Ячейка Голея

Другие тепловые приемники

Ячейка Голея

 

Ячейка Голея (рис. 7.1) является другим тепловым приемником, который состоит из герметичной газонаполненной капсулы (обычно используют ксенон из-за его низкой теплопроводности), изготовленной таким образом, что при расширении нагреваемого фотонным излучением газа деформируется гибкая мембрана, на которой закреплено зеркало.

-Смещение зеркала вызывает смещение светового пучка, которым оно освещается, что вызывает изменение тока на выходе фотоэлемента, на который падает отраженный от зеркала свет.

- В современных ячейках Голея вместо фотоэлемента используется твердотельный фотодиод, а для освещения зеркала служит светодиод. Надежность и стабильность такой конструкции намного выше, чем у первых приемников Голея, в которых использовались вольфрамовая лампа накаливания и вакуумный фотоэлемент.

Чувствительность ячейки Голея ограничена только температурным шумом теплообмена между поглощающей пленкой и газом, заполняющим приемник, поэтому можно получить очень высокую чувствительность (D ^*» 3´10⁹ см×Гц^1/2Вт^–1 и вольт-ваттная чувствительность 10⁵ - 10⁶ В/Вт). Время фотоотклика довольно велико, порядка 15 мс. Приемник может применяться только в стационарных лабораторных установках, так как он очень хрупок и чувствителен к вибрациям.

 

 

Рис. 7.1. Ячейка Голея

 

Недавно появилось сообщение о создании нового миниатюрного приемника Голея, изготовленного с применением микротехнологий. Для обнаружения термического расширения малого газового объема был использован туннельный датчик перемещения. NEP опытного образца прибора была лучше 3´10^–10 ВтГц^–1/2 при 25 Гц.

 

7.2. Тепловые приемники на p—n - переходах

 

Для измерения температуры используется датчик на p—n - переходе с постоянным прямым смещением.

Получим выражение для .

В рамках диодной теории выпрямления на p—n-переходе зависимость тока через переход от внешнего напряжения определяется следующим выражением:

 

.

 

Т.к. ток , то

 

Тогда

.

 

Величина обратного тока насыщения в п\п диоде определяется следующим выражением:

 

Здесь и – концентрации дырок в n -области и электронов в p -области, диффузионные длины, времена жизни.

При этом

Тогда

.

 

Таким образом, температурная зависимость напряжения на диоде с прямым смещением задается формулой:

 

, (7.1)

 

где I_s – обратный ток насыщения, а E_g – ширина запрещенной зоны.

В кремниевом диоде с E_g = 1,12 эВ и рабочим напряжением 0,6 В при комнатной температуре ток примерно удваивается каждые 10ºC, а напряжение линейно уменьшается с коэффициентом примерно 2 мВ/ºC. Например, в диодном датчике температуры фирмы OMEGA Engineering при токе прямого смещения 10 мкА в температурном интервале более 100 K это уменьшение практически линейно и описывается выражением

 

, (7.2)

 

где V выражается в вольтах.

Применение диодов из поликристаллического Si описано в нескольких работах. Описаны и линейки и матрицы. Ueno и др. изготовили монолитную МФП размером 160´120 элементов. Каждый элемент содержал p⁺—p—n⁺ диод из поликремния, схему считывания и микромостик для теплоизоляции. Параметры приемника изображения приведены в табл. 7.1. Показано, что выбор поликремния в качестве чувствительного материала позволяет производить приемники изображения, используя возможности современной технологии производства больших интегральных схем Si, а, следовательно, реализовать недорогие ИК-камеры.

 

Таблица 7.1. Характеристики неохлаждаемых ИК МФП

 

Материал приемника	Поликремний
Способ детектирования	p—n - переход с прямым смещением
Число элементов	160´120
Размер элемента	80´80 мкм
Степень заполнения	41%
Схема считывания	MOП с XY-адресацией
Размер кристалла	16´14 мм
Частота кадров	30 Гц