Ćwiczenie nr 6

DETEKTORY PROMIENIOWANIA TEMPERATUROWEGO

1. Wstęp
2. Promieniowanie temperaturowe
3. Podział detektorów promieniowania temperaturowego
4. Szumy
5. Piroelektryczny detektor promieniowania temperaturowego
   
   5.1. Zjawisko piroelektryczne
   5.2. Zasada działania detektora piroelektrycznego
   5.3. Materiały  piroelektryczne
   5.4. Budowa detektora piroelektrycznego
   5.5. Charakterystyki detektora piroelektrycznego
   5.6. Zestaw pomiarowy do badania detektora piroelektrycznego

6. Termoelektryczny detektor promieniowania temperaturowego

6.1. Wstęp
6.2. Efekt termoelektryczny Seebecka
6.3. Materiały do budowy detektorów termoelektrycznych
6.4. Budowa czujnika termoelektrycznego
6.5. Parametry czujnika stosowanego w ćwiczeniu

7. Zadania

8. Literatura

1.      Wstęp

Każde ciało, którego temperatura jest większa od zera bezwzględnego, emituje fale elektromagnetyczne o różnych długościach. Widmo tego promieniowania jest ciągłe a  długości obejmują zakres od ultrafioletu do mikrofal z maksimum zdolności emisyjnej zależnym od temperatury ciała. Analiza tego promieniowania może być źródłem informacji o temperaturze badanego obiektu a także rozkładzie temperatury na jego powierzchni. Detektory promieniowania temperaturowego rejestrują promieniowanie z dowolnej odległości od emitera jeśli ich czujność jest dostateczna, a selektywność umożliwia eliminację szumów, generowanych przez obiekty znajdujące się w otoczeniu detektora.

2.      Promieniowanie temperaturowe

Maksymalną ilość energii emitowanej przez ciało o temperaturze T w jednostce czasu w przedziale długości fal dl wyraża prawo Plancka

                              (1)

gdzie:

r(l,T)  - ilość energii emitowanej przez jednostkę powierzchni ciała w jednostce czasu w przedziale długości fal dl.
h  – stała Plancka,
k  – stała Boltzmana   

Zależność r(l,T) przedstawiona jest na rys.1

 

Rys.1. Widmo zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego dla różnych temperatur.

 
      Maksimum zdolności emisyjnej przemieszcza się wraz ze wzrostem temperatury w kierunku fal krótkich zgodnie z zależnością (prawo Wiena):

Wzór Plancka (1) umożliwia obliczenie całkowitej zdolności emisyjnej tj. mocy emitowanej przez jednostkę powierzchni ciała w pełnym zakresie długości fal:

                                                                                                  (3)

Wyrażenie (3) charakteryzuje zdolność emisyjną tzw. ciała doskonale czarnego.

Ciało takie ma także zdolność całkowitej absorpcji promieniowania elektromagnetycznego padającego na jego powierzchnię. Realne ciała nie emitują maksymalnej mocy zgodnie z wyrażeniem (3), a także nie absorbują całkowicie promieniowania padającego na ich powierzchnię, ponieważ część promieniowania ulega odbiciu a nawet jest przepuszczana przez absorber. Z tego względu wyrażenie (3) można zapisać w postaci

gdzie bezwymiarowy współczynnik zwany emisyjnością, wyraża stosunek zdolności emisyjnej realnego ciała do zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego.

Zdolność absorpcyjną ciała można wyrazić współczynnikiem absorpcji a, który jest stosunkiem energii (mocy) zaabsorbowanej przez powierzchnie ciała do energii (mocy) padającego promieniowania. Udowodniono, także doświadczalnie, że dla każdego ciała

e = a

Tak więc dla ciała doskonale czarnego

e = a = 1

      Detekcja widmowej emisji energetycznej ogrzanego ciała lub całkowitej jego mocy emisyjnej może być wykorzystana do pomiaru temperatury emitera z dowolnie dużej odległości, nawet w skali astronomicznej.

