4 se compara la Figura de Mérito piroeléctrica en una muestra de PTC30, tratada (10 reversiones de polarización), y sin tra­tar. Puede observarse una notable mejora en la Figura de Mérito correspondiente a la muestra tratada.

2.2.2. ELECTRODOS SEMICONDUCTORES

El objetivo que perseguimos en este trabajo, es la realización de un dispositivo sensor compacto, con capacidad de discri­

minación espacial y espectral para su uso como sensor medio­ambiental. Una de las formas de integración más útil, es el cre­cimiento del ''arraya' de filtros interferenciales sobre el propio elemento sensor. Debido a esto, nos planteamos la convenien­cia de utilizar como electrodo del elemento sensor la primera capa de los filtros interferenciales. Ópticamente, esto presenta ventajas grandes, puesto que los materiales utilizados son totalmente transparentes al infrarrojo medio, garantizando un alto nivel de transmisión de la radiación al elemento sensor. El problema a resolver es la viabilidad eléctrica de utilizar un semiconductor como electrodo en el piroeléctrico.

El estudio se ha realizado sobre muestras de PTC30, en las que hemos sustituido uno de los electrodos de plata, por un depósito evaporado en vacío de germanio (Ge) o monóxido de silicio (SiO) con espesores del orden de À,/4 (3100 Â y 3700 Â respectivamente). Después de estudios previos sobre el com­portamiento de cada semiconductor, y en base a la informa­ción existente sobre cada uno de ellos, seleccionamos como más conveniente el depósito de Germanio (es más estable, no se modifica por posible contaminación con el substrato piroe­léctrico y proporciona una respuesta eléctrica reproducible).

El Ge es un semiconductor, con un gap de 0.6 eV, mientras que el PTC30 es un cerámico ferroeléctrico, con una resistivi­dad eléctrica muy alta. Los campos eléctricos de polarización son muy altos (30 kV/cm) y la resistividad del Ge es despre­ciable comparada con la de la cerámica. En consecuencia, el Ge puede considerarse un buen conductor eléctrico en compara­ción con el PTC30. No obstante, podremos suponer que se trata de un buen electrodo cuando el campo eléctrico sea el mismo en todos los puntos de la superficie cubierta, y además el nivel de polarización adquirido por el material sea alto y uniforme en toda la superficie en contacto con el electrodo. Esto se requiere incluso cuando se aplica puntualmente el campo en una región del mismo e independientemente del punto concre­to del electrodo en el que se aplique. Para verificar si el Ge es un buen electrodo, hemos polarizado las muestras, aplicando el campo eléctrico en una pequeña región del centro de super­ficie de la pastilla. Posteriormente, hemos medido en regiones muy pequeñas del electrodo el coeficiente piezoeléctrico á^y para diferentes distancias al punto de aplicación del campo. Los resultados obtenidos, se recogen en la Tabla I. Se observan Ugeras variaciones en el valor del d33, aunque, para cada campo aplicado, el valor es prácticamente el mismo en las dife­rentes regiones de la superficie electrodada.

Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 37 Núms. 2-3 Marzo-junio 1998 99

Page 4: Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación . J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO ... Escuela Politécnica

J. DE FRUTOS, A. M. GONZÁLEZ, M. C. DURO, F. LÓPEZ, J. MENESES, A. |. DE CASTRO, J. MELÉNDEZ

TABLA I

DISTRIBUCIÓN DE VALORES DE D

GERMANIO 33 EN EL ELECTRODO DE

Ep (kV/cm) 5 10 15 20 30 d33 centro 15 40 70 80 S5

(pC/N) borde 14 39 69 80 84

Debido a que los materiales piroeléctricos son también pie-zoeléctricos, una de las fuentes de ruido permanentes, es el ruido acústico. Con el fin de evaluar la influencia de este ruido cuando trabajamos con un electrodo semiconductor, hemos estudiado y comparado los modos de vibración del material con electrodos de plata y con electrodos de germa-nio en la superficie activa y plata en la opuesta. Los resulta­dos obtenidos, ponen de manifiesto una peor respuesta pie-zoeléctrica con electrodos de Ge, proporcionando muy bajos niveles de resonancia. En consecuencia, este tipo de electro­dos, añade una ventaja adicional al sensor, al disminuir nota­blemente el ruido acústico.

Por último, hemos comparado la detectividad específica de las muestras de PTC30, sometidas a procesos de reversión de polarización, y con polarización directa, con los dos tipos de electrodos. Para la medida, hemos usado como fuente de radiación IR un Cuerpo Negro a 500 K, con una frecuencia de interrupción de 15 Hz. La detectividad específica determina­da para cada muestra, D'*"(500, 15,1), indica una mejora en casi un orden de magnitud en las muestras sometidas al pro­ceso de reversión de polarización, y para estas muestras, los valores medidos son de 6-10^ (cm Hz ^ W" ) en las muestras con electrodos de Ag y de 8.5-10^ (cm Hz ^ W"^) en las mues­tras con electrodos de Ge. En consecuencia, podemos afir­mar, que la capa depositada de germanio en la muestra cerá­mica, actúa como un excelente electrodo y mejora las propie­dades de detección infrarroja del material.

2.3. Selección espectral de longitudes de onda

El elemento novedoso en la selección espectral de la longi­tud de onda, es lo que hemos llamado cavidad Fabry-Perot de estado sólido. Como toda cavidad Fabry-Perot, está cons­tituida por dos superficies plano paralelas con un alto nivel de reflactancia separadas una determinada distancia. Si suponemos que la radiación incide normalmente, y que no existe absorción dentro de la cavidad, los coeficientes de transmisión y reflexión son reales. Si además consideramos que las dos superficies planoparalelas de la cavidad tienen la misma reflectancia interna y que no existe cambio de fase en las reflexiones internas, la transmitancia T(v) de la cavidad Fabry-Perot, viene dada por (7,8)

1 7ÏV)

1+4-( 1 - ^ /

-Sm\2nnäv) [1]

donde Rg corresponde al cuadrado del coeficiente de reflexión interna, n y d son respectivamente el índice de refracción y el espesor de la lámina separadora y v es el número de onda. La posición de los picos de transmitancia puede determinarse maximizando la transmitancia teórica (T_^^=T(v^^)=l), así

i r iaX iVi

obtenemos que Vj^=M/(2nd), donde M es un entero llama­do orden de interferencia, que corresponde al número de medias longitudes de onda que caben dentro de la cavidad. La separación espectral entre dos máximos sucesivos, lla­mada FSR, depende únicamente del espesor óptico de la cavidad y es constante en todo el espectro. Lo mismo ocu­rre con la anchura media de los picos (FWHM), que supo­niendo que corresponde a valores de transmitancia de 0.5, viene dado por:

FWHM- [2]

Una cavidad Fabry-Perot, puede fabricarse fácilmente con un sustrato sólido con caras planoparalelas y altamente puli­das. Para fabricar un étalon de estado sólido adaptado a la estructura fina del CO, usaremos como región de interferen­cia una lámina de silicio en la que se depositan en ambas superficies capas delgadas de material ópticamente activo, que garanticen una alta reflectividad en la intercara interna del material. El silicio presenta muy buena transmitancia en la región de interés del IR y comercialmente se puede conse­guir en láminas que garantizan un alto grado de planopara-lelismo, altísimo grado de pulido y están disponibles en un amplio rango de espesores, lo que permite conseguir el FSR con un alto grado de precisión.

De acuerdo con el apartado 2.1, la estructura fina de la banda de emisión del CO, está centrada en 2080 cm'^ y tienen un FSR de 4.4 cm'^. En este rango espectral, el índice de refracción del silicio es n=3.42 y el espesor, d, requerido en la oblea 330 ]im. Los niveles de fineza (relación entre FSR Y FWHM) y el contraste (relación entre máximo y mínimo de transmitancia) se consiguen fácilmente con una simple depo­sición de tan solo 2 capas. En principio, la transmitancia así conseguida, mantiene la misma estructura en todas las longi­tudes de onda. Para limitar esta transmitancia a la banda de emisión del CO, acoplamos la cavidad Fabry-Perot de estado sólido con un filtro paso-banda estrecho adaptado a esta región. En consecuencia, el canal de medida del CO respon­de a la estructura siguiente:

AIRE//H L// Si (330 mieras) //LH//AIRE + FILTRO PASO BANDA

donde H y L corresponde a láminas de espesor óptico À,/4, para materiales de alto índice de refracción (Ge) y bajo índi­ce de refracción (SiO).

Un aspecto de especial interés en los filtros de la cavidad Fabry-Perot de estado sólido, es que la fase cambia en las reflexiones internas dependiendo de la reflectividad de las multicapas. En nuestro caso, esto tiene mucha utihdad al diseñar el filtro de referencia, ya que nos permitirá comparar la señal correspondiente al CO con el fondo en el que está superpuesto. Añadiendo una simple lámina en una de las caras, la fase de las reflexiones internas cambia en n, propor­cionando máximos donde antes teníamos mínimos y vice­versa. De esta forma, conseguimos nuestro canal de referen­cia con la estructura siguiente:

AIRE// H L H/ Si (330 mieras) / /LH //AIRE + FILTRO PASO BANDA

y conseguimos los objetivos perseguidos de disponer de un filtro de estructura fina acoplada a las bandas de emisión del CO, y en la misma región, un canal de referencia, que permi-

100 Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidr io. Vo l . 37 Núms. 2-3 Marzo-Junio 1998

Page 5: Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación . J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO ... Escuela Politécnica

SENSORES INFRARROJOS MEDIOAMBIENTALES DE NUEVA GENERACIÓN

te compensar el fondo de la señal recibida, que no corres­ponde a la emisión propia del CO.

