Пироэлектрические датчики ИК-излучений

Пироэлектрические датчики также относятся к классу пассивных ИК детекто­ров На рис. 14.21 А показана типовая конструкция твердотельных пироэлектри-

ческих детекторов. Они разме­щаются в металлических кор­пусах ТО-5 или ТО-39, что обеспечивает хорошее экра­нирование и защиту от окру­жающей среды. Окошко, про­пускающее излучение, обычно изготавливается из кремния. Внутреннее пространство кор­пуса часто заполняется сухим воздухом или азотом. Обычно используют два чувствитель­ных элемента, соединенных последовательно или парал­лельно навстречу друг другу, для лучшей компенсации бы­стрых изменений тепловых потоков и механических на­грузок, возникающих из-за акустических шумов и вибра­ций. Иногда один из элемен­тов покрывается красителем для увеличения поглощающей способности, а второй экранируется от излучений, а для улучшения его отражающей способности на него наносится слой золота. Иногда пироэлектрический чувствительный элемент изготавливается из нихро-мовых электродов, нанесенных с двух сторон пироэлектрика. Нихром обладает высокой излучающей (поглощающей) способностью, и поэтому электроды из него выполняют сразу две функции: поглощают тепловое излучение и собирают элек­трические заряды. При использовании таких детекторов в датчиках движения из­лучение воздействует через окошко на оба пироэлектрических элемента.

Двойной элемент часто изготавливается на одной подложке из кристалли­ческого материала (рис. 14.21Б). Металлические электроды, нанесенные с двух сторон материала, формируют два последовательно соединенных конденсатора С, и С₂. На рис. 14.21В показана эквивалентная схема двойного пироэлектри­ческого элемента. Такая конструкция дает возможность хорошо отбалансиро­вать оба элемента и, следовательно, устранить все синфазные помехи. Следует отметить, что чувствительные зоны расположены только в пространстве между электродами, остальная часть пироэлектрического материала, непокрытая элек­тродами, в генерации полезного сигнала не участвует. Пироэлектрические де­текторы очень чувствительны к механическим нагрузкам и вибрациям, что очень осложняет их проектирование. В дополнение к этому все пироэлектрики также являются и пьезоэлектриками, поэтому для них характерен, так называемый мик­рофонный шум. Для борьбы с такими помехами кристаллический элемент от­деляют от внешних частей детектора, особенно важно обеспечить отсутствие ме­ханических связей между пироэлектриком и металлическим корпусом, а также между ним и выводами.

Пироэлектрический элемент, состоящий из кристалла пироэлектрика с дву­мя электродами, можно представить в виде конденсатора, включенного парал­лельно с резистором утечки. Величина этого резистора составляет порядка 10¹²...10¹⁴ Ом. На практике датчик подсоединяется к схеме, в состав которой вхо­дит резистор смещения R_b и преобразователь импеданса (на рис. 14.21А эта схема так и называется «схема»). В качестве преобразователя может использоваться либо повторитель напряжения (например, на основе полевого транзистора), либо пре­образователь ток-напряжение. Повторитель напряжения (рис. 14.22А) преобра­зует высокий выходной импеданс датчика (параллельное соединение емкости С и резистора R_b) в выходное сопротивление повторителя (в нашем примере опреде­ляемое резистором 47 кОм и межэлектродной проводимостью транзистора). До­стоинствами такой схемы являются простота, невысокая стоимость и низкий уро­вень шума. Однако у нее есть и два серьезных недостатка. Первый недостаток — зависимость быстродействия схемы от так называемой электрической постоянной времени, которая определяется как произведение емкости датчика С и резистора смещения R_b:

(14.21)

Например, если двойной датчик имеет следующие характеристики : С=40 пФ, R_b=50ГОм, его t =2 с, что соответствует частотной характеристике системы пер­вого порядка с частотой среза на уровне 3 дБ, равной 0.08 Гц, что является очень низким значением. По этой причине повторители напряжения могут применять­ся только в тех случаях, когда быстродействие не является определяющим факто­ром, например, при детектировании движения людей (см. главу 6).Вторым недо­статком схемы является большое напряжение смещения на выходном резисторе. Это напряжение зависит от типа транзистора и температуры. Таким образом, вы­ходное напряжение определяется суммой двух напряжений: напряжения смеще­ния, которое может достигать нескольких вольт, и переменного пироэлектричес­кого напряжения порядка милливольт.

