Sensor inframerah ialah teknologi yang melangkaui pencahayaan mudah untuk memberikan keselamatan dan kemudahan. Bagaimanakah sensor ini, yang menggunakan bahan superkonduktor, mengubah kehidupan kita? Dalam artikel ini, kita akan meneroka prinsip di sebalik sensor inframerah dan pelbagai aplikasinya.
Selepas tamat kelas sekolah seperti biasa, saya makan malam dan kembali ke apartmen saya yang kosong. Walaupun bilik itu gelap dan sempit, seorang rakan baik sedang menunggu di sana, sentiasa memancarkan senyuman cerah untuk membantu saya mengelakkan diri daripada tersandung dalam kegelapan. Rakan ini dikenali sebagai cahaya sensor inframerah—hasil kejuruteraan bahan yang membantu menerangi kehidupan kita.
Sensor inframerah ini, yang biasa kita lihat di bilik mandi, lorong, dan pintu masuk rumah, beroperasi dengan mengesan sinaran inframerah yang dipancarkan oleh badan kita. Cahaya inframerah mempunyai panjang gelombang yang lebih panjang daripada cahaya yang boleh dilihat, dan badan kita memancarkan sinaran inframerah dengan panjang gelombang kira-kira 9.4 mikrometer. Walau bagaimanapun, tidak seperti cahaya yang boleh dilihat, ia tidak dapat dilihat dengan mata kasar, jadi kita biasanya tidak menyedarinya. Walau bagaimanapun, sensor ini mengesan sinaran inframerah daripada objek apabila ia memasuki julat pengesanan pada kelajuan antara 30 cm/s dan 2 m/s, dengan syarat suhu objek berbeza sekurang-kurangnya 3 darjah daripada suhu ambien. Jika tiada apa yang dikesan selepas tempoh tertentu, sensor akan berhenti beroperasi, sekali gus mengelakkan pembaziran kuasa. Atas sebab ini, semasa musim panas, apabila terdapat sedikit perbezaan antara suhu badan kita dan suhu ambien, sensor mungkin tidak mengesan pergerakan dengan berkesan.
Kemunculan sensor inframerah telah membawa kemajuan yang ketara bukan sahaja dari segi kemudahan tetapi juga dari segi keselamatan dan kecekapan. Contohnya, sistem pencahayaan automatik di pintu masuk rumah atau bilik mandi mengurangkan pembaziran kuasa yang tidak perlu dan menyumbang kepada penjimatan tenaga dengan memberikan cahaya hanya apabila diperlukan. Tambahan pula, teknologi ini memainkan peranan penting dalam sistem keselamatan. Apabila penceroboh dikesan, lampu amaran akan menyala secara automatik atau penggera akan berbunyi, sekali gus meningkatkan keselamatan ruang kediaman dengan ketara. Dengan cara ini, sensor inframerah meningkatkan kehidupan kita dalam pelbagai cara dalam rutin harian kita.
Jadi, bahan apakah yang diperbuat daripada sensor ini yang membolehkannya mengesan sinaran inframerah yang dipancarkan oleh badan kita? Terima kasih kepada "bahan piroelektrik"—hasil kejuruteraan bahan yang disebut sebelum ini—sensor sedemikian telah menjadi mungkin. Pelbagai molekul yang membentuk bahan mempunyai pelbagai sifat bergantung pada struktur molekulnya atau atom yang terkandung di dalamnya. Antaranya, molekul kristal tertentu menunjukkan perubahan pada permukaannya apabila kristal tertakluk kepada perubahan suhu, disebabkan oleh perubahan dalam gerakan atom yang disebabkan oleh haba atau perubahan bentuk yang terhasil daripada pengembangan haba. Ini mengakibatkan perubahan dalam potensi elektrik. Secara ringkasnya, ini merujuk kepada sifat yang membolehkan elektrik dijana disebabkan oleh perubahan suhu; ini dipanggil piezoelektrik, dan bahan yang mempunyai sifat ini dipanggil "bahan piezoelektrik."