3.      Podział detektorów promieniowania temperaturowego

Detektory promieniowania temperaturowego można podzielić na dwie grupy. Działanie pierwszej grupy detektorów, tzw. termicznych polega na:

-        rejestracji całkowitej mocy promieniowania źródła w całym zakresie długości fal i analizie tej mocy zgodnie z wyrażeniem (4) (pirometry termiczne),
-        porównaniu jasności źródła promieniowania z jasnością źródła wzorcowego w przyrządzie pomiarowym (pirometry optyczne),
-        rejestracji mocy promieniowania źródła dla dwu lub trzech długości fal i następnie odtworzeniu kształtu całego widma na podstawie wyrażenia (1) (pirometry barwne).

Druga grupa detektorów, tzw. fotonowych, działa na zasadzie oddziaływania fotonów emitowanych przez źródło z nośnikami prądu swobodnymi lub związanymi w ciele stałym, czemu towarzyszą zmiany prądu elektrycznego w obwodzie detektora. Do tej grupy detektorów należą m.in.:

-        fotokomórki i fotopowielacze (elementy fotoemisyjne), w których wykorzystuje się fotoefekt zewnętrzny polegający na emisji elektronów z powierzchni ciała stałego o ile energia fotonów jest większa od pracy wyjścia,
-        fotorezystory, w których absorpcja fotonów w objętości ciała powoduje generację nośników prądu, jeśli energia absorbowanych fotonów jest większa od pewnej energii progowej,
-        detektory fotowoltaiczne, w których fotony absorbowane w obszarze złącza p-n generują różnicę potencjałów na tym złączu,
-        detektory fotomagnetoelektryczne, gdzie napięcie generowane jest przez wzbudzane światłem nośniki odchylane w polu magnetycznym.

O ile detektory termiczne mają charakterystyki liniowe w całym obszarze widma optycznego i sygnał wyjściowy jest proporcjonalny do mocy promieniowania, to detektory fotonowe ze względu na złożoną strukturę energetyczną materiałów są nieliniowe i ich zakres zastosowań ograniczony jest do obszaru widzialnego i bliskiej podczerwieni.

       Do grupy detektorów termicznych rejestrujących cały zakres promieniowania temperaturowego należą m.in. detektory piroelektryczne i termoelektryczne. Działanie ich związane jest z absorpcją promieniowania optycznego w całym zakresie widma optycznego, zamianą energii tego promieniowania na energię cieplną a w konsekwencji przyrost temperatury, który w przypadku detektora termoelektrycznego powoduje powstanie na złączu dwu metali napięcia termoelektrycznego, natomiast w detektorze  piroelektrycznym powstawanie ładunku na powierzchniach materiału piroelektrycznego. 

4.      Szumy

       W sygnale wyjściowym każdego detektora występują pewne spontaniczne fluktuacje zwane szumami, które ograniczają jego zdolność detekcyjną. Miarą szumu jest tzw. równoważna moc szumu (NEP – Noise Equivalent Power). Jest to taka wartość mocy promieniowania padającego na detektor, która daje na wyjściu sygnał o wartości skutecznej równej wartości skutecznej szumu, znormalizowanego do jednostkowej szerokości pasma.

       Generacja szumów przez detektor spowodowana jest wieloma czynnikami. Podstawowe znaczenie mają jednak tzw. szumy Johnsona i szumy termiczne.

       Szumy Johnsona spowodowane są fluktuacją napięcia na detektorze w wyniku fluktuacji gęstości nośników prądu płynącego w obwodzie detektora.

 Szumy termiczne powstają w wyniku fluktuacji temperatury w materiale detektora co wynika ze statystycznego charakteru pojęcia temperatury a więc i równowagi termicznej pomiędzy padającym na detektor promieniowaniem a jego temperaturą.

