Глава8.Основныенаправленияразвитиятехникирегистрацииоптическогоизлучения 411

Введение 411

1. Целипримененияоптическихсистеми ихстроение 411

2. Болометрическиематрицы 417

   1. Принципдействияихарактеристикитепловыхприем-

никовизлучения 417

2. ПараметрыТПИ 419

3. Болометры 423

1. ЛинейчатыеиматричныефотоприемникиифотоприемныеустройстванаосновепленокCOT<In> 433

   1. Состави принципработыизмерительногостенда 433

   2. ЛинейчатыефотоприемникинаосновеCOT<In> 438

   3. Характеристикилинейчатыхфотоприемныхустройств 446

   4. МатричныефотоприемникинаосновеCOT<In> 453

2. Тепловизионныематрицынаосноветвердыхрастворов

Cd_1-xHg_xTe 460

5. ЛинейчатыеиматричныеПЗИ-приемникиизображенияна

основеInAs 463

6. Преобразованиесветовогопотокавцифровуюинформацию

иизображение 468

1. Оцифровываниесигнала 469

2. Приборы,отображающиеоптическуюинформацию 479

Литература 492

Заключение 493

Оглавление ₉

ПРЕДИСЛОВИЕ

Представляемыйвниманиючитателятомявляетсявторымвсерии

«Физикамикросистем»ипосвященизложениюфизическихпринципов

действиятакихширокораспространенныхкомпонентовмикросистем-нойтехники,кактермическиесенсорыисенсорыоптическогоиин-фракрасногоизлучения.

Междисциплинарныйхарактермикросистемнойтехникиобуслов-

ливаетспецификуотбораиподачиматериалавучебномпособии.Какивпервойкниге,основнойакцентвизложенииматериаласделаннаподробномописаниифизическихпроцессов,происходящихвсенсо-рах,стем,чтобызаложитьфундаментдляописанияосновныхихха-рактеристикирациональногоконструирования.

Приизложенииматериалаавторыстремилисьминимизироватьчислоотсылокчитателякспециальнымдисциплинамикурсами,понеобходимостикратко,приводилидополнительныесведенияизраз-личныхобластейфизикивнадежде,чтоучитателясложитсяцельноевпечатлениеорассматриваемыхпроблемах.

Обсуждениетермическихсенсоровначинаетсяспроблемырасче-товтемпературныхполейчувствительныхэлементов.Приэтомособоевниманиеуделяетсявсемспособамтеплопередачи:путемтеплопро-водности,конвекции,радиационноготеплообмена.Приводятсяприме-рыпостановкикраевыхзадач,типичныхдлятермическихсенсоров,иметодыихрешения.

Вглавах2и3описываютсятермочувствительныеэлементыипри-

мерыконструктивнойреализациитакихтермическихсенсоров,каквакуумметры,сенсорыпотокагаза,конверторы.

Главы4...8посвященыфизикепроцессов,определяющихработусенсоровоптическогоиинфракрасногоизлучения(приемниковизлу-чения).

₁₀ Предисловие

Последовательнорассматриваютсявзаимодействиеизлученияствердымтелом,характеристикифотоэлектрическихприемников,фи-зическиеосновыработыфотонныхприемниковизлученияипримерытехническойреализации.

Разумнаяограниченностьобъематомазаставилаисключитьизего

содержаниявсе,чтоотноситсякоптическимактюаторам.Этопредпо-лагаетсярассмотретьвотдельномиздании.

Представленнаякнигаможетбытьполезнастудентамстаршихкур-сов,аспирантам,инженераминаучнымработникам,занимающимсямикросистемнойтехникой.

Введение ₁₁

ВВЕДЕНИЕ

Современныемикросистемысостоятизрядакомпонентов,которыевыполняютразнообразныефункциии,какправило,могутбытьвыде-леныконструктивно.Кчислуважнейшихкомпонентовотносятсясен-сорыиактюаторы,занимающиеособоеположениевизмерительныхсистемах.

Классическаяструктураизмерительнойсистемывключаеттрибло-

ка(рис.1).

Входнойпреобразователь		Сигнальныйпроцессор		Выходнойпреобразователь

Рис.1.Блок-схемаизмерительнойсистемы

Впервомблокеизмеряемаявеличина,такаякакдавление,темпера-тура,излучениеилииная,превращаетсявсигнал,отличающийсяпофизическойприродеотизмеряемой(входной)величины.Обычно,из-заудобствадальнейшейобработкиипередачи,стремятсяпревратитьизмеряемуювеличинувэлектрическийсигнал.Вовторомблокепро-исходитпреобразованиеэлектрическогосигналавэлектрическийжесигнал,носинымихарактеристиками.Этоможетбытьусилениеилиусилениеспреобразованиемвцифровойкод,можетпроизводитьсякакая-либообработкасигналасцельюкомпенсациипогрешностейит.д.Втретьемблокеэлектрическийсигналпреобразуетсявнеэлектри-ческуювеличину,котораяможетбыть,например,воспринятанашимиорганамичувств.

Внастоящеевремясуществуетдовольноширокоеразнообразие

терминов,описывающихвсетриблокаизмерительнойсистемы.Этот

вопроснеоднократнообсуждалсявпечати,сошлемсядляпримерана[1–3].Дляпервогоблока(рис.1),можновыделить,какнаиболеечастоупотребляемыеиравноправные,дватермина–датчикисенсор.Тер-миндатчикакцентируетвниманиенаформированииивыдачесигна-ла,терминсенсор–навосприятиивходнойвеличины.Всловаре-справочнике«Основныетерминывобластиметрологии»[4]даетсяследующееопределениедатчика:«Датчик–конструктивно-обособлен-ныйизмерительныйпреобразователь,откоторогопоступаютсигналыизмерительнойинформации».

Вданномучебномпособиимы,однако,будемпользоватьсятерми-

номсенсоркакболееширокоприменяемымвмикросистемнойтехни-ке.Вдобавок,конструктивнаяобособленностьдатчикавусловияхширокогоприменениямикроэлектронныхтехнологийстановитсявесьмаусловнойдлямикросистем,посколькунаодномитомжекри-сталле,спомощьюоднихитехжетехнологическихприемов,могутформироватьсяодновременноипервый,ивторойблокиизмеритель-нойсистемы.Этатенденцияобъединениясенсораиобрабатывающейэлектроникивторогоблока(сигнальногопроцессора)сталастольши-рокораспространенной,чтопоявилсяспециальныйтермининтеллек-туальныйсенсор(ванглоязычнойлитературе–smartsensor).

Ещебольшийразнобойвтерминологиисуществуетотносительно

названиятретьегоблока,гдевходнойэлектрическийсигналсноваме-няетсвоюфизическуюприроду.Помимовыходногопреобразователясуществуютназваниясаналогичнымсмыслом:управляющееустрой-ство,дисплей,привод.Например,термин«привод»всправочнике

«Современныедатчики»Дж.Фрайдена[5]определяетсякак«устрой-

ство,противоположноедатчику,посколькуонпреобразуетэлектриче-скуюэнергию,какправило,внеэлектрическуюэнергию».

Применительнокмикросистемнойтехнике,затретьимблокомиз-мерительнойсистемызакрепилсятерминактюатор,являющийсяпрактическипрямымпрочтениемлатинскихбуквванглийскомсловеactuator(внемецкомязыкеаналог–Aktor).Учитываяобщуюнаправ-ленностькниги,мыбудемтакжепользоватьсяэтимтермином.

Объемтеоретическихиэкспериментальныхисследованийвоблас-тисенсоровкнастоящемувременисущественнобольше,чемдляактюаторов.Тожесамоеотноситсяикмасштабампрактическогоприменения.Подобноеотличиесвязановосновномстем,чтоисследо-ваниясенсоровначалисьдавно–более40летназад.Проблемажеми-

ниатюризацииисполнительныхустройствиприменениядляихизго-товлениямикроэлектронныхтехнологийсталаактивнорешатьсялишьвпоследниедвадесятилетия.Длясенсоровсуществуетнесколькова-риантовклассификации,дляактюаторовклассификацияпоканесоз-дана.Приведемздеськраткиесведенияоклассификациисенсоров.

Стеоретическойточкизренияработасенсораможетрассматри-ватьсякаквзаимодействиетермодинамическойсистемы,представ-ляющейизмеряемыйобъект,иэлектроннойсистемысенсора.Этотпроцессможноохарактеризоватьэнергиейвзаимодействия,новтео-рииинформационно-измерительныхсистемпредпочитаютвзаимодей-ствиеописыватьтерминомсигнал.Врамкахклассификации,предло-женнойвработе[6],навходсенсорамогутпоступать:механический,электрический,магнитный,термический,химическийирадиационныйсигналы,соответствующиешестивидамэнергии,принятымвцити-руемойработе.Приэтомтермическаяэнергияпредставляеткинетиче-скуюэнергиюдвиженияатомовимолекулввеществе,излучение–энергиюквантовповсейшкаледлинволн(отрадиочастотныхдогам-ма-излучения),химическаяэнергия–взаимодействиеатомовимоле-кул,электрическуюимагнитнуюэнергиихарактеризуютсоответст-вующиеполя,механическаяэнергияобъединяеткинетическуюипотенциальнуюэнергиитвердыхтел,жидкостейигазовигравитаци-оннуюэнергию.

Состояниетермодинамическойсистемыописываетсянаборомве-личин,которыеможнообъединитьвгруппывсоответствиисвидами

энергии.Сучетомэтогопростейшаяклассификациясенсоровповидамэнергиивзаимодействия(сигналов)принимаетвид,представленныйнарис.2.

Здесьстрелкамиобозначенысоответствующиевидывзаимодейст-

вия.

Каквидноизрис.2,электрическиесенсорыотсутствуют.Этосвя-заностем,чтовсенсорепоопределениюпроисходитпреобразование

формыэнергиисигнала,авэлектрическихсенсорахтакогоизменениянетипосуществуприизмеренияхтоков,зарядов,напряжениймыимеемделосразуссигнальнымпроцессором.

Изменениеэнергииэлектроннойсистемысенсорапроявляетсяв

видеразнообразныхфизическихихимическихэффектов,которыемо-гутбытьиспользованыприпрактическойреализациисенсоров.Ихвы-боропределяетсяконструктивно-эксплуатационнымитребованиямик

сенсору.Например,измерятьтемпературу(термическийсигнал)мож-носпомощьюэффектаЗеебекаилипоизменениюсопротивлениятер-мистора.Обаэффектапозволяютсоздаватьсенсоры,которыеразли-чаютсятемпературнымидиапазонамиработы,чувствительностью,нелинейностьюит.д.

Радиационные

Механические

Термические

Магнитные

Химические

Электрическийсигнал

Рис.2.Схемапреобразованиявходныхсигналоввсенсорах:

вкачествепримераштриховойлиниейуказанасхемапреобра-зованиясигналавтандемномтермическомсенсоредавления

Всхеме(рис.2)сплошныестрелкиотображаютодинэффектпре-образования.Внекоторыхсенсорах,однако,припреобразованиивходногосигналаиспользуетсянесколькоэффектов.Например,втер-мическомсенсоредавленияпроисходитследующаяцепочкапреобра-зованийвходногосигнала:

pkTv,

где

p–входнойсигналсенсора(изменениедавления,механическая

величина)преобразуетсявизменениетеплопроводностигаза

k,что

вызываетизменениетемпературногополячувствительногоэлемента

сенсора

T.Начувствительномэлементерасположены,например,

термопары,навыходекоторыхвозникаетэлектрическийсигнал.В

рассматриваемомсенсоремеханическаявеличинаp

преобразуетсяв

термическую^налv^.

T^{,котораядалеепреобразуетсявэлектрическийсиг-}

Сенсоры,вкоторых входнойсигналпреобразуетсявэлектрический

спомощьюнесколькихэффектов(двухилибольше),именуются,со-

гласно[6],тандемными.Нарис.2преобразованиясигналавтакомсенсорепоказаныштриховойлинией.

Сточкизренияпотребляемойэнергиисенсорыделятсянадвегруп-пы.Впервойгруппедляполученияэлектрическоговыходногосигналанетребуетсяникакойинойэнергии,кромеэнергиивходногосигнала.Такиесенсорыименуютсясамогенерирующими,илиактивными.При-мерамиявляютсяэлектронныетермометры,использующиеэффекттер-моЭДС,илиакселерометрынапьезоэлектрическомэффекте.

Вовторойгруппесенсордолженбытьподключенкисточнику

энергииивозникающийпотокэнергиимодулируетсявходнымсигна-лом.Такиесенсорыназываютсямодуляционными,илипассивными.Хорошимпримеромтакойкатегориисенсоровявляетсясенсордавле-ниянатензорезистивномэффекте.Приотсутствиимеханическоговоз-

действиятензорезисторимеетсопротивление

R_0иприпротекании

токапостояннойвеличиныIнанемполучаетсяпадениенапряжения

v_0IR₀

ивыделяетсямощность

P_0I^2R_0.Подвлияниемвходного

сигнала(деформация)сопротивлениетензорезистораизменяется,

^RR₀^R^^{,падениенапряженияимощность модулируются:}

^vIR₀^IR^^v₀^v^^;

^PI2R₀^I2R^^P₀^{P}^,

гдеотношениеляции.

v_и

v₀

^{Pможно}интерпретироватькакглубинумоду-

P₀

Терминыактивныйипассивныймогутиногдапо-разномупони-матьсявсенсорахиэлектронике.Например,приизмерениитемпера-туры,транзисторрассматриваетсякакпассивныйсенсор,авэлектро-нике–этоактивныйэлемент,вкоторомпроисходитусилениесигнала.Поэтомудалеемыбудемпользоватьсятерминамисамогенерирующиеимодуляционныесенсоры.

Вданномтомерассматриваютсяфизическиепроцессы,характери-стикииконструкциисенсоровтермическогосигналаирадиационныхсенсоровоптическогоиинфракрасногоизлучения.Областьихприме-нениячрезвычайноширока,афизическиепроцессы,происходящиевних,весьмаразнообразны,чтоиопределилоотборматериаладлятома.

Сенсорыизлученияисторическиявлялисьпервымиполупроводни-ковымисенсорами.Ихсозданиемиисследованиемзанималисьещедопоявлениямеханическихсенсоровимикросистемнойтехники.Висто-риинаукиитехникизанимизакрепилсятерминфотодетекторы,по-этомувкнигеэтоттерминиспользуетсянарядустерминомсенсор.

Крадиационнымсенсорамтакжеотносятсясенсорырентгеновско-гоиядерногоизлучения.Физическиепроцессы,конструкцииихарак-теристики,учитываяспецификуэтихсенсоров,предполагаетсярас-смотретьвотдельномиздании.

ЛИТЕРАТУРА

1. АлейниковА.Ф.Датчики.Перспективныенаправленияразвития/А.Ф.Алейников,В.А.Гридчин,М.П.Цапенко;подред.М.П.Цапенко.–Новосибирск:Изд-воНГТУ,2003.– 285с.

2. МальцевП.П.Отерминологиивобластимикро-инаносистемнойтех-

ники/П.П.Мальцев//Нано-имикросистемнаятехника.–2005.–№9.–С.2–5.

3. ВернерВ.Д.Ктерминологиивмикросистемнойтехнике/В.Д.Вернер

//Нано-имикросистемнаятехника.–2005.–№9.–С.6–7.

4. Основныетерминывобластиметрологии:словарь-справочник/М.Ф.Юдин,М.Н.Селиванов,О.Ф.Тищенко,А.И.Скороходов;подред.Ю.В.Тарбеева.– М. :Изд-востандартов,1989.– 320с.

5. ФрайденДж.Современныедатчики:справочник/Дж.Фрайден.– М. :

Техносфера,2005.–С.588.

6. MiddelhoekS.SiliconSensors/S.Middelhoek,S.A.Audet.–N-Y.:Aca-demicPress,1989.–367 p.

1.1.Теплотаитемпература ₁₇

ГЛАВА1

ТЕМПЕРАТУРНЫЕПОЛЯ

ВТЕРМИЧЕСКИХСЕНСОРАХ

ВВЕДЕНИЕ

Температураявляетсяважнейшейхарактеристикойсостоянияве-ществипроцессов,происходящихсними.Ееизмерениеирегулирова-ниепредставляетфундаментальнуюфизическуюитехническуюпро-блему,решениекоторойопределяетмногочисленныетехническиеприложения,втомчислеивмикросистемнойтехнике.Наосновераз-работанныхметодовизмерениятемпературывозниккласстермиче-скихсенсоров,которыепозволяютизмерятьразнообразныефизиче-скиеихимическиевеличины.Общейчертойтермическихсенсоровявляетсятрехэтапнаясхемапреобразованиясигнала.

1. НапервомэтапенетермическаяизмеряемаявеличинаFпреобра-зуетсявпотоктеплаФ,протекающийпосенсору,^FФ.

2. Навторомэтапепотоктеплапреобразуетсявразностьтемпера-турмеждунекоторымиточкамисенсора,ФT.

3. Натретьемэтаперазностьтемпературпреобразуетсявэлектри-ческийсигналv,Tv.

Вэлектронныхтермометрах,являющихсяподгруппойтермическихсенсоров,схемапреобразованиясигналакороче:длянихизмеряемаятемпература(разностьтемператур)преобразуетсявэлектрическийсигналv:^{TvилиTv.}

Типичныйпримертермическогосенсора–сенсорИК-излучения,вкоторомизмеряемыйпотокинфракрасногоизлученияпоглощается

материаломсенсора,чтоприводиткеголокальномуперегревунаве-

личину

T^{,которыйрегистрируетсятермопарой[1.1].Микроэлек-}

троннаятехнологияпозволяетсоздаватьмалогабаритные,надежныеи

дешевыесенсорысхорошимиметрологическимихарактеристиками.Другимипримерамиявляютсятермическиесенсорыпотокагазаилижидкости,составагаза,влажности,микрокалориметрыдляопределениятеплотыхимическихреакцийит.д.Областьприменениятермическихсенсороввмикроэлектронномисполнениинеуклоннорасширяется.

Электромагнитнаяэнергиявесьмапростопреобразуетсявтепло-вую,котораядалееможетбытьпревращенавмеханическуюилив

иныевидыэнергии.Такиепреобразованиялежатвосноведействиятермическихактюаторов,изкоторыхнаибольшеезначениесейчасимеюттермомеханические.Этиактюаторыпредставляютсобойдвух-слойныеструктурыизматериаловсразличнымикоэффициентамили-нейногорасширения.Подведениетеплактакимструктурамвызываетвозникновениевнихтермомеханическихдеформацийиизменениегеометрии,чтоможетбытьиспользовано,например,дляпостроениямикромеханическихвыключателей[1.2].

Технологиямикромеханикипозволяетсоздаватьразличныетипы

термомеханическихактюаторов,которыеужеполучилиширокоерас-пространение.

Вданнойглавевначалерассматриваютсяфизическиемеханизмыпередачитеплаиметодырасчетатемпературныхполейитепловыхпотоков.