Untuk berfungsi secara berkesan sebagai bahan piezoelektrik, molekul-molekul itu sendiri mesti mempunyai tahap polarisasi yang tinggi (kehadiran kekutuban dalam molekul) dalam keadaan semula jadi. Bahan-bahan sedemikian dipanggil feroelektrik dan digunakan secara meluas sebagai bahan untuk sensor piezoelektrik dalam kehidupan seharian kita. Contoh perwakilan feroelektrik ialah seramik. Kebanyakan bahan piezoelektrik seramik ini adalah berdasarkan PZT (molekul seramik dengan piezoelektrik yang tinggi), dan dengan menambah pelbagai komponen, adalah mungkin untuk meningkatkan ketahanan atau mencipta bahan dengan sifat tertentu.
Sensor piezoelektrik menggunakan bahan-bahan ini. Sensor piezoelektrik mengukur keamatan cahaya datang dengan menggunakan kesan piezoelektrik, di mana magnitud kekutuban elektrik (polarisasi) berubah apabila cahaya mengenai bahan dan suhu objek meningkat disebabkan oleh tenaga cahaya. Berdasarkan prinsip ini, sensor piezoelektrik digunakan sebagai sensor suhu dan sensor inframerah. Sensor suhu boleh mengesan suhu sama ada melalui sentuhan langsung atau dengan mengukur sinaran inframerah yang dipancarkan oleh objek. Sensor inframerah, sebaliknya, mengukur cahaya yang dipancarkan oleh objek itu sendiri. Ini menawarkan kelebihan membolehkan pemerhatian walaupun pada waktu malam. Tambahan pula, memandangkan cahaya inframerah boleh menembusi kebanyakan jenis asap atau jerebu, adalah mungkin untuk menangkap imej walaupun objek itu dikaburkan. Semua aplikasi ini dimungkinkan oleh bahan piroelektrik.
Hasil daripada prinsip-prinsip ini, sensor kini boleh menyambut kita di pintu depan. Selain itu, ia boleh digunakan dalam sistem pintu automatik, sensor gerakan, penggera pencerobohan, pengesan kebakaran dan fotografi inframerah. Contohnya, dalam kes pengesan gas, sensor piroelektrik yang mengesan panjang gelombang sekitar 4.3 μm—yang dipancarkan oleh CO₂—digunakan untuk menentukan kepekatan CO₂ di udara. Satu lagi contoh ialah vidicon. Vidicon ialah apa yang biasa kita rujuk sebagai kamera inframerah; ia menggunakan bahan piroelektrik untuk menangkap imej objek dan kemudian memperoleh imej terma. Ia kemudian memfokuskan cahaya yang dipancarkan oleh objek ke dalam imej, seperti kamera konvensional, membolehkan kita melihatnya dengan mata kita.
Tambahan pula, bahan piroelektrik dan teknologi sensor juga sedang digunakan dalam bidang perubatan. Contohnya, termometer tanpa sentuh menggunakan sensor piroelektrik untuk mengukur suhu badan dengan tepat dari jauh, dan ini telah berfungsi sebagai alat penting untuk saringan suhu tanpa sentuh, terutamanya semasa pandemik. Selain itu, sensor inframerah digunakan dalam tilam pintar yang mengurangkan ketidakselesaan yang disebabkan oleh turun naik suhu pada waktu malam, sekali gus menyumbang kepada peningkatan kualiti tidur.
Hasil daripada penciptaan bahan-bahan piroelektrik ini, para saintis telah dapat membangunkan sensor piroelektrik, yang telah memberikan kita banyak manfaat dalam pelbagai aspek kehidupan kita, selalunya dengan cara yang tidak kita sedari. Semasa saya selesai menulis ini hari ini dan melangkah masuk ke rumah saya yang kosong, sensor piroelektrik—yang kini telah menjadi agak biasa bagi saya—akan menyambut saya dan menerangi lantai di bawah kaki saya dengan terang.