Szumy generowane przez detektory promieniowania zależą od rodzaju detektora. Celem porównania jakości różnych detektorów wprowadzono pojęcie detekcyjności znormalizowanej (wykrywalności) zdefiniowanej jako odwrotność równoważnej mocy szumów pomnożona przez pierwiastek z powierzchni fotoczułej detektora

       gdzie:

V_s - wartość skuteczna napięcia sygnału,
V_n - wartość skuteczna napięcia szumu,
P_e - moc optyczna promieniowania ciała doskonale czarnego padającego na detektor (bez odbicia promieniowania),
A  - powierzchnia detektora,
Df - pasmo wzmacniacza pomiarowego.

Dla detektorów temperaturowych pracujących w temperaturze pokojowej wartości detekcyjności mieszczą się w granicach 10⁸¸ 10¹⁰ i nie zależą od długości fali. Dla detektorów fotonowych wartość tego parametru w temperaturze pokojowej mieści się w granicach 10⁷¸10¹³ lecz jest zależna od długości fali. Wraz ze wzrostem temperatury D^* maleje z uwagi na rosnącą moc szumów, zwłaszcza termicznych.

5.      Piroelektryczny detektor promieniowania temperaturowego

5.1.  Zjawisko piroelektryczne

            Zjawisko piroelektryczne polega na powstawaniu ładunku elektrycznego na powierzchni próbki podczas jej ogrzewania lub ochładzania. Typowe materiały wykazujące efekt piroelektryczny należą do ferroelektryków, substancji o niezerowej polaryzacji spontanicznej. Jeden koniec kryształu przy ogrzewaniu uzyskuje ładunek dodatni, a drugi ujemny. Przy ochładzaniu polaryzacja zmienia znak na przeciwny. Wielkość powstającego ładunku jest zależna od szybkości zmiany temperatury. Pojawienie się ładunku na powierzchni spowodowane jest zachodzącą podczas ogrzewania kryształu zmianą istniejącej wewnątrz niego spontanicznej polaryzacji, która polega na uporządkowaniu dipoli elektrycznych bez zewnętrznego pola elektrycznego. W wyniku tej polaryzacji dipolowy moment jąder i elektronów jest różny od zera. Piroelektrykami mogą być więc tylko takie kryształy, w których istnieje wyróżniony kierunek, niezależny od przekształceń symetrii. Mogą być nimi ciała krystalizujące w układzie trójskośnym, jednoskośnym, rombowym, trygonalnym, tetragonalnym i heksagonalnym, w klasach nie posiadających środka symetrii.

            Związek pomiędzy polaryzacją i natężeniem pola elektrycznego w piroelektrykach ( ferroelektrykach ) ma postać:

                                                     P = P₀  + k E                                                            (5)

 gdzie:            

                            P₀   -  stały wektor polaryzacji spontanicznej,
                             k  -   podatność elektryczna,
                             E  -   natężenie zewnętrznego pola elektrycznego.

         Przy ustalonych warunkach zewnętrznych na powierzchni piroelektryka nie obserwuje się ładunków polaryzacyjnych, gdyż pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego powstają w nim niewielkie prądy, które przemieszczają ładunki aż do zneutralizowania ładunków powierzchniowych. W podobny sposób działają jony z powietrza, gromadzące się na powierzchni piroelektryka.

            Przy szybkiej zmianie temperatury kryształu o DT, jego spontaniczna polaryzacja zmienia się o wartość DP, a na powierzchni pojawia się dodatkowy ładunek o gęstości powierzchniowej

                                              s = pDT = DP                                                         ( 6 )

gdzie: p – współczynnik piroelektryczny.

            Jeżeli po zmianie temperatura kryształu pozostaje stała, to po pewnym czasie ładunek zostanie zneutralizowany przez ładunki swobodne (wewnętrzne lub zewnętrzne ). Polaryzacja spontaniczna w piroelektrykach (ferroelektrykach) zależna jest od temperatury. Powyżej pewnej temperatury zwanej temperaturą Curie (T_c), polaryzacja spontaniczna znika na skutek zaniku uporządkowania dipoli elektrycznych. Charakter tej zależności przedstawiony jest na rys.2.

