3.2. Оптические датчики

Фотодиоды — это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие вклю­чает в себя даже солнечные батареи. В упрощенном виде принцип дей­ствия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излу­чения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возра­стет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток сме­щения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис.3.2.1) ток возрастает очень сильно. Стол­кновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар электрон-дырка на обоих концах перехода. При попадании электронов в зону про­водимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Со­ответственно, созданный поток дырок направляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i_р. В темноте ток утечки i₀ не зависит от приложенного на­пряжения, а причиной его возникновения является теп­ловая генерация носителей за­рядов. На рис.3.2.2А показана эквивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и RС-цепи.

Процесс оптического де­тектирования заключается в прямом преобразовании опти­ческой энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Если вероятность того, что фо­тон, обладающий энергией hν, выбьет с поверхности детектора электрон, равна η, средняя скорость формирования электронов <r> определяется следующим вы­ражением:

(3.2.1)

где Р — оптическая мощность падающих лучей. При постоянной средней скорости формирования электронов вследствие воздействия на поверхность детектора потока фотонов, этот процесс носит случайный характер и подчиняется статистическому за­кону Пуассона. Поэтому вероятность образования т электронов в течение интервала измерения г находится при помощи формулы:

(3.2.2)

Статистические соотношения используются для определения минимального уров­ня детектирования сигнала, а, значит, и для нахождения чувствительности датчи­ка. Однако, следует отметить, что электрический ток пропорционален оптической мощности падающего на детектор излучения:

(3.2.3)

где е — заряд электрона. Изменение входной мощности на ΔР (например, из-за мо­дуляции интенсивности в датчике) приводит к изменению выходного тока на Δi. По­скольку мощность пропорциональна квадрату тока, выходная электрическая мощ­ность детектора связана с входной оптической мощностью квадратичной зависимо­стью, поэтому фотодиоды иногда называют квадратичными преобразователями.

Рис.3.2.1. Структура фотодиода.

Рис.3.2.2. А – эквивалентная схема фотодиода; Б – ВАХ фотодиода.

На рис.3.2.2Б показана вольтамперная характеристика типового фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий высо­ким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической мощ­ности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При коротком замыкании цепи (V=0), ток связан с оптичес­кой мощностью линейной зависимостью. Вольтамперную характеристику фото­диода можно описать выражением:

(3.2.4)

где i₀ — обратный темновой ток, возникающий из-за тепловой генерации пар электрон-дырка, i_s — ток, соответствующий детектируемому оптическому сигналу, к_b — постоянная Больцмана, а Т — абсолютная температура. Объединяя уравнения (3.2.3) и (3.2.4), получим выражение:

(3.2.5)

полностью описывающее работу фотодиода. Эффективность прямого преобразо­вания оптической мощности в электрический сигнал всегда низкая. Обычно она лежит в пределах 5...10%, однако, в 1992 появилось сообщение о разработке фото­элементов, обладающих эффективностью порядка 25%. Правда, при проектиро­вании датчиков фотоэлементы, как правило, не используются. Вместо этого для повышения эффективности фотодиодов между р и n зонами диода вводят допол­нительный слой, обладающий высоким удельным сопротивлением (I-слой). Та­кие диоды называются PIN-фотодиодами (рис.3.2.3). Глубина, на которую фотон может проникать внутрь фотодиода, определяется его длиной волны. От значе­ния этой величины зависит спектральная характеристика детектора.

Рис.3.2.3. Структура PIN-фотодиода, подсоединенного к преобразователю ток-напряжение.

В зависимости от назначения и конструкции все фотодиоды можно разде­лить на следующие группы:

1. PN фотодиоды, На внешнюю поверхность этих диодов наносится слой из SiО₂ (рис.3.2.4А). Такие фотодиоды обладают низким уровнем темнового тока. Для увеличения быстродействия диодов увеличивают обедненную зону, что по­зволяет снизить емкость перехода (рис.3.2.4Б). Для улучшения чувствительности диодов к УФ излучению снижают толщину р-слоя. На рис.3.2.4В показан планарный диффузионный фотодиод типа рnn⁺, имеющий низкую чувствительность к ИК излучению. Однако при уменьшении длины волны его чувствительность зна­чительно возрастает; это объясняется тем, что толстый низкорезистивный слой n⁺ кремния передвигает границу nn⁺ слоя ближе к обедненной зоне.

2. PIN фотодиоды (рис.3.2.4Г). Они являются улучшенной версией планарных диффузионных диодов с низкой емкостью. В них для увеличения быстродей­ствия между р и n слоями формируется дополнительный I слой, обладающий вы­соким удельным сопротивлением. При обратном смещении перехода такие уст­ройства работают даже лучше. PIN имеют низкий ток утечки и высокое напряже­ние пробоя.

3. Фотодиоды Шоттки (рис.3.2.4Д). В них на n-слой напыляется тонкий слой золота, позволяющий реализовать барьер Шоттки. Из-за маленького расстояния между внешней поверхностью и барьером чувствительность к УФ излучению та­ких диодов очень высокая.

4. Лавинные фотодиоды (рис.3.2.4Е). Свое название эта группа диодов полу­чила из-за следующего явления: Если к р-n переходу приложено обратное напря­жение, в обедненной зоне возникает сильное поле. Это поле заставляет фотоны двигаться с большим ускорением, в результате чего их столкновение с атомами приводит к образованию вторичных носителей зарядов, которые также ускоря­ются и выбивают из атомов новые электроны и т.д. Благодаря такому лавинному процессу, ток через фотодиод значительно возрастает. Такие устройства работают как усилители, что делает их незаменимыми при детектировании очень низких уровней светового излучения.