Преобразователь ток-напряжения является более дорогой, но также и более эффективной схемой подключения пироэлектрического детектора (рис. 14.22Б).

Его преимущества — лучшее быстродействие и нечувствительность к емкости пиро­электрического элемента. Датчик подключается к инвертирующему входу ОУ, об­ладающему свойствами так называемой виртуальной земли (подобные схемы были рассмотрены на рис. 14.5, 14.8 и 14.10), поэтому напряжение на этом входе явля­ется постоянным и практически равным напряжению на неинвертирующем вхо­де, который в данном случае заземлен. Таким образом, назначение цепи ОС зак­лючается в поддержании напряжения на датчике, равным нулю. Выходное на­пряжение в этом случае отслеживает электрический ток (поток зарядов), выраба­тываемый датчиком (рис. 3.28 главы 3). Такое включение датчика обеспечивает очень низкий уровень тока смещения ОУ (порядка 1 пА). Три основных достоин­ства такой схемы: быстродействие, нечувствительность к емкости датчика и низ­кое напряжение смещения. Однако преобразователь ток-напряжение имеет не только широкую полосу пропускания, но и обладает более высоким уровнем шума. На очень низких частотах обе рассмотренные схемы преобразуют пироэлект­рический ток i_p в выходное напряжение, определяемое законом Ома:

(14.22)

Например, если i_p = 10 пА, a R_b = 50 ГОм, выходное напряжение составляет 500 мВ. Обе схемы должны обеспечивать во всем температурном диапазоне низкий входной ток смещения I_B, поэтому предпочтительнее использовать КМОП-тран-зисторы и ОУ, поскольку их токи смещения составляют порядка 1 пА.

Следует отметить, что выходные сигналы обоих преобразователей могут быть довольно разнообразной формы (рис. 14.23). Выходное напряжение повторителя отслеживает напряжение на чувствительном элементе и R_b (рис. 14.23А). Оно ха­рактеризуется двумя наклонами: передним наклоном, определяемым электричес­кой постоянной времени t_е=СR_b, и задним на­клоном, зависящим от тепловой постоянной времени t_г Напряжение на чувствительном элементе в схеме с преобразователем ток-на­пряжение в отличие от схемы с повторителем всегда поддерживается близким к нулю, а вход­ной импеданс этой схемы имеет очень низкое значение. Другими словами, повторитель на­пряжений работает как вольтметр, а преобра­зователь ток-напряжение — как амперметр. Поэтому выходной сигнал преобразователя I-V имеет очень резкий передний фронт, опре­деляемый паразитной емкостью в цепи резис­тора R_b, в то время как его задний фронт также задается t_г Отсюда видно, что выходное на­пряжения преобразователя I - V отслеживает форму тока пироэлектрического чувствитель­ного элемента (рис. 14.23Б)

Изготовление гигаомных резисторов явля­ется очень непростой задачей. Такие резисто-

ры высокого качества должны обладать хорошей устойчивостью к факторам ок­ружающей среды, низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и низким коэффициентом сопротивления по напряжению (КСН), который оп­ределяется как:

(14.23)