Rys. 2. Zależność polaryzacji spontanicznej od temperatury dla typowego
materiału ferroelektrycznego; T_c – temperatura Curie.

            Materiał, który ma być wykorzystany jako detektor w temperaturze pokojowej, powinien się charakteryzować temperaturą Curie nieznacznie wyższą od pokojowej.

5.2. Zasada działania detektora piroelektrycznego

            Detektor piroelektryczny jest zasadniczo detektorem takiego promieniowania, które jest absorbowane na jego powierzchni lub w jego objętości, i powoduje wzrost temperatury kryształu. W praktyce należy dążyć do tego by przyrost temperatury był bardzo szybki i szybki powrót do temperatury równowagi (otoczenia ).

            Bardzo istotną cechą charakterystyczną, odróżniającą detektory piroelektryczne od klasycznych detektorów termicznych (np. termoelektrycznych) jest bardzo krótki czas reakcji. Czas ten może być rzędu mikrosekund, a nawet nanosekund.

            Zasada pracy detektora piroelektrycznego pokazana jest na rys.3.

Rys.3. Zasada działania detektora piroelektrycznego: a - w układzie elektrod równoległych do kierunku
promieniowania, b – w układzie elektrod prostopadłych do kierunku promieniowania; P₀ - polaryzacja spontaniczna.

Możliwe są dwa rozwiązania układu elektrod detektora. W rozwiązaniu przedstawionym na rys.3b powierzchnia absorbująca może być duża, co powoduje indukowanie dużych ładunków na powierzchniach czujnika i umożliwia pomiar przy stosunkowo niewielkiej impedancji obwodu zewnętrznego. W tym rozwiązaniu pewną trudność stanowi wykonanie elektrody przepuszczającej lub absorbującej wymagany zakres promieniowania.

            Przy promieniowaniu modulowanym z pulsacją w zmiana ładunku w czasie daje napięcie zmienne o częstotliwości modulacji. Napięcie to jest proporcjonalne do 1/w.

5.3. Materiały  piroelektryczne

            Detektory piroelektryczne mogą być budowane zarówno z monokryształów jak i polikrystalicznych materiałów piroelektrycznych [1]. W  praktyce stosuje się najczęściej monokryształy ferroelektryczne, ze względu na prosty sposób ich wytwarzania metodą wyciągania z roztworów przesyconych.

            Najbardziej rozpowszechnione są monokryształy trójglicyny w postaci tiosiarczanów lub chromianów:

                                  (NH₂CH₂COOH)₃H₂SO₄   - (TGS),

                                  (NH₂CH₂COOH)₃H₂CrO₄  - (TGC).

O powszechnym zastosowaniu tych materiałów, zwłaszcza TGS, zadecydowały ich własności.

            Temperatura Curie dla TGS wynosi 48 °C. Praca detektora w pobliżu tej temperatury (Rys.1) jest korzystna ze względu na dużą czułość detektora (wartość dP/dT ). Współczynnik piroelektryczny dla TGS w temperaturze 300°K wynosi (2+3)×10^-8 [C×cm^-2×K^-1]. Kryształ ten posiada zdolność do podtrzymywania spontanicznej polaryzacji w długim okresie czasu bez potrzeby repolaryzacji.

5.4. Budowa detektora piroelektrycznego

            W zestawie laboratoryjnym zastosowany jest monokryształ siarczanu trójglicyny o osi ferroelektrycznej prostopadłej do płaszczyzny cięcia. Budowa samego detektora przedstawiona jest na rys.4.

 

Rys.4. Konstrukcja detektora piroelektrycznego. 1 – monokryształ TGS,
2- półprzepuszczalna elektroda, 3 – metalowa elektroda, 4 – metalizowana
membrana mikowa, 5 – kontakt elektryczny, 6 – obudowa metalowa.