Рис.3.2.4. Упрощенные структуры шести типов фотодиодов.

Рис.3.2.5. Фотоэлектрический режим работы фотодиода: А – способ подключения диода к неинвертирующему усилителю; Б – эквивалентная схема; В – нагрузочная характеристика.

Существуют два основных режима работы фотодиодов: фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом случае к фотодиоду не прикладывается никакого на­пряжения смещения. Это приводит к отсутствию темнового тока, поэтому здесь присутствует только тепловой шум. Такой режим дает возможность получить наилучшую чувствительность при низких уровнях излучения. Однако из-за увеличе­ния емкости перехода ухудшаются быстродействие диода и чувствительность к излучениям длинных длин волн.

На рис.3.2.5А показано включение фотодиода для работы в фотоэлектри­ческом режиме. Здесь диод выполняет роль токового генератора, вырабатываю­щего ток i_p (рис.3.2.5Б). Нагрузочный резистор R_b, стоящий на входе ОУ, опреде­ляет напряжение на выводах фотодиода и наклон нагрузочной характеристики (рис.3.2.5В).

В быстродействующих устройствах использование фотодиода в фотоэлектри­ческом режиме невозможно (из-за его большой емкости перехода С). При работе фотодиода с резистивной нагрузкой, как показано на рис.3.2.5А, его полоса про­пускания ограничивается, в основном, внутренней емкостью С_J. Фотодиод, факти­чески, является источником тока, а резистор R, обладающий большим сопротивле­нием, и емкость перехода шунтируют его. Значение емкости С_J в зависимости от площади фотодиода лежит в интервале 2...20000пФ. Параллельно ей подключена входная емкость ОУ (на рисунке не показана), поэтому общая емкость С равна сум­ме двух емкостей. Сопротивлением диода, как правило, можно пренебречь, посколь­ку оно почти всегда гораздо ниже нагрузочного сопротивления R_b, поэтому R_L≈R_b. Частотная характеристика схемы определяется ее входными цепями. Частота изло­ма АЧХ и выходное напряжение определяются выражениями:

(3.2.6)

(3.2.7)

Из этих выражений (3.2.6)-(3.2.7)видно, что при расчете такой схемы всегда приходится ис­кать компромисс между коэффициентом усиления и полосой пропускания. Это связано, с тем увеличение R_b приводит, с одной стороны, к росту коэффициента усиления, а, с другой стороны, к уменьшению частоты f₁ Это противоречие возни­кает из-за того, что напряжение сигнала подается не только на резистивную на­грузку, но и на входную емкость С = С_J+С_оу Поэтому желательно разработать такую схему включения фотодиода, в которой напряжение поступало бы только на резис­тор и не заряжало бы емкости. Вариант такой схемы показан на рис.3.2.6А. По сво­ей сути эта схема является линейным преобразователем тока в напряжение. ОУ при помощи резистора ОС R_L преобразует ток диода в выходное напряжение. Конден­сатор C_L введен в схему для компенсации сдвига фаз. В идеальном усилителе напря­жения на обоих входах ОУ должны иметь одинаковые значения, поэтому при таком включении инвертирующий вход иногда называется виртуальной землей. Таким образом, в этой схеме фотодиод работает при нулевом напряжении на его выводах, что позволяет предотвратить заряд конденсатора и улучшить линейность преобра­зователя. Поскольку наклон линии обратно пропорционален коэффициенту уси­ления А ОУ с разомкнутой ОС, нагрузочная линия должна виртуально совпадать с осью тока. Это проиллюстрировано на рис.3.2.5Б.

Однако на практике из-за большого, но конечного значения коэффициента усиления ОУ на выводах диода появляется небольшое напряжение. Поэтому час­тота излома АЧХ, на самом деле, определяется как:

(3.2.8)

где А — коэффициент усиления ОУ с разомкнутой ОС. Очевидно, что в этой схеме частота излома АЧХ увеличивается по сравнению с f₁ в А раз. Следует отметить, что с ростом частоты коэффициент усиления А падает, а виртуальная нагрузка фотодиода становится индуктивной. Это происходит из-за фазового сдвига ко­эффициента усиления А. В большей части эффективного частотного диапазона усилителя коэффициент А имеет отставание по фазе, равное 90°. Когда усилитель инвертирует фазу на 180°, фазовое отставание коэффициента А превращается в опережение на 90°, что характерно для индуктивного импеданса.

Рис.3.2.6. Применение преобразователя тока в напряжение (А) и АЧХ двух схем включения фотодиодов (Б).

Такая индук­тивная нагрузка и емкость входной цепи образуют колебательный контур с резо­нансной частотой f_p (рис.6Б), наличие которого может на определенных час­тотах привести к возникновению колебаний выходного сигнала (рис.3.2.7) неста­бильности работы схемы. Для повышения стабильности схемы в цепь ОС парал­лельно резистору ставят компенсационный конденсатор С_L Величина этого кон­денсатора определяется при помощи выражения:

(3.2.9)

где С_с — 1/(27πR_Lf_c), а f_c — частота, соответ­ствующая единичному коэффициенту уси­ления ОУ. На высоких частотах конденса­тор C_L повышает сигнал на инвертирующем входе ОУ из-за шунтирования R_L.

