Материалы сайта
Это интересно
Разработка сенсоров поглощаемой мощности
1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ РАЗРАБОТКИ СЕНСОРОВ ПОГЛОЩАЕМОЙ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ 1.1. Современное состояние и основные направления развития сенсоров поглощаемой мощности излучений 1.1.1. Обзор методов, на которых основывается работа сенсоров поглощаемой мощности В сенсорах поглощаемой мощности энергия электромагнитных колебаний преобразуется в тепловую, механическую энергию или в электрический сигнал, доступный для дальнейшего преобразования и измерения. В измерителях мощности применяют следующие виды сенсоров: - тепловые - калориметрические (в том числе сухие калориметры), болометрические (термисторные), термоэлектрические и др.; - пондеромоторные; - электронные - детекторные на вакуумных и полупроводниковых диодах, газоразрядные, на основе эффекта (горячих( носителей, эффекта Холла и др.; - ферритовые, использующие эффект ферромагнитного резонанса. Тепловые методы основаны на преобразовании энергии излучений в тепловую энергию с последующим измерением приращения температуры рабочего тела, в котором происходит преобразование, или величины замещающей мощности постоянного тока, вызывающей эквивалентное приращение температуры рабочего тела. В основе метода лежит уравнение где Qт - количество теплоты, Дж; Сt - теплоемкость рабочего тела, Дж/ оС; ( - приращение температуры рабочего тела, оС; t - время, с. Возможность калибровки тепловых приборов на постоянном токе способствует достижению высокой точности измерений мощности. При конструировании тепловых приборов особое внимание обращают на время установления показаний, которое в основном определяется тепловой инерционностью элементов системы. Время установления теплового равновесия системы пропорционально произведению теплоемкости рабочего тела на тепловое сопротивление между ним и средой. Следовательно, уменьшить время установления показаний можно уменьшая оба влияющих фактора. Уменьшить время установления показаний можно также применяя метод замещения. Метод основан на допущении, что замещающая мощность и поглощаемая мощность создают одинаковый тепловой эффект в рабочем теле. Перед измерением рабочее тело предварительно разогревают постоянным (переменным) током до определенного теплового состояния. После подачи измеряемого сигнала мощность постоянного (переменного) тока уменьшают на такую величину, чтобы состояние рабочего тела осталось неизменным. При этом приращение мощности постоянного (переменного) тока, получившое название замещающей, принимают равным измеряемой мощности. Таким образом, при замещении суммарная мощность, подводимая к рабочему телу до начала измерений и при измерении, остается неизменной. Это обуславливает постоянство температуры рабочего тела, а следовательно, и исключает в первом приближении зависимость времени измерения от тепловых характеристик рабочего тела. Метод замещения широко применяют в термисторных и калориметрических сенсорах. Обычно процесс замещения автоматизирован. Пондеромоторный метод является является абсолютным методом измерения мощности излучений, поскольку результат может быть определен на основании прямого измерения массы, длины и времени. Метод основан на использовании эффекта механического (пондеромоторного) воздействия сил электро-магнитного поля на элементы сенсоров. Пондеромоторный метод может быть применен вплоть до миллиметрового диапазона длин волн. Однако, отдельные приборы имеют сравнительно узкий диапазон частот. Достоинства метода: - высокая точность ( погрешность измерений порядка 0.7 - 1.5 %) [1]; - хорошая перегрузочная характеристика : приборы не выходят из строя при значительном превышении измеряемой мощности (чувствительные элементы при перегрузке устанавливаются в крайнее положение). Недостатки пондеромоторного метода : - повышенная чувствительность к вибрациям и тряске; - малая надежность; - необходимость высокой точности изготовления элементов механической конструкции; - узкополосность; - неприменимость метода в жестких условиях эксплуатации. Таблица 1.1. Характеристики электронных методов измерения мощности излучений |Название метода |Достоинства |Недостатки | |1 |2 |3 | |Детекторные |Простота, высокая |Низкая точность | | |надежность |измерений, ограниченный | | | |диапазон рабочих частот,| | | |зависимость показаний от | | | |величины гармонических | | | |составляющих в измеряемом| | | |сигнале | |Методы, основанные на |Применимость для измерения|Малый динамический | |использовании эффекта |как импульсной мощности, |диапазон, большая | |образования |так и мощности сигнала |температурная | |термо-э.д.с. горячих |непрерывной генерации, |зависимость, | |носителей тока в |возможность калибровки |необходимость калибровки| |полупроводниковых |сигналом непрерывной |по образцовому прибору | |элементах |генерации | | |1 |2 |3 | | Методы, основанные на |Малая инерционность, |Низкая чувствительность, | |использовании эффекта |измерение импульсной |малая точность, | |Холла |мощности и сигналов |зависимость от | | |непрерывной генерации, |температурных | | |диапазон измеряемой |воздействий, малый | | |мощности до десятков ГГц |динамический диапазон | В настоящее время существует большое количество электронных методов измерения мощности излучений. Характеристики основных разновидностей таких методов приведены в табл. 1.1. Вследствие широкого применения твердотельной электроники во всех отраслях науки и техники, большой интерес представляют методы, основанные на использовании различных эффектов в полупроводниках: эффектов (горячих( носителей, Холла, термо- и -фото э.