            Kryształ TGS o wymiarach około 2 x 2 mm i grubości 0,2 mm pokryty został z jednej strony półprzepuszczalną warstwą chromu, z drugiej zaś nieprzepuszczalną warstwą srebra. Ze względu na wymaganie małej pojemności cieplnej detektora i dobrej izolacji cieplnej od obudowy, kryształ TGS przyklejony jest klejem przewodzącym do cienkiej folii niklowej pokrytej warstwą srebra, która odprowadza ładunek elektryczny do obudowy. Sygnał elektryczny z detektora doprowadzany jest do układu pomiarowego przez przedwzmacniacz, który pracuje w układzie przetwornika prąd -  napięcie. Układ ten przetwarza prąd płynący w obwodzie detektora na proporcjonalny sygnał napięciowy. Schemat elektryczny układu dopasowującego przedstawiono na rys.5.

 

Rys.5. Schemat elektryczny detektora z przedwzmacniaczem.

5.5. Charakterystyki detektora piroelektrycznego

            Z punktu widzenia eksploatacji istotna jest zależność sygnału wyjściowego od częstotliwości modulacji padającego promieniowania i od jego mocy [2]. Przedmiotem analizy może być układ zastępczy przedstawiony na rys.6.

 

Rys.6. Elektryczny schemat zastępczy detektora piroelektrycznego.

 W układzie zastępczym C jest pojemnością wypadkową detektora , R rezystancją uwzględniającą rezystancję upływności i obciążenia, V₀ jest wyindukowanym napięciem na elektrodach detektora oraz V napięciem wyjściowym.

            Dla takiego układu napięcie wyjściowe jest opisane wyrażeniem:

                                                                                         (7)

gdzie f jest częstotliwością modulacji wiązki promieniowania. Po wprowadzeniu oznaczenia f_c  = 1/(2pRC) wyrażenie  (7) przyjmie postać:

                                                                                            ( 8 )

Zależność U(f) dana wyrażeniem (8) przedstawiona jest na rys.7. Dla częstotliwości
f > f_c sygnał wyjściowy pozostaje stały.

 

Rys.7. Charakterystyka częstotliwościowa detektora piroelektrycznego.

            Przy uwzględnieniu faktu, że zależność napięcia indukowanego od częstotliwości jest typu 1/f, wypadkowa charakterystyka przyjmuje postać przedstawioną na rys.8.

 

Rys. 8. Wypadkowa charakterystyka detektora piroelektrycznego;
a- bez obciążenia, b- z obciążeniem.

      Drugą podstawową charakterystyką detektora jest zależność amplitudy sygnału wyjściowego od mocy promieniowania padającego na detektor. Charakterystyka ta została wyprowadzona przy założeniu, że okres modulacji jest mniejszy od termicznej stałej czasowej detektora (czas po którym temperatura powraca do równowagi). Wzory na czułość napięciową R_V i prądową R_I przyjmują postać :

R_V = R_I Z            [V/W]

R_I = A e p/ C_T     [A/W]

Zależność między tymi czułościami precyzuje wzór:

                      [V/W]                                                          (9)

gdzie:

C_T -  pojemność cieplna detektora
Z  -  wypadkowa impedancja detektora i obciążenia,
e - współczynnik emisyjności powierzchni detektora,
A -  powierzchnia czynna detektora
p -  współczynnik piroelektryczny materiału detektora,
R -  rzeczywista część impedancji Z

Charakterystyka opisana wyrażeniem (9) przedstawiona jest na rys.9.

 

_{Rys.9. Zależność sygnału wyjścioącego od mocy padającego promieniowania.}

                Czułość prądowa nie zależy od częstotliwości i dla typowych detektorów jest rzędu 1 mA/W, natomiast czułość napięciowa dla częstotliwości modulacji f<f_c jest proporcjonalna do rezystancji obciążenia.

5.6. Zestaw pomiarowy do badania detektora piroelektrycznego

            Schemat zestawu przedstawiono na rys.10. Sygnał wyjściowy z detektora posiada małą wartość skuteczną. W celu wzmocnienia tego sygnału i oddzielenia go od zakłóceń zastosowano woltomierz synchroniczny ze wzmacniaczem typu „Lock in”, który pozwala na wydzielenie sygnału o częstotliwości modulacji.

