Материалы сайта
Это интересно
Разработка сенсоров поглощаемой мощности
3. ПОСТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА И ОСНОВЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СПМИ 1. Особенности электро-физических процессов в СПМИ В медико-биологических, экологических и других прикладных исследованиях одной из важных является проблема обеспечения измерений малых уровней поглощаемой мощности и включения этих измерений в состав автоматизированных систем. Известные приборы для измерения поглощаемой мощности не всегда полностью обеспечивают современный уровень требований, предъявляемый к измерительным устройствам. В первую очередь это связано с недостаточно высокой чувствительностью сенсоров поглощаемой мощности. Дальнейший прогресс в этом направлении связан с применением новых материалов, прогрессивных технологий, современных элементной базы и методов исследований. В работе приведены результаты математического моделирования и исследований по созданию сенсоров на базе тепловых методов [1], обладающих высокой чувствительностью к поглощаемой мощности сигнала . Упрощенная конструкция сенсора приведена на рис. 3.1. [pic] Рис.3.1. Упрощенная схема сенсора. Сенсоры содержат чувствительный элемент ЧЭ, имеющий форму поглощающего клина, управляющий элемент (УЭ) в виде пленки пироэлектрика и исполнительный элемент (ИЭ) в виде униполярного полупроводникового прибора. Работа сенсора основана на изменении выходного параметра ИЭ в результате изменения потенциала на одном из электродов униполярного прибора, электрически соединенном с пироэлектриком. Нагрев пироэлектрика происходит за счет преобразования мощности сигнала в теплоту с помощью ЧЭ. Оценка чувствительности подсистемы сенсора “поглотитель + пироэлектрик” приведена для стационарного состояния, или в предположении, что поглощаемая сенсором мощность излучения с постоянной интенсивностью и мощность, отдаваемая сенсором окружающей среде равны: Wпогл = Wотв , (3.1) Если плотность мощности излучения равна W и эффективный коэффициент отражения поглотителя Rэф , то поглощаемая мощность при однородном потоке : Wпогл = W(1 - Rэф)S1 , (3.2) где S1 - площадь поглощающей поверхности. Учитывая незначительную величину разогрева сенсора, можно считать, что теплоотдача определяется главным образом конвективным теплообменом. Тепловой поток : dQ = a (Tn - Toc) dS2 , (3.3) где а - локальный коэффициент теплоотдачи; Tn - температура поверхности; Тос - температура окружающей среды; dS2 - площадь теплообмена. Если вблизи поверхности газ неподвижен, то теплоотдача на границе сенсор- газ осуществляется только теплопроводностью. Тогда, по закону Фурье, плотность теплового потока : qc = - ([pic]n=0 , (3.4) где ( - коэффициент теплопроводности среды; n - расстояние по нормали к поверхности сенсора. В условиях стационарности задачи и изотермичности сенсора, для плотности теплового потока из (3.3) получим : qc = [pic] = a (Tn - Toc) . (3.5) Из (3.4) и (3.5) следует, что a (Tn - Toc) = -( [pic] n = 0 . (3.6) При малой разности Tn - Toc можно считать, что [pic] n = 0 [pic] , (3.7) где r b - среднее расстояние от поверхности сенсора до стенки волновода. И тогда из (3.6) и (3.7) можно оценить средний коэффициент теплоотдачи : а = [pic] , (3.8) С учетом изложенного, отводимая мощность Wотв = a (Tn - Toc) S2 [pic](Tn - Toc) S2 , (3.9) где S2 - полная площадь внешней поверхности сенсора. Используя (3.1), (3.2) и (3.9), получим : [pic] , (3.10) Таким образом, для сенсора, работающего в квазистационарном режиме, интенсивность волны, вызывающая повышение температуры на 1К (в рамках наложенных ограничений) зависит от теплопроводности среды в волноводе; размеров сенсора и волновода; отношения полной площади поверхности сенсора к площади поглощающей поверхности и от эффективного коэффициента