При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подается обратное напряже­ние смещения. Это ведет к расширению обед­ненной зоны, снижению емкости перехода, уменьшению последовательного со­противления, сокращению времени нарастания сигнала и формированию линей­ной зависимости фототока от интенсивности излучений в широком диапазоне измеряемых значений. Однако при увеличении обратного смещения возрастает темновой ток, что ведет к усилению дробового шума. На рис.3.2.8А показана схема включения фотодиода для работы в фотопроводящем режиме. Обратное смещение фото­диода сдвигает нагрузочную линию в третий квадрант, где линейность вольтамперной характеристики выше, чем при работе в фотоэлектрическом режиме. Ли­ния нагрузки пересекает ось напряжений в точке, соответствующей напряжению смещения Е, а ее наклон обратно пропорционален коэффициенту усиления ОУ без ОС. Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем ре­жиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увеличением отношения сиг­нал/шум.

Рис.3.2.7. Выходной сигнал фотодиода без использования компенсационной цепи.

Рис.3.2.8. Фотопроводящий режим работы фотодиодов: А – схема; Б – нагрузочная характеристика.

Фотодиод напрямую преобразует фотоны в носители зарядов — один фотон образует одну пару электрон-дырка. Фототранзисторы помимо фотоэлектри­ческого преобразования выполняют функцию усиления тока, что значительно повышает чувствительность детектора. Переход коллектор-база является об­ратно смещенным диодом, работающим, как описано в предыдущем разделе. При включении транзистора в схему с источником питания (батареей), внут­ри контура, в состав которого входит переход база-эмиттер, начинает течь фотоиндуцированный ток. Усиление тока в фототранзисторе происходит также как в традиционном биполярном транзисторе. В результате этого коллектор­ный ток значительно возрастает.

На рис.3.2.9 показаны энергетические зоны фототранзистора. Фотоин- дуцированный ток базы возвращается на коллектор через эмиттер и внешнюю часть схемы. При этом электроны, попадающие в базовую область со стороны эмиттера, выталкиваются электрическим полем в зону коллектора. Чувстви­тельность фототранзистора определяется эффективностью работы перехода база-коллектор и коэффициентом усиления по постоянному току транзисто­ра. Поэтому можно утверждать, что чувствительность является функцией кол­лекторного тока. Коллекторный ток связан с окружающей температурой линейной зависимо­стью с положительным наклоном, равным 0,00667/°C. Поскольку температурный коэффициент фототока коллектор-база составляет только 0,001/°С, такая тем­пературная зависимость коллекторного тока, в основном, объясняется ростом коэффициента усиления по току при увеличении температуры. Вольтамперные характеристики фототранзисторов (зависимости коллекторного тока от напря­жения на коллекторе) имеют тот же вид, что и у обычных транзисторов.

Рис.3.2.9. Энергетические зоны фототранзистора.

Поэтому для расчета схем с фототранзисторами можно применять традиционные методы разработки транзисторных цепей, за исключением того, что здесь база является входом для фотоиндуцированного тока, текущего со стороны коллектора. Фото­электрический процесс протекает, в основном, в зоне коллектор-база, поэтому чем шире эта область, тем больше носителей зарядов будет образовано. Очевид­но, что всегда надо стремиться увеличивать, насколько это возможно, площадь окошка для попадания света. Фототранзисторы бывают двух типов: с двумя и тре­мя выводами. В последнем случае фототранзистор может использоваться не только как фоточувствительный элемент, но и как обычный биполярный транзистор, что обеспечивает разработчику допол­нительную гибкость при проектирова­нии электронных цепей. Однако в ка­честве фотодатчиков чаще применяют­ся фототранзисторы с двумя выводами. На рис.3.2.10 показана эквивален­тная схема фототранзистора с плаваю­щей базой. Два конденсатора С_е и С_с со­ответствуют емкостям переходов база- эмиттер и база-коллектор и являются факторами, ограничивающими быстро­действие устройства. Максимальную частоту рабочего диапазона можно оце­нить при помощи выражения:

(3.2.10)

где f₁ определяется произведением тока, коэффициента усиления и полосы про­пускания, a g_m — крутизна характеристики прямой передачи транзистора.

Для повышения чувствительности фотодетектора, особенно когда нет по­требности в высоком быстродействии устройства, рекомендуется применять ин­тегрированный детектор Дарлингтона. Такой детектор состоит из фототранзис­тора, эмиттер которого соединен с базой биполярного транзистора. Коэффици­ент усиления схемы Дарлингтона равен произведению коэффициентов усиле­ния двух транзисторов, что позволяет значительно увеличить чувствительность фотодетектора.

Также как и фотодиод, фоторезистор является фотопроводящим устройством. Для изготовления фоторезисторов, как правило, применяется сульфид кадмия (CdS) и селенид кадмия (CdSe). Эти материалы являются полупроводника­ми, сопротивление которых меняется при попадании на их поверхность света, т.е. фотоэффект здесь заключается в изменении удельного сопротивления материа­ла. Очевидно, что фоторезисторы необходимо подключать к источникам пита­ния.

Рис.3.2.10. Эквивалентная схема фототранзистора.

На рис.3.2.11А показана схема фоторезистивного элемента. Из рисунка вид­но, что в нем на поверхности двух противоположных концов фотопроводника нанесены электроды. В темноте такой элемент имеет очень высокое сопротивле­ние, и, следовательно, при подключении к нему источника напряжения V, темновой ток в цепи, наличие которого объясняется тепловыми явлениями, будет очень низким. При попадании света на поверхность фоторезиста, в цепи потечет ток i_p. Причина увеличения тока заключается в следующем. Непосредственно под зоной проводимости кристалла находится донорный уровень, а над валентной зоной располагается акцепторный уровень. В условиях темноты эти уровни явля­ются практически заполненными электронами и дырками, что объясняет высо­кое сопротивление полупроводникового кристалла.

Рис.3.2.11. Структура фоторезистора (А); фоторезистор серпантинной формы (Б).

При освещении фотопроводящего кристалла его материал поглощает летящие фотоны, в результате чего энергия электронов валентной зоны возрастает, что позво­ляет им переместиться в зону проводимости. При этом в валентной зоне остаются свободные дырки. Этот процесс и объясняет повышение удельной проводимости материала. Акцепторный уровень, расположенный рядом с валентной зоной, не мо­жет удержать электроны, поэтому в валентном слое происходит не так много реком­бинаций пар электрон-дырка, а количество свободных электронов в зоне проводи­мости значительно возрастает. Поскольку ширина зоны запрещенных энергий для CdS составляет 2,41эВ, длина волны границы поглощения равна λ=с/ν=515 нм, т.е. находится в видимом спектральном диапазоне. Следовательно, при помощи CdS-резисторов можно детектировать излучение с длиной волны, меньшей 515нм. Дру­гие фоторезистивные материалы имеют иные значения предельных длин волн. На­пример, Si и Ge наиболее эффективны в ближнем ИК диапазоне излучений.

Проводимость полупроводника определяется выражением:

(3.2.11)

где μ_n и μ_p — коэффициенты подвижности свободных электронов и дырок (см/ В*с), τ_n и τ_p - продолжительности жизни электронов и дырок (с), е — заряд элек­трона, а а — количество образующихся носителей заряда в единице объема в тече­ние одной секунды. Для CdS элементов μ_nτ_n»μ_pτ_p, поэтому проводимостью за счет дырок можно пренебречь, а датчики считать полупроводниками n-типа. Тогда становится справедливым уравнение:

(3.2.12)

Чувствительность b фоторезистора может быть выражена через количество электро­нов, образованных при поглощении одного фотона (за время жизни электрона):

(3.2.13)

где t_t=l²/Vμ_n — время пролета электроном расстояния между электродами l, а V— приложенное напряжение. Отсюда можно вывести еще одно выражение:

(3.2.14)

Две схемы, показанные на рис.3.2.12, приведены для иллюстрации способов при­менения фоторезисторов. Схема А является схемой автоматического включения света при снижении освещенности (часть схемы, выключающей свет на рисунке не пока­зана). Схема Б соответствует схеме маяка, реализованного на основе мультивибрато­ра, включающегося в темноте при повышении сопротивления фоторезистора.

Для работы с объектами, испускающими фотоны с энергией в диапазоне 2эВ и выше, подходят квантовые детекторы, используемые при комнатной температу­ре. Для меньших энергий (для более длинных волн) требуются полупроводнико­вые устройства, обладающие более узкой зоной запрещенных энергий.

Рис.3.2.12. Примеры применения фоторезисторов: А - схема управления включением света; Б – схема маяка.

Рис.3.2.13. Рабочие диапазоны некоторых ИК детекторов.

Однако даже в квантовых детекторах с достаточно небольшой зоной запрещенных энер­гий при комнатной температуре собственные внутренние шумы намного пре­вышают полезный сигнал. Другими словами, детектор в этом случае будет из­мерять собственное тепловое излучение. Уровень шума зависит от температу­ры, поэтому при детектировании фотонов с низкой энергией отношение сиг­нал/шум может стать таким маленьким, что о точности измерений говорить не приходится. По этой причине при работе в среднем и дальнем ИК спект­ральном диапазоне детектор не только должен обладать узкой зоной запре­щенных энергий, но его необходимо охлаждать до температуры, при которой внутренние шумы уменьшаются до приемлемого уровня. На рис.3.2.13 показа­ны типичные спектральные характеристики некоторых детекторов с рекомен­дуемыми рабочими температурами. Принцип действия криогенно охлаждае­мых детекторов почти такой же как, и у фоторезисторов, за исключением того, что они определяют излучение больших длин волн и работают при значитель­но более низких температурах. Поэтому конструкции охлаждаемых детекто­ров и фоторезисторов сильно отличаются друг от друга. В зависимости от тре­буемой чувствительности и рабочей длины волны выбирается один из следую­щих типов охлаждаемых детекторов, изготавливаемых на основе: сульфида свинца (PbS), арсенида индия (InAs), германия (Ge), селенида свинца (PbSe) или сплава МСТ из ртути-кадмия-теллурида (HgCdTe).

Охлаждение смещает частотные характеристики в сторону больших длин волн и улучшает чувствительность детектора. Однако быстродействие PbS и PbSe де­текторов при охлаждении несколько снижается. В детекторах для понижения тем­пературы могут применяться разные методы: охлаждение сухим льдом, жидким азотом или сжиженным гелием, а также термоэлектрическое охлаж­дение, основанное на эффекте Пельтье.

Детекторы с криогенным охлаждением применяются для измерения опти­ческой мощности в широком спектральном диапазоне, определения температу­ры тепловых процессов и получения тепловых образов, детектирования количе­ственного содержания воды и проведения газового анализа.

Рис.3.2.14. Спектр поглощения молекул газа.

На рис.3.2.14 показаны спектры поглощения разных молекул газов. Из рисунка видно, что молекулы воды сильнее всего поглощают фо­тоны с длинами волн 1,1, 1,4, 1,9 и 2,7 мкм. Поэтому для оп­ределения содержания воды, например, в каком-то топли­ве, на исследуемый и эталон­ный образцы направляется монохромный свет. Отра­женный свет детектируется и находится отношение отра­женных излучений в разных зонах поглощения. Анализа­тор газов, исследуя поглощение в ИК области спектра, определяет плотность газов (в данном случае, водяных паров). Таким же образом можно определять состав выхлопных газов автомобиля (СО, НС, СО₂), проводить контроль загрязнения атмосферы (СО, SO, NО₂), уте­чек топлива (СН₄, С₃Н₂) и т.д.