д.с. и др. Но специфика этих явлений не позволяет пока создать универсальный сенсор, способный функционировать в широком диапазоне длин волн излучений. Ферритовые элементы обладают свойством резонансного поглощения энергии ВЧ электромагнитного поля. Ферритовые приемные преобразователи обладают следующими достоинствами: - высокая надежность и устойчивость к перегрузкам, стабильными параметрами в течение длительного времени; - избирательность: т.е. использование для измерения мощности в присутствии мешающих сигналов; - направленность; - для измерения мощности как непрерывных, так и импульсных сигналов. К недостаткам ферритовых элементов можно отнести : - сложность в управлении измерительными приборами; - сравнительно большая инерционность ( 0.1 - 10 с.); - температурная зависимость резонансной частоты феррита. Сравнивая применимость методов измерения поглощаемой мощности, следует отметить, что только тепловые методы измерений могут обеспечивать измерение сигналов в широком диапазоне длин волн: от СВЧ до видимой части спектра оптического излучения. 2. Тепловые методы измерения поглощаемой мощности В зависимости от вида применяемых преобразователей ( сенсоров ) различают следующие виды тепловых методов измерения поглощаемой мощности: - калориметрический; - болометрический; - термоэлектрический методы. Характеристика тепловых методов измерения поглощаемой мощности приведена в табл. 1.2. Применение тепловых методов для измерения поглощаемой мощности является только частным случаем их использования в области физических исследований [2]. Среди большого разнообразия тепловых методов особо следует выделить пироэлектрический метод [3]. Сенсоры, функционирующие на основе этого метода, обладают целым рядом преимуществ, которые открывают им широкую перспективу применения [4]. Таблица 1.2. Характеристика тепловых методов измерения поглощаемой мощности |Название метода |Достоинства |Недостатки | |Калориметрический|Большой динамический и |Инерционность, | | |частотный диапазон |громоздкость | |Болометрический |Применимость в широком |Большой температурный | | |диапазоне частот, малое |дрейф, ограниченный | | |время установления |динамический диапазон, | | |показаний, возможность |низкий коэффициент | | |использования в |эффективности | | |автоматизированных системах | | |Название метода |Достоинства |Недостатки | |Термоэлектрически|Применимость в широком |Ограниченный | |й |диапазоне длин волн, малое |динамический диапазон, | | |время установления |невысокая устойчивость | | |показаний, малая зависимость|к перегрузкам | | |выходного сигнала от | | | |температуры окружающей | | | |среды, малое время | | | |подготовки к работе, | | | |технологическая возможность | | | |изготовления термопар на | | | |различные уровни мощности | | 1.1.3. Требования, предъявляемые к сенсорам и возможность их реализации Разработка новых видов и совершенствование существующих сенсоров направлены на решение следующих задач: - увеличение эффективности преобразования; - повышение точности измерений; - снижение массо-габаритных показателей; - расширение пределов измерений; - уменьшение времени установления показаний или быстродействия; - повышение степени линейности; - увеличение стойкости к перегрузкам; - возможность интеграции в современные автоматизированные системы управления и контроля. Анализ тенденций развития науки и техники показывает, что проблема создания сенсоров на современном уровне может быть решена на основе широкого применения твердотельных приборов нового поколения, изготовленных из различных материалов, с применением достижений микроэлектроники и интегральной технологии. Перспективными для целей электрических измерений и контроля различных, в том числе и неэлектрических величин, принято считать полупроводниковые сенсоры. Их действие основано на целом ряде эффектов в твердом теле, благодаря чему энергия внешних воздействий преобразуется в энергию электрических сигналов[5]. Проявление этих эффектов в полупроводниках, в силу особенностей их фундаментальных свойств, происходит наиболее заметным образом, что предполагает их техническую ценность. При этом полупроводниковая микроэлектроника достигла такого уровня развития, что реально достигнута степень интеграции порядка 109 элементов на кристалл, на основе планарно-групповой технологии, микрометаллургии и использовании высокопроизводительного оборудования. Таким образом, изготовление на этой базе существенно более простых полупроводниковых сенсоров не представляет особого труда. Из основного полупроводникового материала - кремния - может быть изготовлена широкая номенклатура сенсоров. Однако, таким сенсорам свойственны ограничения по чувствительности, линейности, диапазону рабочих температур, быстродействию и т.