 

Rys.10. Schemat zestawu pomiarowego.

6. TERMOELEKTRYCZNY DETEKTOR PROMIENIOWANIA TEMPERATUROWEGO

6.1. Wstęp

            Detektor termoelektryczny należy do grupy detektorów termicznych, przy czym w przeciwieństwie do detektora piroelektrycznego nie wymaga modulacji strumienia padającego promieniowania. Padające promieniowanie powoduje wzrost temperatury ośrodka absorbującego, który  jest częścią detektora, a wzrost temperatury zamieniany jest na sygnał elektryczny generowany przez miniaturową termoparę lub częściej termostos. Detektor ten jest często stosowany w pirometrach promieniowania całkowitego ale również w pirometrach monochromatycznych. Swą popularność zawdzięcza niezbyt wysokim kosztom wytwarzania [3].

            Jako detektor promieniowania podczerwonego został wynaleziony przez Melloniego już w roku 1833, ale w latach 1990-tych nastąpił wyraźny renesans tych detektorów i postęp w kierunku ich miniaturyzacji [4]. Przyczynił się do tego w znacznym stopniu rozwój technologii mikrosystemów, głównie mikromechaniki, technologii CMOS, technologii cienkowarstwowych, technologii nowych materiałów termoelektrycznych i absorberów.

Współczesne detektory termoelektryczne są już często wytwarzane jako inteligentne mikrosystemy, gdzie w jednym elemencie monolitycznym lub hybrydowym obok przetwornika występuje układ kompensacyjny, wzmacniający i sterujący. Pojawiają się również wieloelementowe matryce tych sensorów używane do obrazowania promieniowania temperaturowego.

6.2. Efekt termoelektryczny Seebecka

            W obwodzie składającym się z dwu różnych elementów A oraz B (metali, półprzewodników), których złącza mają temperatury T + DT oraz T, powstaje siła termoelektryczna i płynie prąd termoelektryczny (efekt Seebecka) [5], rys.11.

Rys.11. Powstawanie siły termoelektrycznej. Materiał A jest dodatni w stosunku do B, tzn. prąd
w elemencie A płynie od końca o wyższej temperaturze do niższej.

Obwód zamknięty musi składać się jednak z co najmniej dwu różnych materiałów, których złącza mają różne temperatury, aby wypadkowa siła elektryczna była różna od zera. Względna różnica termo-SEM  wynosi wówczas

                                               S_AB = S_B – S_A                                                                                                ( 11)

i służy do wyznaczania termo-SEM układu, którego złącza mają temperatury T₁ i T₂

W praktyce nie wykonuje się całkowania wg zależności ( 12), a w doborze materiałów do wykonania termopary korzysta się z tablic, gdzie podane są siły termoelektryczne różnych materiałów względem ustalonego materiału odniesienia, najczęściej platyny.

W ogólności termo-SEM dla układu dwu materiałów jest funkcją różnicy temperatur ich złączy

                                               U_AB = f( T₁- T₂ )

co jest podstawą wykorzystania danego układu (termopary) do pomiaru temperatury. Znając temperaturę spoiny odniesienia (T₂), można z pomiaru termo-SEM wyznaczyć temperaturę nieznaną (T₁).

6.3. Materiały do budowy detektorów termoelektrycznych

W tradycyjnych wykonaniach detektorów starano się wybierać zestawy materiałów, które w szeregu termoelektrycznym znajdują się możliwie daleko od siebie, co zapewnia występowanie możliwie dużych sił termoelektrycznych przy określonej różnicy temperatur. Materiały stosowane do wytwarzania złącz termoparowych powinny ponadto w miarę możliwości wykazywać następujące cechy:

- podwyższoną dopuszczalną temperaturę pracy ciągłej,

- w przypadku braku hermetyzacji dużą odporność na wpływy atmosferyczne,

- stałość własności w czasie,

- możliwie małą rezystywność,

- możliwie mały cieplny współczynnik zmiany rezystancji,

- małe przewodnictwo cieplne

- ciągłą i liniową zależność siły termoelektrycznej od temperatury (stały wsp. Seebecka ).

            Przydatność danego materiału do zastosowań termoelektrycznych można scharakteryzować współczynnikiem dobroci termoelektrycznej zdefiniowanym jako

gdzie:  S - współczynnik Seebecka

            s - konduktywność

            l - współczynnik przewodnictwa cieplnego

Współczynnik Z ma wymiar [K^-1] i w związku z powyższym przyjęło się używać bezwymiarowej wielkości ZT. Współcześnie stosowane materiały osiągają parametry nie przekraczające wartości ZT@1 [ 4] .Najlepsze w tym względzie cienkowarstwowe materiały to:

                        p - typu Bi _0.5Sb_1.5Te₃   o wartości ZT = 0.88

                        n - typu Bi ₂Te₃  o wartości ZT = 0.3

(materiały te w postaci objętościowej wykazują większe wartości ZT i tak np. ekstremalną wartość ZT = 0.9 w temperaturze pokojowej wykazuje n – typu Bi ₂Te _2.85Se _0.15 [6] ).

Wadą wymienionych powyżej materiałów jest ich niekompatybilność ze współczesnymi technologiami mikroelektronicznymi opartymi na krzemie lub arsenku galu.

Z tego punktu widzenia bada się obecnie przydatność krzemu jako materiału termoelektrycznego, jakkolwiek wartość Z dla Si jest niska głównie ze względu na stosunkowo wysokie przewodnictwo cieplne (15 ¸ 30 W/K×m dla  poli-Si). Znane są rozwiązania detektorów z wykorzystaniem polikrzemu typu n (ZT~ 0.02) oraz p (ZT ~ 0.01) [7] wytworzone techniką kompatybilną z technologią CMOS.

Z innych rozwiązań należy wymienić detektory termoparowe w oparciu o warstwy GaAs (ZT = 0.004) oraz AlGaAs (0.012), których produkcja jest kompatybilna z technologią MESFET [8]. Prowadzone są również badania nad wykorzystaniem wielokrotnych studni kwantowych jako materiałów termoelektrycznych. Obliczenia pokazują [9], że należy się spodziewać w tym przypadku materiałów w oparciu o supersieci Bi₂Te₃ z wartościami współczynnika dobroci sięgającymi ZT~ 7.

6.4. Budowa czujnika termoelektrycznego

            W tradycyjnym wykonaniu termoelektryczny czujnik promieniowania zbudowany jest w układzie cienkowarstwowego termostosu, czyli szeregowo połączonych termopar, tak zaprojektowanych aby złącza były ogrzewane w wyniku absorbcji padającego promieniowania a złącza odniesienia posiadały względnie stałą temperaturę obudowy sensora, rys.12

 

Rys.12. Budowa termoelektrycznego czujnika promieniowania:
a – termostos pomiarowy, b- usytuowanie termostosu w obudowie, c- ogólny widok czujnika.

Współczesne wykonania detektorów termoelektrycznych bazują na technologiach mikromechanicznych, gdzie termostos jest naniesiony na membranie wolno podpartej na kawałku kształtki krzemowej. Aktywne złącza cienkowarstwowych termopar znajdują się w obszarze środka membrany, złącze odniesienia („zimne”)znajduje się w obszarze peryferyjnym, dobrze odprowadzającym ciepło. Przykładowe wykonanie takiego detektora przedstawia rys.13.

Rys.13. Czujnik podczerwieni wykonany w technologii mikromechanicznej
z elementami technologii CMOS.

Membranę stanowi epi- warstwa n-Si o grubości 10μm, szerokości 440 μm i długości 3 mm.