Тепловые ИК детекторы первоначально использовались для определения ИК из­лучений среднего и дальнего ИК диапазонов и для проведения бесконтактных температурных измерений, которые в течение последних 60 лет стали называться пирометрическими. Соответствующие термометры получили название пирометров. В на­стоящее время бесконтактные методы измерения температуры используются очень широко: от определения минусовых температур до детектирования температуры различных видов пламени. Поэтому такие методы получили название радиационной тер­мометрии.

Типовые ИК бесконтактные датчики температуры состоят из следующих частей:

1. Чувствительного элемента, реагирующего на электромагнитные излуче­ния ИК диапазона. Основными требованиями, предъявляемыми к нему, являют­ся: быстродействие, воспроизводимость, высокая чувствительность и хорошая долговременная стабильность.

2. Опорной конструкции, поддерживающей чувствительный элемент и обес­печивающей доступ к нему излучения. Конструкция должна обладать низкой теп­лопроводностью для снижения тепловых потерь.

3. Корпуса, защищающего чувствительный элемент от воздействия окружа­ющей среды. Корпус должен быть герметичным. Его часто заполняют сухим воз­духом или инертным газом (аргоном или азотом)

4. Защитного окошка, прозрачного для излучения исследуемого диапазона длин волн. На поверхность окна часто наносят специальное покрытие с целью улучшения его пропускающей способности для волн определенной длины и филь­трации излучений нежелательного диапазона спектра.

Все тепловые детекторы излучений можно разделить на два класса: пассив­ные ИК (ПИК) и активные ИК (АИК) детекторы. Пассивные датчики поглоща­ют входящее излучение и превращают его в тепло, в то время как активные детек­торы вырабатывают тепло при помощи специальных схем возбуждения.

Ячейки Голея являются широкополос­ными детекторами ИК излучений. Они обладают очень высокой чувствитель­ностью, но также довольно хрупкой конструкцией. Принцип действия яче­ек Голея основан на детектировании теплового расширения газа, заключен­ного в замкнутом объеме. Поэтому та­кие датчики иногда называются термо­пневматическими детекторами. На рис.3.2.15 показана схема детектора излуче­ний, реализованного на базе ячейки Го­лея, состоящей из замкнутой камеры с двумя мембранами: верхней и нижней. На верхнюю мембрану наносится слой, поглощающий тепло, а поверхность нижней мембраны делается зеркальной (например, покрывается алюминием).

Рис.3.2.15. детектор излучений среднего и дальнего ИК диапазонов на основе ячейки Голея.

Источник света направлен на зеркальную поверхность. Падающий луч света отражается от поверхности и попадает на детектор положения. На верхнюю мем­брану действует исследуемое ИК излучение, поглощаемое ее покрытием. Погло­щенное тепло приводит к повышению температуры мембраны, которая, в свою очередь, нагревает газ, заключенный в камере. Газ расширяется и его давление увеличивается. Увеличение внутрикамерного давления приводит к деформации нижней мембраны. Изменение кривизны зеркальной поверхности мембраны ока­зывает влияние на направление отраженного луча света, который теперь попада­ет на другое место чувствительной зоны датчика положения. Величина отклоне­ния положения отраженного луча зависит от степени деформации мембраны и, следовательно, от интенсивности поглощенного излучения.

Термоэлементы относятся к классу пассивных ИК детекторов. Их принцип действия аналогичен принципу термопар. Фактически, термоэлемент представ­ляет собой несколько последовательно соединенных термопар. Первоначаль­но такая конструкция была предложена Джоулем для увеличения выходного сигнала термоэлектрических датчиков. Он соединил последовательно несколь­ко термопар и термически объединил их горячие спаи. Современные термо­элементы имеют совсем другую конструкцию. Теперь их основное предназна­чение — тепловое детектирование излучений среднего и дальнего ИК диапазо­нов спектра.

На рис.3.2.16А показана схема детектора на основе термоэлемента. Та­кой датчик состоит из рамы, обладающей сравнительно большой тепловой массой, на которой сформированы «холодные» спаи. Эта рама присоединена либо к термостату с известной температурой, либо к эталонному датчику тем­пературы. На раме крепится тонкая мембрана, обладающая низкой теплоем­костью и теплопроводностью, на поверхности которой располагаются «го­рячие» спаи. Названия горячих и холодных спаев являются историческими, напоминающими о том, что термоэлементы произошли от термопар. На са­мом деле в таких детекторах места соединений редко бывают горячими или холодными.

Принцип действия датчиков на основе термоэлементов ничем не отличается от принципа любого пассивного ИК детектора. ИК излучение поглощается или испускается мембраной. При этом происходит изменение ее температуры. По­скольку на мембране расположены горячие спаи, разность температур между ними и холодными спаями приводит к возникновению термоэлектрического напряже­ния. Температура мембраны зависит от ее теплоемкости, теплопроводности и мощ­ности ИК излучения.

Термоэлементы являются устройствами, работающими на постоянном токе, выходной сигнал которых достаточно хорошо отслеживает температуру «горяче­го» спая. Термоэлемент можно представить в виде источника напряжения, управ­ляемого тепловым потоком, соединенного последовательно с резистором фикси­рованного номинала. Датчик размещается в герметичном металлическом корпу­се с прочным прозрачным окном (из кремния, германия или селенида цинка) (рис.3.2.16В). Выходное напряжение датчика пропорционально попадающему на него излучению. Диапазон рабочих частот детектора, в основном, зависит от теплоем­кости и теплопроводности мембраны, определяющих тепловую постоянную вре­мени. Датчики на основе термоэлементов обладают довольно низким уровнем шума, который соответствует тепловому шуму эквивалентного сопротивления детектора (т.е. порядка 20...50кОм).