отражения излучения сенсором. Полагая S2 = S1, Rэф = 0.2, коэффициент теплопроводности воздуха при нормальных условиях ( = 2.57 * 10-2 Вт/(м * К), r b = 1см, получаем : W/(T =3.2 Вт/(м2 * К) . (3.11) При использовании в качестве пироэлектрика турмалина, изменение температуры на 1К в кристалле толщиной 0.1 мм вызывает изменение поверхностного потенциала примерно на 5 В. Исходя из вышеприведенной конструкции сенсора, в которой исполняющий элемент представляет собой полевой транзистор, можно представить зависимость выходного тока прибора от потенциала истока следующим образом : [pic] , (3.12) где UC1, UJ1, UC4 - напряжения затвор-исток; сток-исток; подложка-исток соответственно; ge - внутренняя проводимость полевого транзистора; Uпор - пороговое напряжение; ( - поправочный коэффициент (( = 0,7). Соотношение (3.12) справедливо в том случае, если исполнительный элемент находится в линейном режиме, т.е. [pic] .Если же выполняется условие насыщения,то : [pic] , (3.13) Выражения (3.12) - (3.13) описывают ток, протекающий в выходной цепи сенсора в надпороговом состоянии, критерием перехода в которое является : [pic] . (3.14) Если условие (3.13) не выполняется, то в выходной цепи ток не протекает : I1 = 0 . (3.15) Сопоставляя (3.12) - (3.15) с (3.10) и используя эмпирически полученные значения W/(T и (s , получим систему уравнений, описывающих работу сенсора поглощаемой мощности : [pic] , при [pic]; I1 = [pic], при [pic]; (3.16) 0 , при ( ( 0 . На рис.3.2 приведены рассчитанные с использованием вышеприведенных соотношений преобразовательные характеристики СПМИ. [pic] Рис.3.2. Зависимость выходного тока датчика от величины поглощаемой мощности при напряжении на затворе: 1 - 5 В; 2 - 4 В; 3 - 3 В. 2. Конструкторско-технологические варианты решение СПМИ Наиболее близким по совокупности признаков к разрабатываемому СПМИ является твердотельный измерительный преобразователь поглощаемой мощности на СВЧ ( Костенко В.Л. Твердотельный измерительный преобразователь мощности на СВЧ // Измерительная техника, №2, 1997 г., с.13-14.), содержащий чувствительный элемент, имеющий форму поглощающего клина, управляющий элемент в виде пленки пироэлектрика и исполняющий элемент в виде униполярного полупроводникового прибора. При этом затвор или сток униполярного прибора электрически соединен с пироэлектриком. Работа такого сенсора основана на изменении выходного параметра исполнительного элемента в результате изменения потенциала на затворе, электрически соединенном с пироэлектриком. Нагрев пироэлектрика происходит за счет преобразования мощности сигнала в теплоту с помощью чувствительного элемента. Недостатками этого сенсора являются : - отсутствие возможности изменять форму выходного сигнала, что усложняет измерение его параметров; - сравнительно невысокое быстродействие, ограниченное емкостями затвор- исток и затвор-сток; - отсутствие возможности точной настройки сенсора в процессе измерений. В основу поставлена задача создания сенсора поглощаемой мощности сигнала, в котором за счет замены исполнительного элемента на комбинированную твердотельную структуру, содержащую базу, затвор, эмиттер и коллектор и соединения его с управляющим элементом обеспечивается : - возможность изменения формы выходного сигнала; - увеличение быстродействия; - возможность точной настройки сенсора в процессе измерений. Для решения поставленной задачи, в сенсоре коллектор комбинированной твердотельной структуры электрически соединяется с управляющим элементом - пленкой пироэлектрика. Изобретение поясняется чертежом (рис.3.4). Сенсор содержит подложку 1, из кремния n-типа с ориентацией (100), на которой выполнена изопланарная транзисторная структура с боковой SiO2-изоляцией. В ней с помощью анизотропного травления выполнен паз 2, дно которого расположено