Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
ЩТ/Л^Ф - Gq(T - Та),
(79)
(80)
AT = Л - exp
G0
(82)
8.2. Детекторы излучений на основе термоэлементов
61
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. 28а показана схема детектора на основе термоэлемента. Такой датчик состоит из рамы, обладающей сравнительно большой тепловой
холодными.
Принцип действия датчиков на основе термоэлементов ничем не отличается от принципа любого пассивного ИК детектора [10]. 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, равного ДЕ=SДT, где S - чувствительность термоэлемента. Увеличение температуры мембраны ДТ зависит от ее теплоемкости, теплопроводности и мощности ИК излучения. С учетом предыдущих соотношений, связывающих нагрев чувствительного слоя ДТ и поток излучения Ф, получаем
Для получения термоэлементов с высокой чувствительностью и низким уровнем шума спаи должны изготавливаться из материалов, обла-
ик
Рис 28. Термоэлемент для детектирова-
ния теплового излучения
холодные _ . горячие спаи
спаи \ ~Г I ~
с
тепловое излучение
ОКО!
холодные
спаи
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
(83)
62
дающих высоким термоэлектрическим коэффициентом а, низкой теплопроводностью и низким объемным удельным сопротивлением. При этом термоэлектрические коэффициенты пар соединений должны иметь противоположные знаки. Материалами для термоэлементов являются металлы Cu, Ni Al, Bi, Zn, Ag, константан (Cu+Ni) и полупроводники Sb, Si, Te, Se. К сожалению, большинство металлов, обладающих низким удельным электрическим сопротивлением (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 чаше других при производстве термоэлементов. Легирование этих металлов Se и Те позволяет увеличить термоэлектрический коэффициент до 230 мкВ/К. В настоящее время висмут и сурьма часто заменяются на кремний. Кремниевые термоэлементы обладают большей эффективностью и надежностью.
Методы изготовления термоэлементов со спаями из металлов 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, например, зачернение при помощи органических красителей, для улучшения поглощения ИК излучения.
Термоэлементы являются устройствами, работающими на постоянном 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). Выходное напряжение датчика пропорционально попадающему на него излучению. Диапазон рабочих частот детектора, в основном, зависит от теплоемкости и теплопроводности мембраны, определяющих тепловую постоянную времени, составляющую 1-100 мс. Датчики на основе термоэлементов обладают довольно низким уровнем шума, который соответствует тепловому шуму эквивалентного сопротивления детектора (т.е. порядка
20...50 кОм).
8.3. Пироэлектрические детекторы излучения
Пироэлектрический эффект основан на спонтанной электрической поляризации пироэлектриков. Термоизменение поляризации P, вызван-
63
ное падающим излучением Ф на чувствительную площадку А, вызывает вариации заряда dQ, что приводит к появлению тока Ip
Для модулированного потока dФ/dt=щФ, используя пирометрический коэффициент P=dP/dT для единичной площади А с учетом предыдущих формул получаем токовую чувствительность Si
В отличие от термоэлементов и болометров, для которых юг является верхней граничной частотой полосы пропускания, для пироэлектрических приемников юг определяет нижнюю граничную частоту. Для щ > юг чувствительность постоянна и равна Si=Pi ®q/G®. Для щ < юг чувствительность равна Si=Pi щ/G® и уменьшается при снижении частоты модуляции, а при ю^-0 чувствительность S^-0.