Рис.3.2.16. Термоэлемент для детектирования теплового излучения: А – схема с эталонным датчиком температуры; Б – микродатчик излучений на основе термоэлемента; В – детектор в корпусе ТО-5.

В таблице 3.2.1 приведены параметры типо­вых датчиков этого вида. Выходной сигнал датчиков на основе термоэлементов зависит от разности температур источника теплового излучения и чувствительной поверхности. На рис.3.2.16Б показан детектор ИК излучений, реализованный на основе полупроводникового термоэлемента (Perkin-Elmer Optoelectronics, Wiesbaden, Germany), изготовленный по технологии производства микросистем. Централь­ная часть кремниевой подложки удаляется методом анизотропного травления с обратной стороны кристалла. При этом остается только двухслойная мембрана толщиной 1 мкм, состоящая из SiО₂-Si₃N₄, обладающая низкой теплопроводнос­тью. На эту мембрану наносятся тонкие проводники из двух разных термоэлект­рических материалов (поликремния и алюминия). Такие датчики обладают очень низкой температурной чувствительностью, что позволяет им работать в широком температурном диапазоне.

Пироэлектрические датчики также относятся к классу пассивных ИК детекто­ров На рис.3.2.17А показана типовая конструкция твердотельных пироэлектрических детекторов. Они разме­щаются в металлических кор­пусах ТО-5 или ТО-39, что обеспечивает хорошее экра­нирование и защиту от окру­жающей среды. Окошко, про­пускающее излучение, обычно изготавливается из кремния. Внутреннее пространство кор­пуса часто заполняется сухим воздухом или азотом. Обычно используют два чувствитель­ных элемента, соединенных последовательно или парал­лельно навстречу друг другу, для лучшей компенсации бы­стрых изменений тепловых потоков и механических на­грузок, возникающих из-за акустических шумов и вибра­ций. Иногда один из элемен­тов покрывается красителем для увеличения поглощающей способности, а второй экранируется от излучений, а для улучшения его отражающей способности на него наносится слой золота.

Таблица 3.2.1

Типовые параметры термоэлементов

Иногда пироэлектрический чувствительный элемент изготавливается из нихромовых электродов, нанесенных с двух сторон пироэлектрика. Нихром обладает высокой излучающей (поглощающей) способностью, и поэтому электроды из него выполняют сразу две функции: поглощают тепловое излучение и собирают элек­трические заряды. При использовании таких детекторов в датчиках движения из­лучение воздействует через окошко на оба пироэлектрических элемента. Двойной элемент часто изготавливается на одной подложке из кристалли­ческого материала (рис.3.2.17Б). Металлические электроды, нанесенные с двух сторон материала, формируют два последовательно соединенных конденсатора С₁ и С₂. На рис.3.2.17В показана эквивалентная схема двойного пироэлектри­ческого элемента. Такая конструкция дает возможность хорошо отбалансиро­вать оба элемента и, следовательно, устранить все синфазные помехи. Следует отметить, что чувствительные зоны расположены только в пространстве между электродами, остальная часть пироэлектрического материала, непокрытая элек­тродами, в генерации полезного сигнала не участвует. Пироэлектрические де­текторы очень чувствительны к механическим нагрузкам и вибрациям, что очень осложняет их проектирование.

На практике при детектировании тепловых излучений, как правило, приме­няются два типа пироэлектрических датчиков, рассчитанных для работы в раз­ных условиях:

1. Быстродействующие детекторы, измеряющие излучения высокой интен­сивности, но очень короткой длительности лазерных импульсов (порядка на­носекунд), повторяющихся с частотой порядка 1 МГц. Такие датчики, обладаю­щие высокой линейностью, изготавливаются из монокристаллических пироэлектриков, таких как танталат лития. В состав таких детекторов обычно входят теплоотводы.

2. Чувствительные детекторы, определяющие тепловые излучения низкой интенсивности, но изменяющиеся со сравнительно низкой скоростью. Приме­ры — ИК термометры и датчики движения. Для обеспечения высокой чув­ствительности такие датчики должны иметь хорошую тепловую связь с источ­ником излучений. Для этих целей используются такие оптические устройства, как фокусирующие линзы и волноводы. При этом необходимо минимизировать передачу тепла в окружающую среду, для чего требуется очень внимательно про­ектировать корпуса таких детекторов. При соответствующем проектировании чувствительность данных детекторов приближается к чувствительности кван­товых датчиков с криогенным охлаждением. Серийно выпускаемые пиро­электрические датчики изготавливаются на основе монокристаллов, таких как LiTaО₃ и TGS, или на базе PZT керамики. Иногда применяются и пленки из PVDF, поскольку они дают возможность реализовать датчики, обладающие вы­соким пространственным разрешением и хорошим быстродействием.

Рис.3.2.17. Двойной пироэлектрический датчик: А – конструкция датчика в металлическом корпусе; Б – металлические электроды нанесены на противоположные стороны материала; В – эквивалентная схема двойного элемента.

Болометры — это миниатюрные резистивные детекторы температуры (РДТ) или термисторы, а также другие типы температурно-чувстви­тельных резисторов, используемых, в основном, для измерения среднеквадратич­ных значений интенсивности электромагнитных излучений в широком спектраль­ном диапазоне от среднего ИК до микроволн. Области применения таких детекто­ров включают определение ИК температуры, построение тепловых образов, изме­рение локальных полей при высокой мощности излучений, тестирование СВЧ уст­ройств. Они используются в устройствах управления лучами ВЧ антенн, проверки мощных военных СВЧ систем, в медицинских приборах и т.д. Принцип действия всех болометров основан на фундаментальном физическом законе, связывающем величину поглощенного электромагнитного сигнала с рассеиваемой мощностью. Резистивные детекторы выполняют следующие преобразования:

1. Электромагнитное излучение воздействует на резистор. Резистор поглощает это излучение и конвертирует его в тепло.

2. Тепло повышает температуру резистора. Она становится выше температуры окружающей среды.

3. Увеличение температуры уменьшает омическое сопротивление болометра.

Увеличение температуры соответствует мощности электромагнитного излучения. На рис.3.2.18А показана основная схема включения болометра. Она состоит из болометра (температурно-чувствительного резистора) с номинальным сопро­тивлением R, эталонного стабильного резистора R₀ и источника напряжения сме­щения Е. Напряжение V на резисторе R₀ является выходным сигналом схемы. Оно максимально при равенстве двух резисторов. Чувствительность болометра к вхо­дящим электромагнитным излучениям может быть определена по формуле:

(3.2.14)

где α=(dR/dT)/R — ТКС болометра, ε— коэффициент излучения поверхности, Z_T— тепловое сопротивление болометра, определяемое его конструкцией, τ— тепловая постоянная времени, зависящая от Z_T и теплоемкости болометра, а ω - частота.

Рис.3.2.18. Эквивалентная схема болометра с электрическим смещением (А) и конструкция оптического болометра (Б).

Поскольку рост температуры болометра происходит в соответствии со следу­ющим выражением:

(3.2.15)

а выражение для сопротивления болометра можно записать как:

(3.2.16)

уравнение (3.2.14) преобразуется к следующему виду:

(3.2.17)

Поэтому для увеличения чувствительности болометра необходимо повышать его электрическое сопротивление и тепловой импеданс.

Традиционно болометры изготавливаются в виде миниатюрных термисторов, подвешенных на крошечных проводках. Другим популярным методом реализа­ции болометров является использование технологии нанесения тонких пленок (обычно нихромовых).

Рис.3.2.19. Платиновый болометр: А – стеклянная мембрана над полостью, полученной методом травления; Б – матрица из болометров.

Во многих современных болометрах терморезистивный тонкопленочный материал наносится на микромембрану из кремния или стекла, поддерживаемую рамкой из кремния. Широ­кое распространение тако­го подхода объясняется по­пулярностью датчиков, ис­пользующих матрицы для получения тепловых изоб­ражений объектов. В слу­чаях где не требуется высо­кая чувствительность, а стоимость не является кри­тичным фактором, часто применяются болометры с платиновыми пленками. Пла­тина обладает хотя и невысоким, но хорошо воспроизводимым ТКС.

В активных ИК детекторах процесс измерения потока теплового излучения отличен от процесса, описанного для пассивных датчиков. В отличие от пассивного ИК эле­мента, температура которого определяется как температурой объекта, так и окружа­ющей температурой, в активном датчике температура поверхности чувствительного элемента в течение всего процесса измерения поддерживается на одном заданном уровне Т_s. Для этого в детектор встроен нагревательный элемент, мощность которого регулируется схемой управления (рис.3.2.20А). Процесс выработки управляющего сигнала состоит в измерении температуры поверхности элемента и сравнении ее с внутренней эталонной температурой. Иногда температура поверхности поддержи­вается выше максимально ожидаемой температуры объекта, однако, для большин­ства практических случаев достаточно, чтобы Т_s была выше температуры окружаю­щей среды на несколько десятых градуса. Поскольку температура элемента всегда выше температуры окружающей среды, он начинает отдавать свое тепло наружу, а не поглощать его, как это делают пассивные детекторы. Тепло от поверхности сенсора уходит тремя путями: через теплопроводность, через конвекцию и через тепловое из­лучение. Третью составляющую и необходимо измерить. В отличие от первых двух способов теплопередачи, которые всегда направлены наружу от чувствительного эле­мента (поскольку он всегда теплее окружающей среды), радиационная передача теп­ла может идти в любом направлении, которое зависит, в основном, только от темпе­ратуры объекта. Поток теплового излучения подчиняется фундаментальному закону Стефана-Больцмана.

Часть мощности излучения уходит от элемента внутрь корпуса датчика, в то время как другая часть поступает от объекта (или уходит к нему). Важно отметить, что суммарный тепловой поток (теплопрводность+конвекция +излучение) все­гда имеет направление от объекта, т.е. имеет отрицательный знак. Если в состав активного датчика ввести охладитель, температура поверхности сенсора может поддерживаться ниже окружающей тем­пературы. Однако, с практической точки зрения, всегда легче нагревать элемент, чем охлаждать его. Далее будут рассмотрены активные ИК датчики, поверхность которых подогревается либо при помощи дополнительного нагревательного эле­мента, либо за счет явления саморазогрева.

Динамическая температура поверхности Т_s любого теплового элемента, и ак­тивного, и пассивного, может быть описана дифференциальным уравнением пер­вого порядка:

(3.2.18)

где Р — мощность, получаемая элементом от источника питания или цепи воз­буждения (если они есть), P_L — тепловые потери за счет теплопроводности и кон­векции, m и с — масса и удельная теплоемкость сенсора, а Ф=Ф_η+ Ф_b — суммарный тепловой поток излучений. Положительный знак мощности Р означает, что он направлен к элементу.

