Characterization of InGaAs detectors for non-contact radiation temperature measurements

Abstract

Günümüzde, InGaAs foto-dedektör temelli cihazlar birçok alanda (tahribatsız muayene testleri, tıp, bilim, gıda sektörü v.b.) kullanılmaktadır. Ancak, bu dedektörlerin çevresel ortam koşullarından olumsuz etkilenmesi önemli bir problemdir. Bu problem, ortam şartlarının değişmesi ile dedektör tarafından üretilen sinyalin kayması olarak tanımlanabilir. Bu sinyal değişimlerinin anlaşılması ve control altına alınması, InGaAs foto-dedektör tabanlı çalışan birçok cihaz ve system üzerindeki çevresel faktörlerin etkisini minimize edecektir. Bu motivasyonla ortam koşullarının InGaAs fotodetektör tabanlı iki radyasyon termometresi (RT) performansı üzerindeki etkisi araştırıldı. RT'lerin çıkış sinyalinin ortam sıcaklığından etkilendiği gözlenmiştir. Ancak, bu etki kullanılan foto detektörün spectral kuantum verimliliğinin konvolüsyona (evrişimine) ve kullanılan girişim filtresinin bağıl spectral geçirgenliğine bağlıdır. Çevresel koşulların RT'lerin hedef sıcaklık okumaları üzerindeki etkisi deneysel olarak incelenmiş ve kapsamlı bir şekilde karakterize edilmiştir. Ortam sıcaklığı etkisini en aza indirmek için iki farklı kompanzasyon, yaklaşımı (donanım yaklaşımı ve yazılım yaklaşımı) kullanılmıştır. Bu kompanzasyon yaklaşımlarının uygulanması, okuma sinyalinin kararlılığının her iki RT için en az 10 katarttığını göstermiştir. Ölçümler üç farklı ışık kaynağı (Zn sabit-nokta siyah cisim kaynağı, IR LED küre ve monokromatör) kullanılarak gerçekleştirildi. Monokromatör kullanılarak yapılan spectral ölçümler iki aşamalı gerçekleştirilmiştir. İlk aşama, InGaAs foto-detektör sıcaklık control devresi kapalıyken, ikinci devre açıkken gerçekleştirildi ve bu ölçümler karşılaştırıldı. Başka bir çevresel faktör olan nem faktörünün InGaAs dedektörü üzerindeki etkisini araştırmak için, ölçümler IR LED dizisiden bir küre ışık kaynağı ile yapılmıştır. Bu tezde, elekromanyetik spektrumun NIR bölgesinde çalışan InGaAs fotodedektörlerin sıcaklık ve bağıl nem bağımlılıkları, +10 °C ile +40 °C hava sıcaklık aralığındaki sabit bağıl nem değeri ile 30 % rh ve 80 % rh bağıl nem değerleri aralığındaki sabit sıcaklık değerinde (24 °C ± 0.2 °C) ölçülmüştür.Today, InGaAs photo-detector based devices are used in many fields (e.g., non-destructive testing, medicine, science, food sector, etc.). However, it is an important problem that the detector's performances are adversely affected by environmental conditions. This problem can be defined as the shift of the signal produced by the detector as the ambient conditions change. Understanding and controlling these signal changes will minimize the impact of environmental factors on many InGaAs photo-detector based devices and systems. With this motivation, investigated the impact of ambient conditions on the performance of two radiation thermometers (RTs) based on InGaAs photodetectors. It was observed that the output signal of the RTs is influenced by the ambient temperature. However, this impact is depended on the convolution of the spectral quantum efficiency of the used photodetector and the relative spectral transmittance of the used interference filter. The impact of the ambient conditions on the target temperature readings of the RTs was experimentally studied and comprehensively characterized. Two different compensation approaches (namely, hardware approach and software approach) were used for minimizing the ambient temperature impact. The implementation of these compensation approaches is demonstrated that the stability of the read-out signal increases at least 10 times for both RTs. In order to measure the ambient temperature effect, measurements were made by using three different light sources( Zn fixed-point black body source, IR LED sphere and a monochromator). Spectral measurements using monochromator were performed in two steps. The first stage was carried out while the InGaAs photo-detector temperature controller circuit was closed, while the second circuit was open, and these measurements were compared. In order to investigate the effect of moisture factor, which is another environmental factor, on the InGaAs detector, measurements were made with an IR LED array sphere light source. In this thesis, temperature and relative humidity dependence of InGaAs photodetectors operating in near infrared (NIR) region of the electromagnetic spectrum were measured at constant relative humidity at air temperatures values from +10 °C to +40 ° C and at constant air temperature (24 °C ± 0.2 °C) at humidity range from 30 %rh to 80 %rh.