3. CONCLUSIONES

Se ha estudiado la estructura fina de emisión del CO para diferentes temperaturas y concentraciones, determinando como región espectral de no variación con la temperatura la correspondiente a 2100 y 2040 cm'^ Como elemento sensor, se han estudiado materiales cerámicos ferroeléctricos de titanato de plomo modificado con calcio. El estudio se ha realizado en función de la composición, de los procesos de polarización, y del tipo de electrodo utilizado. En base a los datos obtenidos, se ha seleccionado como más adecuado el PTC30, sometido a procesos de inversión de polarización (10 ciclos) y con electrodos de Ge de 3100Â, lo que mejora la D" del material en cerca de 2 órdenes de magnitud, y consi­guiendo valores de D^ (500,15,1) = 8.5-106 ^^^ ^ z W"^). Por último, se ha diseñado un sistema sensor adaptado a la estructura fina del CO, con un canal de referencia que per­mite discriminar la se al propia del CO con la del fondo en el que está superpuesto.

4. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo se ha realizado con la financiación de la CICYT, por medio de los proyectos de investigación TIC95-1119-C02-01yTIC95-1119-C02-02. •

5. BIBLIOGRAFÍA

1. R.M. Harrison, R. Perry EDS., «Handbook of Air Pollution Analysis». Chapman & Hall, NY. USA, 1986.

2. F. Lopez, J.de Frutos, A.M. González, A. Navarro. «Integrated optical filters for IR electrooptical gas sensors». Sensors and Actuators, B6, 170-178 (1992)

3. F.López, J.de Frutos. «Multispectral interference filters and their application to the desingn of compact non-dispersive infrared...». Sens. Act., A, 37, 502-509 (1993)

4. J.de Frutos, J.M. Rodriguez, F. Lopez, A.J.de Castro, J. Meléndez, J. Meneses. «Electrooptical compact gas sensor» Sensors and Actuators B, 19, 682-690 (1994)

5. J.Mendiola, C.Alemany, J.de Frutos. «Improvement of lead titanate ceramics for infrared detector». Sensor and Actuators, A, 37, pp 516-518 (1993)

6. J.D. Vincent, «Fundamentals of Infrared Detector Operation and testing» John Wiley and Sons. New York (1990)

7. J.Meneses, S.Briz, A.J. de Castro, J.Meléndez and F.López. "A new method for imaging of Carbon Monoxide in combustion environments" Aceptado para publicación.

8. R.L.Spellicy, "Solid state étalons applied to high-resolution imaging". Optics an Photonics News. January 1995, p22-27

• • •

Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio. Vol. 37 Núms. 2-3 Marzo-Junio 1998 101

Page 6: Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación · Sensores infrarrojos medioambientales de nueva generación . J, DE FRUTOS, A.M.GONZÁLEZ, M.C.DURO ... Escuela Politécnica

BOLETÍN DE LA SOCIEDAD ESPAÑOLA DE

Cerámica y Vidrio I N S T R U C T I O N S FOR PAPERS

SUBMISSION OF PAPERS The original paper and two copies, as well as a copy on computer disket­

te, should be sent to: Redacción del Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio, antigua Carretera de Madrid-Valencia, Km. 24,300, 28500 Arganda del Rey, Madrid.

1. TITLE It should be as concise as possible and accurately reflect the contens of the

publication. In case the article is to be published in separate numbers or sec­tions, each part, apart from the title, ought to bear an additional subheading.

2. AUTHORS Underneath the title author's (author's) full name(s) will be indicated, as

well as the name of the institution where the research was conducted.

3. ABSTRACT The text will be preceded by a short summary or abstract, no longer than

200 words, indicating briefly but clearly the aims and purpose of the research, the methodology used and the results obtained.

4. KEYWORDS The abstract should be followed by a maximum of five key words accura­

tely describing the paper contents.

5. TEXT The text will be summitted in Spanish or English, typewritten with double

line spacing and using the front page only, the page being adjusted to UNE Standard A4 (21 x 29,7 cm) with a 2-3 cm left hand marging.

The total lenght of the article should not exceed 12 pages of the specified format. In case this length is surpassed, the publication has to be broken down into two or more parts.