Рис.3.2.20. Активный ИК элемент (А); временные диаграммы для излучаемого потока (Б).

В пассивных ИК детекторах, например, в пироэлектрических или на основе термоэлементов, никакой внешней мощности не подводится (т.е.Р = 0), поэтому быстродействие датчика, характеризуемое тепловой постоянной времени г_Т, опре­деляется только его теплоемкостью и тепловыми потерями. В активных ИК эле­ментах после периода разогрева до температуры T_s схема управления стремится удер­жать температуру поверхности датчика на том же самом уровне, что означает:

(3.2.19)

Тогда уравнение (3.2.18) становится алгебраическим:

(3.2.20)

В отличие от пассивных ИК детекторов активные датчики работают как беско­нечные источники тепла. Из вышесказанного следует, что в идеальных условиях выходной сигнал активных детекторов не зависит от тепловой массы и не являет­ся функцией времени. Из уравнения (3.2.20) видно, что, теоретически, активные ИК детекторы явля­ются более быстродействующими по сравнению с пассивными датчики. Однако эффективность активных детекторов определяется как собственной конструкци­ей, так и устройством блока управления. Нерадиационные потери являются фун­кцией окружающей температуры T_a и коэффициента потерь α_s:

(3.2.21)

Для выработки тепла для подогрева поверхности активного сенсора в состав датчика может быть встроен нагревательный элемент, обладающий электри­ческим сопротивлением R. При работе датчика электрическая мощность, рас­сеиваемая на этом резистивном элементе, является функцией напряжения на его выводах:

(3.2.22)

Предположим, что активный ИК чувствительный элемент используется в радиа­ционном термометре. Значит, его выходной сигнал должен быть пропорционален измеряемой температуре объекта Т_b. Считаем, что Т=Т_b, Т_s>Т_а. Тогда, после некоторых преобразований получим выражение для температуры объекта в виде зависимос­ти от напряжения на нагревательном элементе:

(3.2.23)

α_s — это коэффициент передачи тепла от детектора в окружающую среду (корпус), т.е. коэффициент теплопроводности. В состав схемы управления обычно входят следующие компоненты: блок установки эталонной температуры, усилитель рассогласований и исполнительное устройство. Также в нее может быть включен дополнительный RС-контур, используемый для стабилизации работы всего де­тектора и предотвращения возникновения колебательных режимов.

Следует отметить, что активные ИК датчики вместе с их схемами управления являются прямыми преобразователями мощности излучений в электрическое напряжение, работающими с достаточно высокой эффективностью. На самом деле активные ИК детекторы являют­ся близкими родственниками болометрам. Для того чтобы превратить болометр в активный детектор, под ним необходимо сфор­мировать нагревательный элемент, что может быть реализовано методом нанесе­ния дополнительного резистивного слоя.

Детекторы газового пламени входят в состав систем обеспечения пожарной безопасности. По мно­гим параметрам детекторы пламени являются более чувствительными устройствами, чем датчики дыма, особенно на открытых пространствах, где концентрация дыма мо­жет долго не достигать пороговых значений, необходимых для подачи сигнала тревоги.

Для обнаружения горящего газа можно воспользоваться уникальной особеннос­тью пламени, заключающейся в том, что значительная часть его оптического спектра расположена в УФ спектральном диапазоне (рис.3.2.21). После прохождения через ат­мосферу Земли солнечный свет теряет большую часть своего спектра УФ излучений, расположенную ниже 250нм, в то время как компоненты УФ из­лучения газового пламени име­ют длины волн вплоть до 180нм. Это дает возможность реализо­вать детектор с узкой полосой пропускания, реагирующий только на излучение пламени и нечувствительный к солнечному или электрическому свету.

Рис.3.2.21. Спектр электромагнитных излучений различных источников.

На рис.3.2.22А показан пример такого устройства, яв­ляющегося детектором УФ из­лучений, построенным на ос­нове фотоэлектрического эф­фекта в металлах и явления ум­ножения электронов в газах. Детектор представляет собой трубку с разреженным газом. Стенки этой трубки прозрачны для УФ излучения, что обеспечивает широкий обзор, как в горизонтальном, так и вертикальных направлениях (рис.3.2.22В). Во время работы на это устройство необходимо подавать высокое напряжение, а при нормальных условиях его выходной сигнал равен нулю. При воздействии на него УФ излучения пламени фотоны, обладающие высокой энергией, начинают бомбардировать ка­тод, выбивая из него электроны, свободно передвигающиеся внутри трубки с га­зом. При столкновении с этими электронами атомы газов получают дополнитель­ную энергию, что приводит к возникновению газовой люминесценции в УФ спек­тральном диапазоне, что вызывает увеличение электронов, которые, в свою очередь, усиливают люминесценцию.

Таким образом запускается лавинный процесс умно­жения электронов, сопровождающийся возникновением зоны электропроводимо­сти между анодом и катодом. Следовательно, при воздействии на чувствительный элемент излучения пламени он начинает работать как токовый ключ, вырабатыва­ющий положительные пики напряжения на своих выходах (рис.3.2.22Б). Из выше­сказанного следует, что газовые детекторы при обнаружении пламени вырабатыва­ют УФ излучение малой интенсивности, безопасное для людей, которое, однако, может привести к срабатыванию соседних подобных устройств.

Рис.3.2.22. УФ детектор пламени: А – стеклянная трубка, заполненная газом; Б – схема включения; В – угол обзора в горизонтальной плоскости.