где R₁ и R₀₁ — сопротивления, измеренные при 1 и 0.1 В. Обычно КСН бывают отрицательными. Это означает, что при увеличении напряжения на резисторе его сопротивление падает (рис. 14.24А). Поскольку выходной сигнал пироэлектри­ческого датчика пропорционален произведению пироэлектрического тока на со­противление резистор смещения, величина КСН влияет на нелинейность общей передаточной функции и датчика, и интерфейсной схемы. Высокоимпедансные резисторы изготавливаются методом нанесения тонкого слоя полупроводнико­вых красителей на керамическую (либо из оксида алюминия) подложку, обжига­ния полученной структуры в печи с последующим нанесением на нее защитного покрытия. Такое гидрофобное покрытие толщиной не менее 50 мкм помогает за­щитить резистор от влаги, поскольку даже очень небольшое количество молекул воды способны окислить полупроводниковый слой, что приводет к значительно­му повышению сопротивления и ухудшению долговременной стабильности. На рис. 14.24Б показана структура типового высокоимпедансного резистора.

В приложениях, где не требуется высокая точность измерений, например, в детекторах движения, резистор смещения может быть заменен на один или два кремниевых диода с нулевым смещением, включенных навстречу друг другу.

На практике при детектировании тепловых излучений, как правило, приме­няются два типа пироэлектрических датчиков, рассчитанных для работы в раз­ных условиях [7]:

1. Быстродействующие детекторы, измеряющие излучения высокой интен­
сивности, но очень короткой длительности лазерных импульсов (порядка на­
носекунд), повторяющихся с частотой порядка 1 МГц. Такие датчики, обладаю­
щие высокой линейностью, изготавливаются из монокристаллических пироэлек-
триков, таких как танталат лития. В состав таких детекторов обычно входят теп-
лоотводы.

2. Чувствительные детекторы, определяющие тепловые излучения низкой
интенсивности, но изменяющиеся со сравнительно низкой скоростью. Приме­
ры — ИК термометры и датчики движения [8-10]. Для обеспечения высокой чув­
ствительности такие датчики должны иметь хорошую тепловую связь с источ­
ником излучений. Для этих целей используются такие оптические устройства,
как фокусирующие линзы и волноводы. При этом необходимо минимизировать
передачу тепла в окружающую среду, для чего требуется очень внимательно про­
ектировать корпуса таких детекторов. При соответствующем проектировании
чувствительность данных детекторов приближается к чувствительности кван­
товых датчиков с криогенным охлаждением [7]. Серийно выпускаемые пиро­
электрические датчики изготавливаются на основе монокристаллов, таких как
LiTa0₃ и TGS, или на базе PZT керамики. Иногда применяются и пленки из
PVDF, поскольку они дают возможность реализовать датчики, обладающие вы­
соким пространственным разрешением и хорошим быстродействием.

14.6.4 Болометры

Болометры — это миниатюрные резистивные детекторы температуры (РДТ) или тер-мисторы (см. раздел 16.1.3 главы 16), а также другие типы температурно чувстви­тельных резисторов, используемых, в основном, для измерения среднеквадратич­ных значений интенсивности электромагнитных излучений в широком спектраль­ном диапазоне от среднего ИК до микроволн. Области применения таких детекто­ров включают определение ИК температуры, построение тепловых образов, изме­рение локальных полей при высокой мощности излучений, тестирование СВЧ уст­ройств. Они используются в устройствах управления лучами ВЧ антенн, проверки мощных военных СВЧ систем, в медицинских приборах и т.д. Принцип действия всех болометров основан на фундаментальном физическом законе, связывающем величину поглощенного электромагнитного сигнала с рассеиваемой мощностью [11]. Резистивные детекторы выполняют следующие преобразования:

1. Электромагнитное излучение воздействует на резистор. Резистор поглощает
это излучение и конвертирует его в тепло

2. Тепло повышает температуру резистора. Она становится выше температуры
окружающей среды.

