Министерство образования и науки российской федерации федеральное агентство по образованию технологический институт Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»

6.4. Пироэлектрические датчики ИК-излучения
Пироэлектричество проявляется в свойстве некоторых диэлектрических кристаллов изменять величину электрической поляризации при изменении температуры. В результате нагревания или охлаждения пироэлектрического кристалла на его гранях появляются электрические заряды. Кристаллы пироэлектрических веществ – это диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) электрической поляризацией. В таких кристаллах можно выделить домены, имеющие нескомпенсированный электрический дипольный момент:
p = ql,
где q – заряд; l – расстояние между противоположными по знаку зарядами.

Если диполи ориентированы одинаково, то кристалл оказывается электрически поляризованным. Поляризация оценивается как сумма дипольных моментов в единице объема. Численно она равна плотности зарядов на противоположных гранях кристалла, нормальных к направлению поляризации. Если кристалл достаточно долго находится при постоянной температуре, то избыточные заряды на его поверхности обычно компенсированы за счет ионов воздуха и утечек и практически не обнаруживают внешне электрической поляризации. Если же температуру кристалла изменить, то происходит анизотропное изменение расстояния между доменами и углов между ними и за счет смещения зарядов диполей в кристалле появляется поляризация вдоль направления, называемого электрической осью. Внешне эффект описывается нелинейным уравнением

∆p = γ₁ ∆T + γ₂ ∆T²,
где γ₁ и γ₂ – коэффициенты пироэлектрического эффекта [Кл/м²К]; ∆T – изменение температуры.

Нередко достаточной аппроксимацией является линейная:
∆p = γ ∆T.
В технике пироэлектрики обычно используются в виде тонких пленок, с противоположных сторон которых нанесены электроды для зарядов. В модельном представлении это соответствует конденсатору, электрически заряжающемуся от потока тепла. Такой датчик является активным, т.е. он сам генерирует заряд и напряжение, несущее информацию об изменении температуры (в отличие от термоэлектрических устройств, которые регистрируют разность температур). Естественно, что необходима интерфейсная схема, регистрирующая изменение заряда (напряжения), пропорционального ∆T.

Можно показать, что при представлении модели пироэлектрического датчика конденсатором изменение напряжения ∆V на нем при отклонении температуры ∆T связаны соотношением
,
где С – емкость датчика; S – площадь перекрытия электродов; h – толщина пироэлектрической пленки; ε_n – относительная диэлектрическая проницаемость пироэлектрической пленки; ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума.

Впервые пироэлектричество было открыто в кристаллах турмалина в XIX веке, хотя этот эффект греки наблюдали еще в древности. К настоящему времени известно более 1000 веществ, обладающих свойством обратной поляризации, их иногда называют ферроэлектриками. В основном это кристаллы, хотя такое свойство обнаружено и у некоторых полимеров, в частности у поливинилфторида (PVF) и поливинилидилфторида (PVDF, γ = 4·10^-3).

Из наиболее популярных неорганических материалов можно назвать монокристаллы танталата лития (LiTaO₃, γ = 2·10^-4), керамику из титаната бария (BaTiO₃, γ = 4·10^-4), поликристаллические слои титаната свинца (PbTiO₃, γ = 2,3·10^-4). Последний материал удобен тем, что сравнительно легко может быть получен в виде пленки. Ориентируясь на приведенные цифры коэффициентов пироэлектрического эффекта, легко показать, что сенсоры на его основе должны обладать высокой чувствительностью к изменениям температуры. И это действительно так: пироэлектрические датчики способны реагировать на вариации температуры порядка миллионных долей градуса.

В то же время при создании и использовании таких устройств возникают определенные трудности. В частности, все пироэлектрики обладают выраженным пьезоэлектрическим эффектом и поэтому реагируют на любую деформацию, связанную с механическими воздействиями (вибрации, удары). Поэтому в датчиках обычно используют два чувствительных элемента, включенных последовательно для компенсации зарядов, вызванных механическими нагрузками. При этом один из элементов покрывают красителем, повышающим поглощательную способность (он реагирует как на температуру, так и на механические воздействия), а второй экранируют от излучения и снабжают отражающим покрытием (он реагирует только на механические воздействия, и возникающий при этом заряд компенсирует паразитный сигнал от первого элемента). Для повышения поглощательной способности первого элемента можно использовать нихром, который одновременно является электродом.

Существует достаточно большое количество вариантов конструкций пироэлектрических сенсоров, в том числе и в микроэлектронной реализации. На рис. 21 представлена структура одиночного датчика в виде конденсатора, сформированного на тонкой мембране, которая получена анизотропным травлением кремния.

Рис. 21. Пироэлектрический сенсор температуры
Как отмечалось, чаще используют сдвоенные структуры сенсоров. Типичная конструкция датчика на основе сдвоенных сенсоров рассмотрена в [1] и приведена на рис. 22.



а

б в
Рис. 22. Двойной пироэлектрический датчик:

а – конструкция датчика в металлическом корпусе,

б – металлические электроды нанесены на противоположные стороны материала, в – эквивалентная схема двойного элемента
Они размещаются в металлических корпусах, 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 2 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. Иногда электроды пироэлектрического чувствительного элемента изготавливаются из нихрома. Нихром обладает высокой излучающей (поглощающей) способностью, и поэтому электроды из него выполняют сразу две функции: поглощают тепловое излучение и собирают электрические заряды.

Двойной элемент часто изготавливается на одной подложке из кристаллического материала (рис.22, б). Металические электроды, нанесенные с двух сторон материала, формируют два последовательно соединенных конденсатора С₁ и С₂. На рис. 22, в 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 значительно осложняет их проектирование. В дополнение к этому, все пироэлектрики также являются и пьезоэлектриками, поэтому для них характерен так называемый микрофонный шум. Для борьбы с такими помехами кристаллический элемент отделяют от внешних частей детектора (особенно важно обеспечить отсутствие механических связей между пироэлектриком и металлическим корпусом, а также между ним и выводами).

В настоящее время на основе пироэлектрических сенсоров строятся тепловизоры, т.е. устройства визуализации изображения, которые несут ИК-лучи [6]. В этом случае используются десятки и сотни сенсоров, объединенных в матрицу, расположенную в фокальной плоскости объектива, формирующего тепловое изображение (матрица фокальной плоскости – МФП). Естественно, что наибольший эффект в этом случае можно получить, используя для конструирования и изготовления таких матриц приемы интегральной микроэлектроники. Уже существуют интегральные матрицы, в которых совмещены тепловые сенсоры с предусилителями вырабатываемого ими сигнала, выполненные на МОП-транзисторах. Примерная структура такой ячейки приведена на рис. 23.


Рис. 23. Схематическое поперечное сечение монолитного пироэлектрического элемента

6.5. Термопневматические детекторы
Один из самых старых и популярных способов измерения температуры основан на регистрации объемного расширения жидкости при её нагревании. Вместо жидкости можно использовать и газ, причём в настоящее время стала возможной реализация таких устройств в микроисполнении на основе так называемой технологии поверхностной микрообработки.

Принцип действия термопневматического прибора, предназначенного для широкополосного детектирования ИК- излучений и известного как ячейка Голея, поясняет рис. 24 [1].



Рис. 24. Детектор излучений ИК-диапазона на основе ячейки Голея
Ячейка Голея представляет собой заполненную газом миниатюрную замкнутую камеру с двумя мембранами: верхней и нижней. На верхнюю мембрану наносится слой, поглощающий тепло, а поверхность нижней мембраны делается зеркальной (например, покрывается Al).

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. Степень деформации мембраны иногда измеряется и другими методами, например при помощи интерферометра.
Контрольные вопросы
1. Представьте график, иллюстрирующий закон Планка для спектральной интенсивности теплового излучения, и поясните его особенности.

2. Представьте законы Стефана–Больцмана и Вина для теплового излучения и поясните их смысл.

3. Поясните с помощью модели принцип действия приемников теплового излучения.

4. Как реализуются сенсоры теплового излучения на основе термоэлектрических и терморезистивных датчиков?

5. Поясните физические явления, лежащие в основе пироэлектрических датчиков температуры, и возможности их микроэлектронной конструктивно-технологической реализации.

6. Поясните принцип действия термопневматических детекторов теплового излучения.
Библиографический список
1. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник. – М.: Техносфера, 2005. – 592 с.

2. White R.W. A sensor classification sheme // Microsensors. IEEE Press, New York, 1991. – Рp. 3–5.

3. Волович Г. Полупроводниковые датчики температуры // Схемотехника. – 2005. – №1.– С. 32–35.

4. Шаскольская М.П. Кристаллография. – М.: Высшая школа, 1976. – 393 с.

5. Никифорова М.Ю., Подоплецкий Б.И. Интегральные сенсоры концентрации газов // Датчики и системы. – 2002. – №4. С. 38–52.

6. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. – Новосибирск: Наука, 2003. – 63 с.

7. Журналы «Нано- и микросистемная техника». 1999 – настоящее время.

8. www.sensorsportal.com/HTML/jornal B.html

9. //mems.sandia.gov/samples/tools.html

10. www.tanner.com
СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………...............	3
1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕНСОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ…………	4
2. РЕЗИСТИВНЫЕ СЕНСОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ……...........................	12
3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СЕНСОРЫ ТЕМПЕРАТУРЫ…………	18
4. ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ………….	22
5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СЕНСОРОВ ТЕМПЕРАТУРЫ В КОМБИНАЦИИ С ДРУГИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ……….	25
5.1. Каталические сенсоры концентрации газов ……………………..	25
5.2. Тепловые расходомеры………………………………………………	26
5.3. Акселерометры с нагревом газа…………………………………….	29
6. БЕСКОНТАКТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ………………	31
6.1. Тепловое излучение ………………………………… ……………….	31
6.2. Принцип действия приемников теплового излучения ………….	34
6.3. Сенсоры излучения на основе термоэлектрического и терморезистивного эффектов …………………………………...	37
6.4. Пироэлектрические датчики ИК-излучения ……………………..	40
6.5. Термопневматические детекторы ………………………………….	46
Библиографический список…………………………………..	48