For greater ease of comprehension and orderly presentation, it is recom­mended to structure the text into logical sections provided with a short he­ading and sequential numbering in arable figures. Such sections may have any number of subsections or chapters, identified according to the example below:

1. INTRODUCTION

2. EXPERIMENTAL 2.1. Identification of raw materials 2.1.1. CHEMICAL ANALYSES 2.1.1.1. Granulometry

The text should be condensed to a maximum, avoiding unnecessary des­criptions and superfluous experimental detail, as well as procedural expla­nations described elsewhere, so that a simple quote of the bibliographical reference is sufficient.

The use of symbols, abbreviations or acronyms of physical magnitudes should follow the International Unit System.

6. TABLES, GRAPHS AND PHOTOGRAPHS Tables and figures (graphs and photographs) have to adjust in any case to

the scope and requeriments of the research reported. However, the number of these illustrations should be reduced to the necessary minimum.

Unless to the detriment of clarity, it is recommended to justapoxe graphs referring to the same representational system. Except for exceptional cases, tables and graphs should not be used simultaneously to represent identical data.

Tables will be numbered in Roman figures and provided with a short legend.

They will be presented on separate sheets at the end of the article. Figures (graphs and photographs) will be numbered correlatively and in the

order of quotation in the text. The legends to the figures should in themselves suffice to explicate their contents. According to their numbering, they will be added on a separate sheet at the end of the text, together with the tables.

Tables as well as figures will have to be expressly mentioned in the text, indirect reference does not qualify for inclusion in the publication.

The author will indicate on the left hand marging the approximate and desired site of incorporation into the text for each table or figure. Definitive incorporation will, however, depend on composition and setting.

Graphs and drawings should be presented on separate sheets as camera-ready originals or with quality enough to ensure clear reproduction.

The permissible width of figures and tables is that of a column (8,2 cm), only in exceptional cases a double column (17 cm) can be admited. If it is desired to differentiate several curves in one and the same graphic, differentia­tion will be made by means of a fat black line, dotted line and a line consis­ting of dots and dashes.

Graphical representation of experimental findings will be indicated by me­ans of symbols O • D • A A in the preferential order mentioned in the text.

Photographs will be supplied in black and white and on glossy paper, mini­mum dimensions 9 x 1 2 cm, indicating, where required, the graphical scale reference.

In order to allow for easy identifications of this material, each item will be marked in pencil and on the marging (photographs on the verso) with its current number, the name of the author and an abridged reference to the title.

7. REFERENCES References (as well as footnotes) should be listed in the order in which they

appear in the paper. The order numbers in the text should be in brackets. All references should be listed together on a separate page. References

to periodical papers must include the authors' names, paper title, periodi­cal title, volume number, page range and year (as applicable). Papers from proceedings should include, apart from the author' names and the title of the paper, the location and date of the meeting, name and location of the publisher and the year of publication. Book references should include aut­hors' names, chapter/section title, page range, book title, editors' names, publisher's name registration, the title of the patent, country, number and date.

When original titles are written with non-latin letters, the title should be translated into Spanish and followed by indication of the original languaje between brackets.

Formats of typical references are as follows: 1. D.P.H. Hasselman. «Unified Theory of Thermal Shock Fracture

Initiation and Crack Propagation in Brittle Ceramics». J. Am. Ceram. Soc. 52 [11] 600-604(1969).

2. J.M. Fernández Navarro. «Fundamentos de la fabricación del vidrio», pp. 127-329 en El Vidrio. Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Madrid (España) 1991.

3. K.T. Faber. «Microcracking Contributions to the Toughness of Zr02 Based Ceramics», pp. 293-305 en Advances in Ceramics vol. 12: Science and Technology of Zirconia ¡I, Second International Conference on the Science and Technology of Zirconia (Zirconia'83), Stuttgart (Alemania), Junio 1983. Ed. N. Claussen, M. Rhule, A.H. Heuer, The American Ceramic Society Inc., Columbus, Ohio (USA) 1984.

4. E.W. Babcock, R.A. Vascik. Libbey-Owens-Ford Glass Co. «Glass Sheet Support Frame». USA num. 334765 (17-10-1967).

8. GALLERY PROOFS The authors will receive the respective printer's slips for proof reading,

which are expected to be returned within one week. After this time, the ga­llery will be proofed by the Bulletin's editorial staff with no liability for errata remaining in the text.

Upon gallery proofs, no modifications of the original text can be accepted, unless the author bears the charges.

9. REPRINTS The authors will receive, free of charge, 25 reprints plus a copy of the issue

in which the article is published. Additional reprints may be ordered at the current price scales.

10. REVIEW AND PUBLISHING The Editorial Committee will select two reviewers for any original manus­

cript received and will return to the authors the reviewer's comments, recom­mending to introduce the suggested changes.

Only original manuscripts will be accepted. When your papel has been refereed, revised if necessary and accepted,

send a disk containing the final version with the final hard copy. Make sure that the disk and hard copy match exactly. Instructions will be supplied once a manuscript has been reviewed and accepted.