2.3.5.1. Матрицы микроболометров?

2.3.6. Пироэлектрические приемники излучения

Действие пироэлектрических приемников (ПЭП) излучения основано на температурном изменении спонтанной поляризации пироэлектрических кристаллов, т.е. на проявлении пироэлектрического эффекта.

Пироэлектрические кристаллы – это полярные нелинейные диэлектрики, характеризующиеся спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, выражающейся в существовании отличного от нуля дипольного момента единицы объема, обусловленного несовпадением в пространстве «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в элементарной ячейке кристалла, т.е. отсутствием центра зарядовой симметрии. Пироэлектрическое состояние наблюдается в ограниченном интервале температур ( - температура Кюри – точка фазового перехода из полярной в неполярную фазу). В полярной фазе кристалл характеризуются доменным строением и нелинейной зависимостью вектора спонтанной поляризации единицы объема кристалла от напряженности внешнего электрического поля. Причиной разбиения объема кристалла на домены является меньшая свободная энергия при полидоменной структуре.

Спонтанная поляризация пироэлектрика, длительное время находящегося при неизменной температуре никак вовне не проявляется, так как электрические заряды, связанные на гранях кристалла, перпендикулярных полярной оси, нейтрализуются свободными зарядами в объеме самого диэлектрика и внешней среды.

Из известного в теории электростатического поля уравнения в отсутствие внешнего поля в применении к нелинейному диэлектрику будем иметь . При этом температурное изменение спонтанной поляризации за время, меньшее времени нейтрализации зарядов на поверхностях ЧЭ, перпендикулярных полярной оси, будет вызывать ток смещения плотностью

, (2.33)

где - пироэлектрический коэффициент материала ЧЭ, измеряемый в Кл/м² К.

На практике наибольшее распространение получили пироприемники, ЧЭ которых изготовлены из керамических материалов на основе легированного титаната бария (BaTiO₃), или его твердых растворов вида (Ba_1-x Sr_xTiO₃), а также монокристаллов триглицинсульфата (NH₂CH₂COOH)₃ H₂SO₄. Основные свойства ряда пироэлектрических материалов приведены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Материал	,Кл/см2К	, Ф/см	, Дж/см3К	, Ом см	, С
Титанат бария			3,1		120
…
…
Триглицинсульфат			2,5		49

При действии на приемник гармонически модулированного потока излучения , при линейном преобразовании⁵ потока излучения в тепло ЧЭ должен приобретать переменную избыточную температуру

(см., например, (2.26)). При замыкании внешней цепи между электродами, нанесенными на грани ЧЭ площадью , перпендикулярные полярной оси, после дифференцирования по времени с учетом (2.33) запишем выражение для пироэлектрического тока , модуль которого будет иметь вид

. (2.34)

Из (2.34) по определению получим выражение токовой чувствительности пироприемника

. (2.35)

Как видно из (2.35) и рис. 2.уу, при условии низкочастотная токовая чувствительность пироприемника в соответствии с принципом его действия изменяется прямо пропорционально частоте модуляции , т.е. ; на высоких частотах, когда , легко убедиться, что токовая чувствительность пироприемника от частоты не зависит, т.е. . Для сравнения заметим, что, в отличие от пироприемника, амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) других ранее рассмотренных тепловых примников (термоэлементов и болометров) характеризовались независимостью чувствительности от частоты в низкочастотной области и ее гиперболическим изменением в высокочастотной области.

Рассматривая закономерности формирования вольт-ваттной чувствительности, укажем, что пироэлектрические приемники обычно характеризуются высоким импедансом (полное электрическое сопротивление) емкостного характера и в зависимости от функционального назначения приборов могут включаться на вход усилителей с высоким импедансом (для получения высокой чувствительности при сравнительно большой инерционности) или на усилители с низким импедансом (для реализации высокого быстродействия при относительно низкой чувствительности). При этом резистивные и емкостные элементы электрической цепи приемника и входной цепи усилителя включаются параллельно друг другу и эквивалентная схема входной цепи (рис. 2.кк, а) представляется параллельным соединением и , соответствующих полной проводимости или импедансу

, (2.36)

где и выражены через , - активные сопротивления входа усилителя и ЧЭ приемника и через , - емкости входа усилителя и емкости ЧЭ соответственно; - электрическая постоянная времени эквивалентной схемы входной цепи усилителя.

Пользуясь формулами (2.34) и (2.36), выразим модуль напряжения выходного сигнала приемника произведением и представим вольт-ваттную чувствительность пироприемника в виде

. (2.37)

Поскольку на низких частотах должны выполняться условия и , то выражение (2.37) приобретает вид

, (12.37')

который в отсутствие влияния инерционности тепловой и электрической цепей пироприемника показывает, что частотные зависимости токовой и вольт-ваттной чувствительностей подобны здесь д б рис. 2.кк, б, кривая ?).

На достаточно высоких частотах при выполнении условий и вольт-ваттная чувствительность должна определяться по формуле

(2.38)

и изменяться пропорционально отношению и обратно пропорционально частоте , удельной объемной теплоемкости материала ЧЭ и его площади (см. рис. 2.кк, в, кривая ?)

Сравнение выражений (2.37′) и (2.38) показывает, что на низких и высоких частотах в пироприемнике наблюдается противоположное влияние частоты на вольт-ваттную чувствительность. Следовательно, АЧХ пироприемника в области промежуточных частот должна описываться экстремальной функцией. Дифференцируя (2.37) по частоте , можно получить, что максимум вольтовой чувствительности пироприемника должен находиться на частоте

. (2.39)

Подставив (2.39) в (2.37), запишем максимальную чувствительность в виде

, (2.40)

из которого следует однозначная взаимозависимость всех величин, входящих в формулу (2.40): ни одна из них не может быть изменена без изменения других.

Наряду с предельными случаями работы пироприемника, при которых протекание процессов в тепловой и в электрической цепях приемника одновременно соответствует области или высоких, или низких частот модуляции, представляет интерес и такой нередкий на практике режим работы пироприемника, при котором и при этом в тепловой цепи может наблюдаться режим высокой частоты, т.е. , а в электрической цепи – режим низкой частоты, т.е. . В этом случае выражение (2.37) для вольт-ваттной чувствительности после преобразования приобретет вид

, (2.41)

из которого видно, что в некоторой области частот вольт-ваттная чувствительность пироприемника может от частоты не зависеть.

Основными процессами, ограничивающими пороговую чувствительность ПЭП. как и в других тепловых приемниеах, являются:

• тепловой шум сопротивленя нагрузки приемника;

• температурный шум, вызываемый флюктуациями температуры чувствительного элемента в состоянии ТДР приемника;

• флюктуации числа фотонов в излучении фона и объекта.

Дополнительными процессами, влияющими на пороговую чувствительность ПЭП, могут быть:

• эффект Баркгаузена, обусловленный доменным строением сегнетоэлектрика (аналог одноименного эффекта в ферромагнетиках), выражающийся в задержке переориентации доменов из одного направления в другое при непрерывном изменении управляющего воздействия, например, напряженности электрического поля, температуры, механических напряжений и т.д.;

• внешними электромагнитными наводками на высокоомные элементы входной цепи.

Ориетировочными значениями основных параметров ПЭП можно считать: приемную площадь от 0,01 до 1 см² .чувствительность от единиц до тысяч вольт на ватт, постоянная времени 5…10 мкс, низкую (8…20 Гц) частоту модуляции потока излучения, сопротивление нагрузки от ~1 до 10 МГц.