Детекторы излучений на основе термоэлементов

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.

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.

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.

Поиск по сайту: