Материалы сайта
Это интересно
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 ip определяется изменением степени поляризации во времени [3]: [pic], (1) где А - площадь ЧЭ, Т - мгновенная температура, t - время, Рs - степень поляризации, р - пироэлектирческий коэффициент. Уравнение сохранения энергии [2] [pic] , (2) где Wпогл - поглощаемая ЧЭ мощность, Wотв - мощность отводимая от УЭ, дополним новым слагаемым Wнак - мощностью накопленной в пироэлектрике. Тогда (1) приобретает вид: [pic] , (3) где [pic], (4) [pic] , (5) [pic] . (6) В (3)-(6) ( - коэффициент эмиссии сенсора, ( - плотность пироэлектрического материала, (Т- разность температур между ЧЭ и ИЭ, ( - толщина пироэлектрика, ( - теплоотдача посредством теплопроводности и излучения. Подставив (4)-(6) в (3) получим дифференциальное уравнение первого порядка : [pic] . (7) Решение уравнения (6) при начальном условии (Т(t=()=0 будет иметь вид: [pic], (8) где ( - постоянная не зависящая от температуры и времени : [pic] . (9) Теперь по уравнению (1) находим мгновенное значение тока пироэлектрика: [pic]. (10)