д. Это означает, что при решении проблемы разработки новых полупроводниковых сенсоров важнейшее значение приобретает вопрос о выборе материалов. Причем, в данном случае, складывается ситуация, что, с одной стороны, желательно их максимальное разнообразие, с другой же, при промышленном освоении целесообразно было бы обходится более или менее ограниченным кругом материалов. Кроме этого, дальнейшая перспектива связана с созданием новых многослойных структур на основе комбинирования существующих приборов и методов измерения и контроля различных величин. 1.2. Особенности измерения поглощаемой мощности в ИК-диапазоне излучений Процессы поглощения электро-магнитных волн от самых длинных до ИК- излучения достаточно полно описываются соотношениями классической электродинамики. В диапазонах более коротких длин волн доминируют процессы, имеющие существенную квантовую природу и которые могут быть описаны только в рамках квантовой электродинамики на основе представлений о дискретности этих процессов [6]. В зависимости от цели измерений и характерной особенности обнаруживаемого сигнала применяют различные методы измерения и соответствующим образом выбранные сенсоры излучений. Поэтому используются как методы, применяющиеся в СВЧ-ваттметрах (тепловые), так и методы, основанные на квантовых эффектах в полупроводниках (фотоэлектрические). Краткая характеристика методов регистрации излучений приведена в табл. 1.3. [7]. Таблица 1.3. Методы регистрации излучений |Метод и измерительная|Приемники излучения|Свойства, преимущественное | |техника |и выделение сигнала|применение | |1 |2 |3 | |Калориметрический | | | |Преобразование | | | |энергии излучения в | | | |тепловую, измеряется | | | |повышение | | | |температуры: | | | |непосредственное, |Тепловые и |Спектрально-неселективные, | |путем использования |пироэлектрические |измерение непрерывного и | |энергетических |приемники, |импульсного излучения от УФ- до| |свойств поглотителя, |сверхпроводящий |дальней ИК-области спектра, | |зависящих от |болометр, измерение|работа при комнатной | | |тока или напряжения|температуре или | | | |(сверхпроводящий | |температуры | | | | | | | | | |болометр) при температуре | |косвенно с помощью | |1.5-20 К, частично с | |термоэлектрического | |электрической калибровкой. | |чувствительного |Твердотельные и |Спектрально-неселективные, | |элемента в тепловом |жидкостные |измерение больших мощностей | |контакте с |калориметры в |излучения, большие постоянные | |поглотителем |сочетании с |времени, работа при комнатной | | |термоэлектрическими|температуре с электрической | |косвенно за счет |датчиками, |калибровкой. | |изменения объема или |измерение тока или | | |давления |напряжения. | | | |Ячейка Голея, |Широкая полоса частот (в | | |оптоакустический |зависимости от наполняющего | | |приемник, |газа), высокая лучевая | | |оптическое или |нагрузка, работа при комнатной | | |электрическое |температуре, измерение | | |измеренние |непрерывного и импульсного | | |отклонения |излучений. | | |мембраны. | | |Фотоэлектрический | | | |образование свободных| | | |носителей заряда | | | |(фотоэлектроны, | | | |электронно-дырочные | | | |пары) при поглощении | | | |излучения (фотонов): | | | |при внешнем | | | |фотоэффекте |Вакуумные |Спектрально-селектитвные, | | |фотоэлектрические |высокая чувствительность, малые| | | | | |(фотоэмиссия) | | | | |приемники: | | | |фотоэлементы, ФЭУ, |постоянные времени, работа при | | |измерение тока |комнатной температуре, | | | |калибровка с помощью | | | |оптического стандарта, | | | |измерение непрерывного и | | | |импульсного излучений от УФ- до| |при внутреннем | |ближней ИК-области спектра. | |фотоэффекте |Твердотельные | | |(фотопроводимоть, |фотоприемники: |Спектрально-селективные, от УФ-| |фотоЭДС). |фотодиоды, |до дальней ИК-области спектра, | | |фотоэлементы, |работа при комнатной | | |фотосопротивления, |температуре, в ИК-диапазоне | | |измерение тока или |охлаждение детектора до 77-4 К,| | |напряжения, |высокая чувствительность, | | |усиление тока в |отчасти малые постоянные | | |лавинных |времени, калибровка с помощью | | |фотодиодах. |оптического стандарта, | |на основе эффекта | |измерение непрерывного и | |увлечения фотонами | |импульсного излучений. | |(передача импульсов |Ge-детектор |Спектарльно-селективные, работа| |свободными носителями|увлечения фотонами,|при комнатной температуре, | |заряда в кристалле) |измерение |измерение больших энергий | | |напряжения |импульса | Тепловые приемники имеют то преимущество, что они реагируют независимо от длины волны поглощаемого излучения только на энергитическую освещенность. Их спектральная чувствительность определяется свойствами поглотителя и может сохраняться постоянной от УФ- до дальнего ИК-диапазона длин волн. Эти приемники не требуют охлаждения ( исключение составляет сверхпроводящий болометр). По сравнению с квантовыми детекторами они имеют , в общем случае, большие постоянные времени и существенно более низкую чувствительность. Квантовые приемники реагируют на фотоны измеряемого излучения со спекрально-селективной чувствительностью, ход которой и длинноволновая граница определяются электронными энергитическими состояниями материала сенсора. Эти сенсоры характеризуются высокой предельной чувствительностью и малыми постоянными времени, однако при применении в ИК-диапазоне они должны охлаждаться (77 К в среднем, 4 К в дальнем ИК-диапазонах) для подавления теплового возбуждения носителей заряда. ----------------------- 1 2 3 1 2 3