Разработка сенсоров поглощаемой мощности

3. ПОСТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПМИ

1. Особенности электро-физических процессов в СПМИ

Успехи, достигнутые за последнее время в освоении инфракрасного (ИК) диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной аппаратуры научного, промышленного и военного назначения [1], незаменимыми элементами которой являются приемники излучения. При этом одной из важных проблем становится измерение малых уровней поглощаемой мощности ИК-излучения и включение этих измерений в состав автоматизированных систем. Существующие сенсоры поглощаемой мощности не в полной мере удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к измерительным и регистрирующим устройствам ИК-диапазона. В основном это связано с недостаточно высокой чувствительностью приемников ИК-излучения. В связи с этим, перспективным является применение новых материалов, технологий и элементов микроэлектроники. В работе приведены результаты исследований по созданию сенсоров на базе тепловых методов, обладающих высокой чувствительностью к поглощаемой мощности ИК-излучения. Упрощенная конструкция сенсора приведена на рис.1.

Сенсор содержит чувствительный элемент (ЧЭ) - черненную пленку золота, управляющий элемент (УЭ) в виде пленки пироэлектрика и исполнительный элемент (ИЭ) в виде комбинированной транзисторной структуры. Работа сенсора основана на изменении выходного параметра ИЭ в результате изменения потенциала на электроде, электрически связанном с пироэлектриком. Нагрев пироэлектрика происходит за счет преобразования мощности ИК-излучения в теплоту с помощью ЧЭ.

Пироэлектрический датчик поглощаемой мощности уже рассматривался в работе [2]. Здесь мы рассмотрим несколько другой подход к получению пироэлктрического сигнала с использованием публикаций по теории пироэлектрических передающих трубок [3]. Падающее излучение имеет постоянную мощность и интенсивность. Выведем аналитическое выражение для пироэлектрического тока и напряжения на входе ИЭ.

Пироэлектирческий ток i_p определяется изменением степени поляризации во времени [3]:

, (1)

где А - площадь ЧЭ, Т - мгновенная температура, t - время, Р_s - степень поляризации, р - пироэлектирческий коэффициент.

Уравнение сохранения энергии [2]

, (2)

где W_погл - поглощаемая ЧЭ мощность, W_отв - мощность отводимая от УЭ, дополним новым слагаемым W_нак - мощностью накопленной в пироэлектрике. Тогда (1) приобретает вид:

, (3)

где

, (4)

, (5)

. (6)

В (3)-(6) h - коэффициент эмиссии сенсора, r - плотность пироэлектрического материала, DТ- разность температур между ЧЭ и ИЭ, d - толщина пироэлектрика, a - теплоотдача посредством теплопроводности и излучения.

Подставив (4)-(6) в (3) получим дифференциальное уравнение первого порядка :

. (7)

Решение уравнения (6) при начальном условии DТ(t=¥)=0 будет иметь вид:

, (8)

где t - постоянная не зависящая от температуры и времени :

. (9)

Теперь по уравнению (1) находим мгновенное значение тока пироэлектрика:

. (10)