Tecnologia CCD/CMOS vs PMT/CPM: comparativo para determinar o melhor detector em OES

O CCD/CMOS representa o futuro de análise espectrométrica.

Os Espectrômetros de Emissão Óptica(OES) utilizam detectores que convertem a luz incidente (sinal óptico) em impulsos elétricos, os quais podem ser determinados quantitativamente e comparados a um banco de dados, fornecendo assim o resultado desejado — a concentração elementar da amostra analisada.

Após sua invenção em 1930, os tubos fotomultiplicadores (PMTs) rapidamente se tornaram os detectores preferenciais dos fabricantes de OES. Os PMTs eram considerados tecnologia de ponta, substituindo as chapas fotográficas que até então eram o padrão. Com os PMTs, os instrumentos passaram a automatizar as medições.  Eles dominaram o mercado com rapidez, e logo praticamente todos os espectrômetros OES passaram a utilizá-los. Os PMTs evoluíram ao longo das décadas e atingiram seu auge no final dos anos 1980. Depois disso como ocorre com toda tecnologia, estagnaram — e surgiu, uma alternativa mais moderna.

Embora inventado em 1969, o CCD começou a ser utilizado regularmente na indústria apenas no fim da década de 1980. Sua introdução na espectrometria marcou o início do declínio fdos espectrômetros baseados em PMT, assim como de outros dispositivos. No entanto, foi somente com o amadurecimento da tecnologia que a substituição se tornou inquestionável

A tecnologia de detectores lineares de Dispositivo de Carga Acoplada (CCD) já vinha sendo aplicada em áreas ópticas anteriormente, mas, nos anos 1990, havia evoluído o suficiente para torná-la viável em aplicações de alta precisão como a espectrometria. Graças às suas vantagens — menor tamanho, peso reduzido e alta densidade de pixels em cada detector (em contraste, o PMT é um detector de pixel único) —, os CCDs passaram a oferecer praticamente tudo o que engenheiros de P&D poderiam desejar, com exceção da máxima sensibilidade. Mas isso também avançava rapidamente. No início dos anos 2000, todos os principais fabricantes de OES já avaliavam os detectores CCD e lançavam modelos baseados neles. O ritmo de adoção não diminuiu: os CCDs evoluíram tão rapidamente que hoje estão presentes em diversas aplicações de ponta — incluindo missões espaciais, imageamento por satélites e, naturalmente, aplicações avançadas em espectrometria.

Como fabricantes de OES, avaliamos diversos tipos de detectores e escolhemos o CCD como nossa opção preferencial. Com a evolução tecnológica, os detectores CMOS — antes inferiores aos CCDs em desempenho, embora mais vantajosos em custo e escalabilidade — passaram a ganhar destaque. Por volta de meados da década de 2010, a última geração de detectores CMOS passou a igualar e até superar os CCDs em diversos aspectos. Em comparação com os PMTs, esses detectores mostraram-se superiores em praticamente todos os parâmetros relevantes. Como líderes do setor, fomos pioneiros na avaliação e adoção dos detectores CMOS, lançando nosso primeiro OES com essa tecnologia em 2016. Nosso trabalho pioneiro hoje é seguido por praticamente todos os outros fabricantes.

Atualmente, detectores CMOS/CCD são reconhecidos globalmente como os melhores detectores para todos os tipos de aplicações em espectrometria — inclusive, e especialmente, nas aplicações de mais alto nível.

Ainda assim, continuamos recebendo perguntas de clientes que ainda mantêm concepções antigas sobre os supostos benefícios dos PMTs, ou que caem em estratégias de marketing de algumas empresas concorrentes que ainda não conseguiram otimizar a tecnologia CMOS/CCD em seus instrumentos e, portanto, permanecem com detectores PMT. Este documento tem como objetivo esclarecer algumas dessas concepções equivocadas e conscientizar os usuários sobre as diferenças entre os detectores e suas capacidades.

Detectores PMT (Tubo Fotomultiplicador)

Simplificando, um PMT é um detector de pixel único: cada PMT detecta apenas um comprimento de onda específico, para o qual está alinhado. Considerado um dispositivo legado quase obsoleto, o PMT é um remanescente da era dos tubos a vácuo. Cada PMT captura fótons emitidos pela luz, e sua camada fotocátodo converte esses fótons em eletricidade. Dínodos são então usados para multiplicar essa carga várias vezes, tornando-a legível pelo instrumento. Os PMTs possuem diferentes especificações e tipos, e, consequentemente, preços variados. PMTs usados na região UV profunda de um espectrômetro, por exemplo, custam várias vezes mais que os usados na região visível. Os Channel PMTs (CPMs) são apenas uma variante dos PMTs, com um canal semicondutor estreito e curvo, desempenhando a mesma função de uma cadeia clássica de dínodos. Assim, os CPMs compartilham a mesma natureza dos PMTs e apresentam vantagens e limitações equivalentes. Fundamentalmente, os PMTs são detectores grandes (em comparação com dispositivos de estado sólido), de pixel único, que oferecem excelente amplificação de sinal e tempo de resposta quase instantâneo (por serem analógicos). As principais vantagens e limitações dos PMTs podem ser resumidas da seguinte maneira:

Detectores CMOS/CCD

Detectores CMOS (Semicondutor de Óxido Metálico Complementar)e CCD (Dispositivo de Carga Acoplada) são detectores de estado sólido que convertem fótons incidentes em sinais elétricos. A principal vantagem desses detectores é que, por serem de estado sólido, são extremamente compactos e cada detector possui milhares de pixels — cada um funcionando como um detector individual, com saída mensurável separadamente. Tecnicamente, um detector com 2.048 pixels pode monitorar simultaneamente 2.048 comprimentos de onda distintos. Graças ao seu formato ultracompacto, o espectrômetro equipado com esses detectores é capaz de abranger toda a faixa de comprimentos de onda da luz, superando as limitações dos detectores PMT.

O CCD foi o primeiro a surgir, com detectores lineares utilizados em espectrômetros no final dos anos 1980. Na época, eram considerados adequados apenas para modelos básicos e de entrada, devido a maior ruído, menor velocidade e menor sensibilidade em comparação com PMTs. A crescente participação de profissionais e o intercâmbio de ideias têm impulsionado a evolução dos dispositivos de estado sólido, resultando em melhorias expressivas. A partir de meados da década de 1990, os CCDs passaram a apresentar desempenho significativamente superior, sendo incorporados em sistemas OES de médio porte, inclusive para análise de nitrogênio em baixos níveis. Na década de 2010, detectores CCD e CMOS superaram os PMTs em suas principais vantagens — sensibilidade, níveis de ruído e velocidade. Atualmente, os detectores CMOS/CCD oferecem melhor desempenho em praticamente todos os parâmetros relevantes para espectrômetros. De fato, os detectores CMOS oferecem limites de detecção inferiores aos dos PMTs e viabilizam funcionalidades avançadas, como Espectroscopia Temporizada (TRS), Análise por Centelha Única (Spark OES) e outros recursos de alto desempenho.

Observação: embora os detectores CMOS tenham, em grande parte, substituído os CCDs, o termo “CCD” continua amplamente usado — por fabricantes e clientes — para se referir a todos esses dispositivos de estado sólido.

Comparação: OES PMT vs OES CMOS/CCD

Parâmetros de resultados: elementos analisados, limites de detecção, funcionalidades disponíveis, entre

Facilidade de uso – operação, tarefas diárias e manutenção de rotina

Custos totais e riscos