Infračervené senzory sú technológiou, ktorá ide nad rámec jednoduchého osvetlenia a zabezpečuje bezpečnosť a pohodlie. Ako tieto senzory, ktoré využívajú supravodivé materiály, menia naše životy? V tomto článku preskúmame princípy infračervených senzorov a ich rôzne aplikácie.
Keď som ako zvyčajne skončil vyučovanie, navečeral som sa a vrátil do svojho prázdneho bytu. Hoci bola izba tmavá a stiesnená, čakal tam dobrý priateľ, ktorý sa vždy žiarivo usmieval, aby mi pomohol vyhnúť sa potkýnaniu v tme. Tento priateľ je známy ako infračervené senzorové svetlo – produkt materiálového inžinierstva, ktorý nám pomáha osvetľovať životy.
Tieto infračervené senzory, ktoré bežne vidíme v kúpeľniach, chodbách a vchodoch do domov, fungujú na princípe detekcie infračerveného žiarenia vyžarovaného našimi telami. Infračervené svetlo má dlhšiu vlnovú dĺžku ako viditeľné svetlo a naše telá vyžarujú infračervené žiarenie s vlnovou dĺžkou približne 9.4 mikrometra. Na rozdiel od viditeľného svetla je však voľným okom neviditeľné, takže si ho zvyčajne neuvedomujeme. Napriek tomu tento senzor detekuje infračervené žiarenie z objektu, keď vstúpi do detekčného rozsahu rýchlosťou medzi 30 cm/s a 2 m/s, za predpokladu, že teplota objektu sa líši od teploty okolia aspoň o 3 stupne. Ak sa po určitom čase nič nezistí, senzor prestane fungovať, čím sa zabráni plytvaniu energiou. Z tohto dôvodu počas leta, keď je medzi teplotou nášho tela a teplotou okolia malý rozdiel, nemusí senzor účinne detekovať pohyb.
Príchod infračervených senzorov priniesol významný pokrok nielen z hľadiska pohodlia, ale aj bezpečnosti a efektívnosti. Napríklad automatické osvetľovacie systémy vo vstupných halách domov alebo kúpeľniach znižujú zbytočné plytvanie energiou a prispievajú k úsporám energie tým, že poskytujú svetlo iba vtedy, keď je to potrebné. Táto technológia navyše zohráva kľúčovú úlohu v bezpečnostných systémoch. Keď je zistený votrelca, automaticky sa rozsvietia výstražné svetlá alebo sa spustí alarm, čím sa výrazne zvyšuje bezpečnosť obytných priestorov. Infračervené senzory tak v našich každodenných rutinách rôznymi spôsobmi zlepšujú naše životy.
Z akých materiálov sú teda tieto senzory vyrobené, aby dokázali detekovať infračervené žiarenie vyžarované našimi telami? Výroba takýchto senzorov je možná vďaka „pyroelektrickým materiálom“ – produktu materiálového inžinierstva, ktorý bol spomenutý vyššie. Rôzne molekuly, ktoré tvoria materiál, majú rôzne vlastnosti v závislosti od ich molekulárnej štruktúry alebo atómov, ktoré obsahujú. Medzi nimi niektoré kryštalické molekuly vykazujú zmeny na svojom povrchu, keď je kryštál vystavený zmenám teploty, a to v dôsledku zmien v pohybe atómov spôsobených teplom alebo zmien tvaru v dôsledku tepelnej rozťažnosti. To má za následok zmenu elektrického potenciálu. Jednoducho povedané, ide o vlastnosť, ktorá umožňuje generovanie elektriny v dôsledku zmien teploty; nazýva sa to piezoelektrina a materiály, ktoré majú túto vlastnosť, sa nazývajú „piezoelektrické materiály“.
Aby molekuly efektívne fungovali ako piezoelektrický materiál, musia mať v prirodzenom stave vysoký stupeň polarizácie (prítomnosť polarity v molekule). Takéto materiály sa nazývajú feroelektriká a v našom každodennom živote sa široko používajú ako materiály pre piezoelektrické senzory. Reprezentatívnym príkladom feroelektrika je keramika. Väčšina týchto keramických piezoelektrických materiálov je založená na PZT (keramická molekula s vysokou piezoelektrickou silou) a pridaním rôznych komponentov je možné zlepšiť odolnosť alebo vytvoriť materiály so špecifickými vlastnosťami.
Piezoelektrické senzory využívajú tieto materiály. Piezoelektrický senzor meria intenzitu dopadajúceho svetla využitím piezoelektrického efektu, pri ktorom sa mení veľkosť elektrickej polarity (polarizácie), keď svetlo dopadne na materiál a teplota objektu stúpa v dôsledku energie svetla. Na základe tohto princípu sa piezoelektrické senzory používajú ako teplotné senzory a infračervené senzory. Teplotné senzory dokážu detekovať teplotu buď priamym kontaktom, alebo meraním infračerveného žiarenia vyžarovaného objektom. Infračervené senzory naopak merajú svetlo vyžarované samotným objektom. To ponúka výhodu v tom, že umožňuje pozorovanie aj v noci. Okrem toho, keďže infračervené svetlo dokáže preniknúť cez väčšinu typov dymu alebo oparu, je možné zachytiť obraz, aj keď je objekt zakrytý. Všetky tieto aplikácie umožnili pyroelektrické materiály.
Vďaka týmto princípom nás teraz senzory môžu privítať pri našich vchodových dverách. Okrem toho sa dajú použiť v automatických dverových systémoch, senzoroch pohybu, poplašných zariadeniach proti vlámaniu, detektoroch požiaru a infračervenej fotografii. Napríklad v prípade detektorov plynu sa na určenie koncentrácie CO₂ vo vzduchu používa pyroelektrický senzor, ktorý detekuje vlnové dĺžky okolo 4.3 μm – vyžarované CO₂. Ďalším príkladom je vidikon. Vidikon je to, čo bežne nazývame infračervená kamera; používa pyroelektrické materiály na zachytenie obrazu objektu a následné získanie tepelného obrazu. Potom zaostruje svetlo vyžarované objektom do obrazu, podobne ako bežná kamera, čo nám umožňuje vidieť ho očami.
Okrem toho sa pyroelektrické materiály a senzorová technológia využívajú aj v medicíne. Napríklad bezkontaktné teplomery používajú pyroelektrické senzory na presné meranie telesnej teploty na diaľku a tie slúžia ako kľúčové nástroje na bezkontaktné meranie teploty, najmä počas pandémie. Okrem toho sa infračervené senzory používajú v inteligentných matracoch, ktoré znižujú nepohodlie spôsobené kolísaním teploty v noci, čím prispievajú k zlepšeniu kvality spánku.
Vďaka vynálezu týchto pyroelektrických materiálov boli vedci schopní vyvinúť pyroelektrické senzory, ktoré nám poskytli nespočetné výhody v rôznych aspektoch nášho života, často spôsobmi, ktoré si ani neuvedomujeme. Keď dnes dopíšem toto a vstúpim do svojho prázdneho domu, pyroelektrický senzor – ktorý mi už trochu povedomý – ma privíta a jasne osvetlí podlahu pod mojimi nohami.
