Термоэлементы относятся к классу пассивных ИК детекторов. Их принцип действия аналогичен принципу термопар. Фактически, термоэлемент представляет собой несколько последовательно соединенных термопар. Первоначально такая конструкция была предложена Джоулем для увеличения выходного сигнала термоэлектрических датчиков. Он соединил последовательно несколько термопар и термически объединил их горячие спаи. Современные термоэлементы имеют совсем другую конструкцию. Теперь их основное предназначение — тепловое детектирование излучений среднего и дальнего ИК диапазонов спектра.
Рис. 14.20.Термоэлемент для детектирования теплового излучения' А — схема с эталонным датчиком температуры (х и у являются разными материалами), Б — микродатчик излучений на основе термоэлемента (отметим, что здесь полупроводниковый эталонный датчик температуры сформирован на раме, на которую нанесены холодные спаи, а горячие спаи с нанесенным на них поглощающим покрытием расположены в центре мембраны), В — детектор в корпусе ТО-5
На рис. 14.20А показана схема детектора на основе термоэлемента. Такой датчик состоит из рамы, обладающей сравнительно большой тепловой массой, на которой сформированы «холодные* спаи. Эта рама присоединена либо к термостату с известной температурой, либо к эталонному датчику температуры. На раме крепится тонкая мембрана, обладающая низкой теплоемкостью и теплопроводностью, на поверхности которой располагаются «горячие» спаи. Названия горячих и холодных спаев являются историческими, напоминающими о том, что термоэлементы произошли от термопар. На самом деле в таких детекторах места соединений редко бывают горячими или холодными.
Принцип действия датчиков на основе термоэлементов ничем не отличается от принципа любого пассивного ИК детектора. ИК излучение поглощается или испускается мембраной. При этом происходит изменение ее температуры. Поскольку на мембране расположены горячие спаи, разность температур между ними и холодными спаями приводит к возникновению термоэлектрического напряжения. Температура мембраны зависит от ее теплоемкости, теплопроводности и мош-ности ИК излучения.
Для получения термоэлементов с высокой чувствительностью и низким уровнем шума спаи должны изготавливаться из материалов, обладающих высоким термоэлектрическим коэффициентом а, низкой теплопроводностью и низким объемным удельным сопротивлением. При этом термоэлектрические коэффициенты пар соединений должны иметь противоположные знаки. К сожалению, большинство металлов, обладающих низким удельным электрическим сопротивлением (золото, медь, серебро), имеют очень низкие термоэлектрические коэффициенты. У металлов с более высоким удельным сопротивлением (висмут и сурьма) термоэлектрические коэффициенты гораздо выше, поэтому именно они и используются чаще других при производстве термоэлементов. Легирование этих металлов Se и Те позволяет увеличить термоэлектрический коэффициент до 230 мкВ/К [5].
Методы изготовления термоэлементов со спаями из металлов могут быть разными, но все они основаны на технологии вакуумного напыления с использованием масок для формирования слоев из термоэлектрических материалов. Количество спаев варьируется от 20 до нескольких сотен. На «горячие» спаи часто наносится абсорбционный слой для улучшения поглощения ИК излучения. Напри -мер, они могут быть зачернены при помощи органических красителей.
Термоэлементы являются устройствами, работающими на постояннм токе, выходной сигнал которых достаточно хорошо отслеживает температуру «горячего» спая. Термоэлемент можно представить в виде источника напряжения, управляемого тепловым потоком, соединенного последовательно с резистором фиксированного номинала. Датчик размещается в герметичном металлическом корпусе с прочным прозрачным окном (из кремния, германия или селенида цинка) (рис. 14.20В). Выходное напряжение датчика пропорционально попадающему на него излучению. Диапазон рабочих частот детектора, в основном, зависит от теплоемкости и теплопроводности мембраны, определяющих тепловую постоянную времени. Датчики на основе термоэлементов обладают довольно низким уровнем шума, который соответствует тепловому шуму эквивалентного сопротивления детектора (т.е. порядка 20...50 кОм). В таблице 14.3 приведены параметры типовых датчиков этого вида.
Выходной сигнал датчиков на основе термоэлементов зависит от разности температур источника теплового излучения и чувствительной поверхности. Поэтому передаточная функция термоэлемента является трехмерной поверхностью, форма которой определяется законом Стефана-Больцмана (см. рис. 2.1 главы 2).
В настоящее время висмут и сурьма часто заменяются на кремний. Кремниевые термоэлементы обладают большей эффективностью и надежностью [6]. В Приложении приведены термоэлектрические коэффициенты указанных элементов. Как видно из соответствующей таблицы, указанные коэффициенты для
кристаллического и поликристаллического кремния имеют очень большие значения, тогда как их объемные удельные сопротивления довольно низкие. Достоинство кремниевых термоэлементов — это возможность применять для их изготовления стандартные технологии производства ИС, что позволяет значительно снижать стоимость таких устройств. При помощи введения определенных примесей можно регулировать величину удельного сопротивления и термоэлектрического коэффициента. Однако изменение удельного сопротивления происходит гораздо быстрее, чем меняется термоэлектрический коэффициент. Поэтому для оптимизации соотношения высокая чувствительность- низкий уровень шума необходимо очень аккуратно подбирать концентрацию легирующих компонентов.
Таблица 14.3. Типовые параметры термоэлементов
Параметр
Значение
Единица измерения
Условия
Чувствительная зона
0,5 2
мм2
Чувствительность
В/Вт
6 14мкм, 500К
Шум
нВ/Гц,/2
25°С,
среднеквадрати-ческое значение
Эквивалентное сопротивление
кОм
25°С
Тепловая постоянная времени
мс
Температурный коэффициент удельного сопротивления
0 15
%/К
Температурный коэффициент чувствительности
-0 2
%/К
Рабочий диапазон температур
-20+80
°С
Температуры хранения
-40100
°С
Цена
2 20
$US
На рис. 14.20Б показан детектор ИК излучений, реализованный на основе полупроводникового термоэлемента (Perkin-Elmer Optoelectronics, Wiesbaden, Germany), изготовленный по технологии производства микросистем. Центральная часть кремниевой подложки удаляется методом анизотропного травления с обратной стороны кристалла. При этом остается только двухслойная мембрана толщиной 1 мкм, состоящая из Si02-Si3N4, обладающая низкой теплопроводностью. На эту мембрану наносятся тонкие проводники из двух разных термоэлектрических материалов (поликремния и алюминия). Такие датчики обладают очень низкой температурной чувствительностью, что позволяет им работать в широком температурном диапазоне.