3. Увеличение температуры уменьшает омическое сопротивление болометра.
Увеличение температуры соответствует мощности электромагнитного излучения.
Это изменение температуры может быть измерено любым подходящим методом,
описанным в главе 16. В этом разделе будут кратко описаны наиболее распрост­
раненные способы изготовления болометров, которые довольно сильно измени­
лись с тех пор, когда Лэнглэй изобрел первое такое устройство (с этого момента
уже прошло более 100 лет)

На рис. 14.25А показана основная схема включения болометра. Она состоит из болометра (температурно чувствительного резистора) с номинальным сопро­тивлением R, эталонного стабильного резистора R₀ и источника напряжения сме­щения Е. Напряжение Vна резисторе R₀ является выходным сигналом схемы. Оно максимально при равенстве двух резисторов. Чувствительность болометра к вхо­дящим электромагнитным излучениям может быть определена по формуле [12]:

(14.24)

где a =(dR/dT)/R — ТКС болометра, e — коэффициент излучения поверхности, Z_T— тепловое сопротивление болометра, определяемое его конструкцией, t— тепловая постоянная времени, зависящая от Z_T и теплоемкости болометра, а со- частота.

Поскольку рост температуры болометра происходит в соответствии со следу­ющим выражением:

(14.25)

а выражение для сопротивления болометра можно записать как (см. уравнение (16.14) главы 16):

(14.26)

уравнение (14.24) преобразуется к следующему виду:

(14.27)

Поэтому для увеличения чувствительности болометра необходимо повышать его электрическое сопротивление и тепловой импеданс.

Традиционно болометры изготавливаются в виде миниатюрных термисторов, подвешенных на крошечных проводках. Другим популярным методом реализа­ции болометров является использование технологии нанесения тонких пленок [12,13] (обычно нихромовых). Во многих современных болометрах терморезис-тивный тонкопленочный материал наносится на микромембрану из кремния или

стекла, поддерживаемую рамкой из кремния. Широ­кое распространение тако­го подхода объясняется по­пулярностью датчиков, ис­пользующих матрицы для получения тепловых изоб­ражений объектов. В слу­чаях где не требуется высо­кая чувствительность, а стоимость не является кри­тичным фактором, часто применяются болометры с платиновыми пленками. Пла­тина обладает хотя и невысоким, но хорошо воспроизводимым ТКС.

Платиновая пленка толщиной 500А наносится на поверхность тонкой стек­лянной мембраны. Для придания этому слою требуемой формы применяются фотолитографические методы. Мембрана закрепляется над полостью, вытравлен­ной в кремниевой подложке, при помощи крошечных проводков, т.е. мембрана как бы плавает над этой V-образной полостью. Такой способ крепления помогает свести до минимума тепловую связь чувствительного элемента с подложкой. На рис. 14.26Б показана микрофотография матрицы платиновых болометров, при­меняемой для получения тепловых изображений.

В качестве температурочувствительных элементов могут применяться резис­торы на основе поликремния, германия, TaNO и т.д При выборе материалов для болометров всегда необходимо учитывать их совместимость со стандартными КМОП технологиями для того, чтобы была возможность выпускать монолитные устройства, включающие в себя сами детекторы и их интерфейсные схемы. Од­ним из приемлемых сочетаний является поликремний с нанесенными на него пленками из германия (рис. 14.27)

Как видно из уравнения (14.27), узким местом при разработке болометров (а также любых других точных датчиков температуры) всегда является обеспечение хорошей тепловой изоляции чувствительного элемента от опорной конструкции, соединительных проводов и интерфейсных схем, по­скольку тепловые потери могут привести к возник­новению больших погрешностей и снижению чув­ствительности. Одним из методов решения этой про­блемы является исключение всех металлических про­водников и измерение температуры болометра при помощи оптоволоконной техники. Подобное устрой­ство было реализовано фирмой Luxtron (Mountain View, CA, патент США 4816634). В конструкции, по­казанной на рис. 14.25Б, миниатюрный болометр под­вешен на конце оптического зонда, и его температу­ра измеряется флуоресцентнооптическим датчиком температуры (см. раздел 16.4.1 главы 16), а другой ана­логичный оптический датчик определяет окружаю­щую температуру для нахождения DT.

Поиск по сайту: