
- •4 Оглавление
- •Глава1.Температурныеполявтермическихсенсорах........................ 17
- •Глава2.Термочувствительныеэлементы 105
- •Глава3.Примерыпрактическойреализациитермическихсенсоров
- •Глава4.Взаимодействиеизлученияствердымтелом 183
- •Глава5.Фотоэлектрическиеприемникиизлучения.Определения
- •Глава6.Равновесныеинеравновесныеносители заряда 271
- •Глава7.Физическиеосновыработыфотонныхприемниковизлу-
- •Глава8.Основныенаправленияразвитиятехникирегистрацииоптическогоизлучения 411
- •Теплотаитемпература
- •Способы теплопередачи:теплопроводность
- •Уравнениетеплопроводности
- •Теплопроводностьгазов
- •Теплопроводностьитеплоемкостьтвердыхтел
- •Теплопроводностьжидкостей
- •1.3.Радиационныйспособтеплопередачи
- •Основныепонятияизаконы
- •Радиационныйтеплообменмеждутвердымителами,
- •Теплообменмеждудвумятелами,одноизкоторыхнаходится
- •Конвективныйтеплообмен
- •Основныеособенностиконвективноготеплообмена
- •Основныеуравненияконвективноготеплообмена
- •Критериитеорииподобия
- •Вынужденнаяконвекциядляплоскойповерхности
- •Теплообменвусловияхестественнойконвекции
- •Естественнаяконвекция
- •Примеррасчетаконвективноготеплообмена
- •Cтационарныетемпературныеполявэлементахтермическихсенсоровиактюаторов
- •Распределениетемпературы
- •Передачатеплачерезстенку
- •Электростатическаяаналогияуравнениятеплопроводности
- •Тепловоесопротивлениесоставнойтеплопроводящейпла-стины.
- •Параллельное соединение двух разнородных тепловых
- •Температурноеполевинтегральнойконсольнойбалочке
- •Стационарноетемпературноеполевкруглойдиафрагме
- •Однородныйнагрев
- •Точечныйисточниктепла
- •Температурнаядинамикаэлементовтермическихсенсоров
- •Решениенаосновеэлектростатическойаналогии
- •Аналитическоерешениедлятеплообмена
- •2.1.ТермочувствительныеэлементынаосновеэффектАтермоЭдс
- •Физическиепроцессывтермопарах
- •ОбъемныесоставляющиетермоЭдс
- •КонтактнаясоставляющаятермоЭдс
- •2.1.2.Эффекттермоэдсвметаллахиполупроводниках
- •Термоэлектрическиеэффектыпельтьеитомсона
- •Терморезисторы
- •Металлическиетерморезисторы
- •Кремниевыетерморезисторы
- •Транзисторы
- •Термисторы
- •Термическийвакуумметр
- •Термическиесенсорыпотокагаза
- •Термоанемометры
- •Термоанемометрыснагревателемизполикристаллическогокремния
- •Термическийсенсор,чувствительныйкнаправлениюпотока
- •VXSxuxSxucos;
- •Термическийконверторсреднеквадратичногозначениянапряжения
- •Биморфныйтермомеханическийактюатор
- •Взаимодействиеизлучениясполупроводниками
- •Уравнениямаксвелла
- •Отражениеэлектромагнитногоизлученияотграницыразделадвухсред
- •Зависимостьоптическихконстантотчастоты
- •Интерференция.Просветляющиепокрытия
- •Поглощениевполупроводниках
- •Механизмыпоглощениясветавполупроводниках
- •Собственноепоглощение.Прямыепереходы
- •СобственноепоглощениеНепрямыепереходы
- •Экситонноепоглощение
- •Примесноепоглощение
- •Внутризонноепоглощение
- •Поглощениесвободныминосителямизаряда
- •Решеточноепоглощение
- •Приемникиизлучения
- •Поотношениюксопротивлениюнагрузки:
- •Методыизмеренияпараметровфотоэлектрическихполупроводниковыхприемников
- •0,1Fрезfэкв0,2fрез,
- •Энергетическиехарактеристикиизлучения
- •IbAcos.
- •IBdAcos,
- •Мощностьиспектральныйсоставизлученияабсолютночерныхтел
- •Энергетическийисветовойпотокиизлучения
- •Цветовоезрение
- •Xyz(условныеобозначениясм.Нарис.5.18):
- •Приемцветногоизображенияприпомощиприемников
- •650Нмсераялиния
- •Равновесныеинеравновесныеносителизаряда
- •Равновесныеносителизарядавполупроводниках
- •Неравновесныеносителизарядаквазиуровеньферми
- •Рекомбинацияносителейзарядавремяжизни
- •1Nстt
- •Механизмырекомбинации
- •Излучательнаярекомбинация
- •Imax 2g
- •Межзоннаяоже-рекомбинация
- •Рекомбинациячерезлокальныецентры
- •Поверхностнаярекомбинация
- •Распределениенеравновесныхносителейзаряда
- •Уравнениянепрерывностидляэлектроновидырок
- •Диффузионноеуравнение
- •Лавинныефотодиоды
- •Фотосопротивления
- •Фотоприемникинаосновеструктурметалл–диэлектрик–полупроводник
- •Приповерхностныеобластипространственногозаряда
- •10 Blip 10
- •Целипримененияоптическихсистемиихстроение
- •Болометрическиематрицы
- •Принципдействияихарактеристикитепловыхприемниковизлучения
- •Параметрытпи
- •Болометры
- •Линейчатыеиматричные
- •Составипринципработыизмерительногостенда
- •–Осьлинейкифотоприемников(лфп)иЛфпу;
- •Характеристикилинейчатыхфотоприемныхустройств
- •Тепловизионныематрицы
- •Линейчатыеиматричныепзи-приемникиизображениянаосновеInAs
- •Преобразованиесветовогопотокавцифровуюинформацию
- •Оцифровываниесигнала
- •Приборы,отображающиеоптическуюинформацию
- •ВикторАлексеевичГридчин,ИгорьГеоргиевичНеизвестный,ВладимирНиколаевичШумский физикамикросистем
- •Часть2Учебноепособие
- •630092,Г.Новосибирск,пр.К.Маркса,20
Болометры
Принципдействияболометровоснованнаизмененииихэлектри-ческогосопротивленияиз-заизменениятемпературыподдействиемпадающегоизлучения.Такимобразом,болометрпредставляетсобойрезистор,материалкоторогодляполучениябольшойчувствительностидолженобладатьмалойтеплоемкостьюибольшимтемпературнымко-эффициентомсопротивления(ТКС).
ТКСболометразаписываетсяввиде
1dR. (8.2.15)
RdT
ЕсличерезболометрпротекаетпостоянныйтокI,тоизменениевыходногонапряженияболометраравно
VIRIRT. (8.2.16)
Сравнивая(8.2.16)с(8.2.5),получаем,чтоKIR,исогласно(8.2.6)вольт-ваттнаячувствительностьравна
Ф
V

K
12212
IR
12212
IR
22C212
. (8.2.17)
T T T T
Типыболометров
Болометрыусловноразделяютсянаследующиетипы:металличе-ские,термисторные,сверхпроводящие,полупроводниковые.Схематич-ноеизображениетонкопленочногоболометра,дающеепонятиеоегоконструкции,данонарис.8.4.
5
1
6 3
2 4
Рис.8.4.Общийвидодноэлементноготестовогомикроболометрасизгибомнанесущейопоре:
1–кремниеваяподложка;2–первыйнесущийслойнит-ридакремния;3–терморезистивныйслой(пассивирую-щийслойнитридакремниянепоказан);4–металличе-скаяразводка;5–опорнаяподушка;6–изгибнесущей
опоры
Металлическиеболометры
Дляизготовленияметаллическихболометровнаиболеечастоис-пользуютсятакиематериалы,какBi,Pt,Ni,Sb,окислыMn,Co,закисьмеди(CuO2).Вметаллическихболометрахсопротивлениезависитоттемпературыкак
RR01(TT0),
где
R0–сопротивлениепроводникапритемпературе
Т0;–темпе-
ратурныйкоэффициентизменениясопротивления.
Абсолютное изменение сопротивления болометра составляет
RR0T;относительное–RR0T.
ТКСдляметаллическихболометровобратнопропорционалентем-
пературевширокомдиапазоне(
1T)иположителен.Такимобра-
зом,длякомнатнойтемпературы
0,00331/К.Конструктивночув-
ствительныйэлементболометравыполненввидетонкойпленки(тол-щинаd~100–500Å),покрытойчастозолотойлибоплатиновойчер-нью.Конструктивноодноэлементныеболометрыобычносостоятиздвухчастей,однаизкоторыхоблучается,адругаянужнадлякомпен-сациидрейфатемпературы.Обнаружительнаяспособностьметалличе-
скихболометровнаходитсянауровнедействиеобычнонепревышает10мс.
1108смГц12Вт1,быстро-
Термисторы
Термистораминазываютсяболометры,чувствительныйэлементкоторыхпредставляетсобойтонкопленочныйтерморезистор,изготов-ленныйспеканиемокисловметалловMn,Co,Niиразмещенныйнадиэлектрическойподложке,например,насапфире.ТКСутермисторовотрицательный,пропорционаленквадратутемпературыиприрабочейтемпературесоставляет2…4%/К.Длятермисторовобнаружительнаяспособность,ограниченнаятепловымшумом,равна
D*310912смГц12Вт1.
Дляувеличенияобнаружительнойспособностинеобходимоувели-чиватьпостояннуювременитермистора,чтоухудшаетегобыстродей-ствие.
Сверхпроводящиеболометры
Принципдействиясверхпроводящихболометровоснованнарез-комизменениисопротивлениясверхпроводникаприизмененииеготемпературывмоментпереходаотсверхпроводящегосостояниякнормальному.Нарис.8.5показанакачественнотипичнаятемператур-наязависимостьсопротивлениядляусловногосверхпроводникаскри-тическойтемпературойTc.
Вблизикритическойтемпературыпринагревесверхпроводникаегочувствительность,пропорциональнаяdRdT,велика,такчтоиз-
менениетемпературы
T,котороесверхпроводящийболотромспосо-
бензарегистрировать,можетбытьдостаточномало.СверхпроводящиеболометрыиспользуютсвойствоисчезновениясопротивленияприкритическойтемпературеТсвоченьузкомтемпературноминтервале,
R,dR/dT
δT
1 2
Tс T,К
Рис.8.5.Изменениесопротивлениясверхпроводника(1)иегопроиз-
водной(2)оттемпературы
которыйучистыхсверхпроводни-ковможетбытьу´жеТ<0,001К.Вчастности,уширокоиспользуе-могосплаваNb3GeТс=22,3К.
Вобщихсловах,причинойвоз-
никновениясверхпроводимостисчитаетсяналичиеуэлектронов
взаимодействия,помимокулонов-скогоотталкивания,приводящегокихпритяжению.Этовзаимодейст-виеобусловленотем,чтоэлектрондеформируеткристаллическуюрешеткуипоявляющаясяполяри-зацияпритягиваетдругойэлек-трон.Втакомслучаевнекоторыхвеществах–сверхпроводниках–притемпературенижекритической
состояниемснаименьшейэнергиейоказываетсясостояниедвухсвя-
занныхэлектронов–куперовскойпары.Междуразрешеннымиэнерге-тическимисостояниямипариосновнымсостояниемпоявляетсяэнер-гетическийзазор2.Наличиеэтогозазорапрепятствуетрассеяниюпарсизменениемэнергии,чтоиведеткпоявлениюсверхпроводимо-сти.Приповышениитемпературывеличиназазорауменьшается.Среднеерасстояниемеждуэлектронамивкуперовскойпаре–около0,0001см.Парусоставляютэлектроныспротивоположнымиспинами,такчтокуперовскаяпара–бозон(спинравеннулю).Всекуперовскиепарынаходятсяводинаковомквантово-механическомсостоянии.
ВпереходномсостоянииТКСболометровэтоготипаможетдости-гать501/К.ТакаябольшаявеличинаТКСтребуетстабилизироватьтемпературусоченьвысокойточностью,нехуже,чемпримерно0,1T,гдеT–ширинапереходавсверхпроводящеесостояние.По-видимому,реальныесверхпроводящиеболометрысоздаютсянаосновекомпромиссамеждувысокойчувствительностьюиточностьюстаби-лизациитемпературы.
Втабл.8.1приведенывзятыеизработы[8.1]некоторыепараметрысверхпроводящихболометров.Втаблицехарактеризуютсяболометры
спримерноодинаковойплощадью,носразнойконструкцией,откото-ройзависятичувствительность,ипостояннаявремени.Каквидноиз
таблицы,ТПИнаосновеоловасдобавкамидругихметалловработаютприТ=0,4…3,9К.МЭШтакихболометровможетизменятьсявпре-делахот910–10до3,410–15Вт/Гц0,5,апостояннаявремени–от510–9
до10–2с.
Параметрысверхпроводящихболометров
Табл и ц а8.1
№ п/п |
Материал |
Рабочаятем-пература,К |
Чувствительность,В/Вт |
Постояннаявремени,с |
МЭШ, Вт/Гц0,5 |
1 |
Sn |
3,05 |
850 |
10–2 |
710–13 |
2 |
Sn |
3,3 |
4200 |
210–6 |
210–12 |
3 |
Sn+Ni |
0,4 |
2,210–6 |
10–3 |
3,410–15 |
4 |
Sn+Pb |
3,9 |
24 |
710–9 |
8,410–11 |
5 |
Sn+Ag |
2,1 |
2,2 |
510–9 |
910–10 |
6 |
YBaCuO |
20 |
0,1 |
410–7 |
410–13 |
7 |
YBaCuO |
86 |
40 |
1,310–2 |
1,510–9 |
ТПИнаосновевысокотемпературногосверхпроводникаYBaCuOработаютпритемпературедо86КcМЭШвплотьдо410–13Вт/Гц0,5.
Полупроводниковыеболометры
Наиболеечастоприменяютсядлярегистрациинизкогоуровняиз-лучения(особеннодляинфракрасногоисубмиллиметровогодиапазо-на)полупроводниковыеболометры.Ихсопротивлениеможнозаписатьввиде
RATbexp(E/kT),
гдеА–постоянная,зависящаяотгеометрииТСиконцентрацииноси-телейзаряда,аbотражаетзависимостьпроводимостиоттемпературы,
концентрацииносителейзарядаиихподвижности.Величину
E/k
называюттемпературнойчувствительностью.Посколькуэкспоненци-альнаязависимостьсопротивленияотТгораздосильнее,чемстепен-ная,можновпервомприближенииположитьb=0.ТогдавеличинаТКСболометраравна:
1dRE.
RdT
kT2
ДляполупроводниковыхболометровприТ=300Ктипичноезна-чение–около0,0331/К,т.е.больше,чемуметаллов,примернонапорядок.
Дляполупроводниковыхболометровэффективноглубокоеохлаж-
дение,поскольку,какуказывалосьвыше,ихчувствительностьпропор-циональнаТКСиобратнопропорциональнатепловойпроводимости.ТКСбыстрорастетвполупроводникахсуменьшениемтемпературы,атеплопроводностьприэтомуменьшается.Одновременноснижаетсяитеплоемкость,т.е.постояннаявремениостаетсядостаточномаленькой.Вчастности,онаможетбытьниже10сприохлаждениидоТ=2К,иногда–доТ=0,3К.Однаконаилучшиепороговыехарактеристикидостигаютсянаменьшихчастотах–несколькодесятковгерц,приэтомМЭШ<10–14Вт/Гц0,5.Этавеличинаблизкакхарактеристикамвысоко-чувствительныхселективныхполупроводниковыхприемниковизлу-ченияИК-диапазонааналогичнойплощади(порядка1мм2).Вместестемименнонеселективностьболометроввширокомспектральномдиапазонеявляетсяихглавнымдостоинством.Существуетспециаль-ныйтипглубокоохлаждаемыхболометров–свыделеннойчувстви-тельнойплощадкойдляабсолютныхизмерений.Излучениепоглоща-етсямеднойилибериллиевойфольгойтолщиной3мкмидиаметром2мм,покрытойчернью(ферритом).КсерединеплощадкисобратнойстороныприпаянболометризGeразмером100100400мкм.Всясис-темаввакуумеподвешенанатонкихпроволочкахвинтегрирующейзеркальнойсфере.
Глубокоохлаждаемыеболометры–сложныеидорогиеприборы,
применяемыевуникальныхэкспериментахиустановках,вчастности,вфурье-спектрометрах,работающихнадлинахволндо1мм.
Вматричныхмикроболометрическихустройствахвнастоящеевремявкачествечувствительногоматериалаширокоприменяютсяпленкиокисловванадия,чувствительностькоторыхсвязанасфазовы-мипереходамиметалл–полупроводник(ФПМП).Рассмотримэтукате-гориюболометровподробнее.
Приопределеннойтемпературе,называемойтемпературойперехо-да(Тп),резкоменяютсявеличинаихарактерэлектропроводности.Вы-шеТпнаблюдаетсяслабоеуменьшениепроводимости,характерноедляметаллов,аниже–проводимостьэкспоненциальнозависитоттемпе-ратуры,чтохарактернодляполупроводников.Втабл.8.2приведеныданныеобокислахванадиясФПМП.
СвойстванекоторыхсоединенийсФПМП
Табл и ц а8.2
Соедине-ние |
Температу-раФПМПТп,К |
Изменениепроводимо-стиприТп |
Соеди-нение |
ТемператураФПМПТп,К |
Изменениепроводимо-стиприТп |
V2O3 |
150 |
1010 |
V5O9 |
130 |
106 |
V3O5 |
450 |
102 |
V6O11 |
170 |
104 |
V4O7 |
240 |
103 |
VO2 |
340 |
105 |
TaS2 |
190 |
102 |
V6O13 |
70 |
102 |
VO
Температурнаязависимостьудельнойпроводимостиокисловвана-диядананарис.8.6[12].
106
ρ,Омсм
104
102
100
V2O3
2
V3O5 47
VO2
106
104
102
100
3
–210 1
2 3 10
–2
–4
1 10
2 6 2 6 4 8 2 4 6
–1
1000/T,К
Рис.8.6.Температурнаязависимостьудельногосопротивле-ниянекоторыхокисловванадия:
цифрынакривыхдляV2O3иVO2относятсякобразцам,полученнымразличнымитехнологиями
Графикинарисункерасположенывпорядкевозрастаниясодержа-ниякислорода.Иззависимостиудельногосопротивленияможнооце-нитьпригодностьтогоилииногоокисладляиспользованиявкачестветермочувствительногослоя.Еслирабочаятемператураблизкакком-натной,томогутбытьиспользованыV3O5,V4O7иVO2,термическийкоэффициентсопротивлениякоторыхсоставляетот1,5до2,5%/К.Обращаетнасебявниманиебольшоеразличиевтемпературнойзави-
симостиудельногосопротивлениядляобразцов,полученныхразлич-нымиспособами.Прификсированнойтемпературеудельноесопро-тивлениеможетотличатьсяболеечемнапорядок.
Присущиеданномуокислутемпературафазовогоперехода,сопро-тивлениевблизиэтойтемпературыиТКСмогутбытьнеоптимальны-мисточкизренияпрактическойреализациинаилучшегозначенияпопороговоймощностиэквивалентнойшумуМЭШ,илиNEP,либопоразноститемператур,эквивалентнойшуму(NETD).Поэтомуоченьважнойявляетсявозможностьизменениятемпературыфазовогопере-ходаипроводимостинаправленнымиметодами.БольшоевлияниенаФПМПвокислахванадияоказываетихлегированиеразличнымипри-месями.Нарис.8.7приведенытемпературныезависимостиудельногосопротивлениядляVO2,легированногоразличнымипримесями.Дляупрощениякартинытолькодлянелегированногообразцаприведенакривая,накоторойпоказангистерезисприувеличениииуменьшениитемпературы.
Изрисункавидно,чтоприлегированиидвуокисиванадияможно
изменитьудельноесопротивлениевнизкотемпературнойобластибо-леечемначетырепорядкавеличинисместитьточкуФПМПпримернона13К.
3

2
210 3 4
1
ρ,Омсм
510 1
0
10 16
–1
10 2 7
3
Рис.8.7.Температурнаязависимостьудель-ногосопротивлениянелегированныхилегированныхмонокристалловVO2
(в соответствиис[8.11]):
1–нелегированныйобразец;легирование,ат.%:
2–Al(0,247),3–Al(0,49),4–Сr(5,17),
–2
510 4
6
1
–310
8 9 5–Ti(0,816),6–Mn(0,015),7–Fe(0,145),
8–Co(0,035),9–Nb(1,1)
–4
78 910
2,4 2,62,8 3,03,2
–1
1000/T,К
Микроболометрическиематрицы
Существуетмногоспособовполучениятермочувствительныхсло-евокисловванадиядляизготовлениямикроболометрическихматриц.Кчислунаиболееупотребительныхметодовполученияпленокприме-нительнокдиоксидуванадияотносятсяхимическоеосаждение,магне-тронноераспыление,реактивноеэлектронно-лучевоеиспарение,окис-лениеметаллическихпленокванадияидр.Какправило,технологияполучениясамогоматериалаиприборовнераскрывается,ипоэтомуограничимсярассмотрениемвыходныхпараметровболометрическихматриц.Дляпримераприведемпараметрымикроболометрическойматрицы,нетребующейтермоэлектрическогоохлаждения,DRSU3500наосновеVOх,предназначеннойдляиспользованиявсистемахобзораинаблюдения,вустройствахпоохранегранициохраныдома,предот-вращенияпожаровипр.:
Типдетектора Резисторный болометрVOx
Форматматрицы 320240
3.Габариты 3,182,030,79 см3
Вес <15 г
Видеовыход NTSC/PAL,60Гц
Факторзаполнения >80%
Числоработающихэлементов >98%
Спектральныйдиапазон 8...14мкм
NETD 40...100мК
Рабочаятемпература –20...+60С
Разностьтемператур,эквивалентнаяшуму(NETD),составляет40...100мК,иверхнеееезначениенесчитаетсялучшимдляФПУта-когокласса.Нарис.8.8представленагистограммараспределенияNETDпоэлементамдлямикроболометрическойматрицы,изготовлен-нойфирмойHoneywell,такогожеформата,какивнашемпримеревыше.Каквидноизрисунка,среднеезначениеNETDблизкок40мК,амаксимальные–непревышают70мК.
КромемикроболометрическихматрицнаосновеVOх,изготавли-
ваютсяиматрицы,гдечувствительнымэлементомявляетсяболометр
Количествоэлементов,отн.ед.

Разностьтемпературэквивалентнаяшуму,К
Рис.8.8.ГистограммараспределенияNETDпоэлемен-тамдлямикроболометрическойматрицынаосновеVOхформата320240,изготовленнойфирмойHoneywell
наосновеполикристаллическогокремния.Параметрытакихматрицвыглядятследующимобразом:
Типдетектора Резисторныйболометрнаполикристаллическом
кремнии
Форматматрицы 320240либо160120
Размерэлемента 4545 мкм2
3535мкм2
Вес <50г; <10г
Времятепловойрелаксации 7мс; 4мс
Факторзаполнения >85%
ЧислоработающихэлементовприNETD<1,5
среднегозначенияNETD 99,9%
Спектральныйдиапазон 7...14мкм
NETD 85 мК
Рабочаятемпературасприменением
однокаскадноготермоэлектрического – 30...+60˚С
стабилизаторатемпературы – 40...+80˚С
Подводякраткиеитоги,можносказать,чтонесмотрянаболеениз-киепараметрыболометракакчувствительногоприемникаизлучения
посравнениюсфотоэлектрическимиприемникамиизлучения,микро-болометрическиематрицынашлисвоеместовинфракраснойопто-электронике.Невпоследнююочередьэтосвязаностем,чтоприихиспользованиивозможнаорганизацияинтегральныхсхем,т.е.схем,сделанныхнаодномкристалле,вотличиеотмногихФПУсиспользо-ваниемвысокочувствительныхфотоприемныхматриц,изготовленныхнаосновесоединенийА2В6,А4В6,А3В5,крассмотрениюкоторыхмыперейдем.