в области коллектора 3, а области базы 4 и эмиттера 5 ограничены одной из стенок паза, на стенках паза сформирован слой SiO2 6 и дополнительный полевой электод - затвор 7. На коллекторный контакт 8 последовательно наносятся слои пироэлектрика 9 и металлоуглеродного композита 10, осуществляющие преобразование поглощаемой мощности сигнала. Существуют несколько видов коструктивно-технологического исполнения СПМИ: 1) с ЧЭ и ПЭ в цепи затвора (рис. 4.4); 2) с ЧЭ и ПЭ в цепи базы (рис. 4.6); 3) с ЧЭ и ПЭ в цепи коллектора с лицевой стороны структуры (рис. 4.5); 4) с ЧЭ и ПЭ в цепи коллектора с обратной стороны структуры (рис. 4.3); Если СПМИ предназначен для регистрации ИК-излучения, то в качестве поглощающего покрытия используется пленка черненного золота. При варианте СВЧ-СПМИ, ЧЭ представляет собой поглощающий клин из металлоуглеродного композита. [pic] Рис. 4.3. Структура СПМИ с подключением подсистемы (ЧЭ + ПЭ( в цепь коллектора КТС с обратной стороны кристалла. [pic] Рис. 4.4. Структура СПМИ с подключением подсистемы (ЧЭ + ПЭ( в цепь затвора КТС. [pic] Рис. 4.5. Структура СПМИ с подключением подсистемы (ЧЭ + ПЭ( в цепь коллектора КТС с лицевой стороны кристалла. [pic] Рис. 4.6. Структура СПМИ с подключением подсистемы (ЧЭ + ПЭ( в цепь базы КТС. Способы измерения поглощаемой мощности с использованием СПМИ на основе КТС Устройство работает следующим образом. Падающее на ЧЭ, излучение преобразуется в тепловую энергию, нагревающую поверхность пироэлектрика. Результатом изменения температуры преобразующего элемента является появление на коллекторе комбинированной твердотельной структуры дополнительного электрического потенциала. Исходя из свойств комбинированной твердотельной структуры можно задавать несколько режимов работы сенсора: режим непосредственного измерения амплитуды выходного сигнала: исполнительный элемент функционирует в активном усилительном (линейном) режиме, положение рабочей точки соответствующее этому достигается подачей такого потенциала на затвор, что образующийся при этом поверхностный канал проводимости в базе заведомо не отсекается от области пространственного заряда коллекторного перехода; изменение потенциала на электроде базы приводит к изменению выходного тока структуры, а следовательно и чувствительности сенсора. режим выбора вида выходной характеристики сенсора: изменяя потенциал базы добиваются того, что электроны протекают из эмиттера в коллектор или же вследствие их экстракции областью пространственного заряда коллекторного перехода из области квазинейтральной базы, или же по искусственно создаваемому поверхностному каналу проводимости; таким образом, выходной сигнал и сопротивление сенсора будут соответствовать требуемым значениям цифровых измерительных систем. режим модуляции выходного сигнала: на базу комбинированной твердотельной структуры подаются импульсы от внешнего генератора, а к коллектору (выходу сенсора) подключается счетчик импульсов; в отсутствие сигнала во внешнюю цепь проходят пакеты модулирующих импульсов; количество импульсов в каждом пакете строго фиксировано; если сенсор поглощает сигнал, то потенциал коллектора изменяется и в момент, когда его величина становится равной величине потенциала базы, то во внешнюю цепь начинает протекать постоянный ток; это состояние сохраняется до тех пор, пока, вследствие релаксации системы к состоянию теплового равновесия, потенциал коллектора вновь станет превышать потенциал базы и на выходе снова появится импульсный сигнал; при этом величина поглощаемой мощности определяется разностью между количеством импульсов проходящих в измерительную систему в состоянии ожидания и в состоянии измерения мощности. ----------------------- Iк, А 3 2 1 W, Вт 4 5 6 7 1 3 2 8 9 10 4 5 6 7 10 9 8 1 3 2 10 9 8 4 5 6 7 1 3 2 10 9 8 4 5 6 7 1 3 2