Na membranę metodą dyfuzji naniesiono paski p-Si, które z paskami Al utworzyły termopary pomiarowe [ ]. Obecnie wytwarzane detektory termoelektryczne charakteryzują się parametrami, które można scharakteryzować następująco:

            czułość napięciowa (V/W)                      1 ¸ 200
            stała czasowa (ms)                              10 ¸ 100
            detekcyjność (10⁸cm H^1/2W^-1 )               1 ¸ 7

6.5. Parametry czujnika stosowanego w ćwiczeniu

Stosowany w ćwiczeniu termoelektryczny detektor firmy Oriel, rys.14, jest układem cienkowarstwowych termopar o 20 gorących złączach, pokrytych warstwą czarnego absorbera tlenkowego [10]. Obudowa wyposażona jest w okno z tworzywa KRS-5 o średniej transmisji 74% w przedziale spektralnym padającego promieniowania 0.6¸ 40 m m.

            Pozostałe parametry detektora:

ˇ        powierzchnia detektora (mm)                                0.8 ´ 2.4
ˇ        czułość (V/W)                                                      6 ¸ 12
ˇ        detekcyjność znormalizowana (cm Hz^1/2W^-1 )        2 ´ 10⁸
ˇ        stała czasowa (ms)                                    150

 

Rys.14. Detektor Oriel model 71769: wymiary w mm.

7. Zadania

1.      Wykonać pomiary charakterystyk pirometru (detektora) w funkcji temperatury włókna żarówki oraz gęstości mocy promieniowania (zakres temperatur 600° do 1400°C). Pomiary przeprowadzić dla dwóch różnych odległości źródło-detektor. Przyjąć, że dwie trzecie mocy ulega wypromieniowaniu, a jedna trzecia stanowi

2.      Określić zależność sygnału wyjściowego w funkcji gęstości mocy promieniowania.

3.      W oparciu o zmierzoną charakterystykę U_wy = f (P) zmierzyć moc emitowaną przez laser HeNe. ( Należy przyjąć, że cały strumień świetlny pada na powierzchnię detektora),

4.      Zmierzyć sygnał wyjściowy w funkcji odległości lasera od detektora . Zależność wutłumaczyć.

5.      straty na konwekcję cieplną i przewodnictwo. Powierzchnię czynną czujnika przyjąć 2  x  3 mm.

6.      Określić zależność sygnału wyjściowego w funkcji gęstości mocy promieniowania.

7.      W oparciu o zmierzoną charakterystykę U_wy = f (P) zmierzyć moc emitowaną przez laser HeNe. ( Należy przyjąć, że cały strumień świetlny pada na powierzchnię detektora),

8.      Zmierzyć sygnał wyjściowy w funkcji odległości lasera od detektora . Zależność wytłumaczyć.

8. Literatura

1.                  A. Łoziński, Ceramiczne ferroelektryki systemu PLZT do detekcji promieniowania temperaturowego, Monografia 13, Politechnika Gdańska, Gdańsk 2000.

2.                  T. Persak, Detektory piroelektryczne, Postępy Fizyki, t.XXIII, z.4, (1972) 417.

3.                  Ed. W. Göpel, J. Hesse, J.N. Zemel, Sensors. A comprehensive survey, vol.4, Thermal sensors, VCH, Weinheim 1990.

4.                  Ed. H. Baltes, W. Göpel, J. Hesse, Sensors update, vol.3, Wiley-VCH, Weinheim 1998.

5.                  W.L. Boncz-Brujewicz, S.G. Kałasznikow, Fizyka półprzewodników, rozdz.1, PWN, W-wa 1985.

6.                  T.E. Svechnikova, N.M. Maksimova, P.P. Konstantinov, G.T. Alekseeva, M.A. Korzhnev, Inorganic Materials, 29 (1993) 1442.

7.                  O. Paul, M. von Arx, H. Baltes, Transducers 95, Digest of Technical Papers, Stockholm (1995) p.178.

8.                  A. Dehe, K. Fricke, H.L. Hartnagel, Sensors and Actuators, A 46-47 (1995)432.

9.                  L.D. Hicks, M.S. Dresselhaus, Phys. Rev.B 47 (1993) 12727.

10.              Katalog firmy Oriel