Пироэлектрические детекторы

Это широко распространенный тип датчиков теплового типа, используемых для детектирования ИК-излучения.

Пироэлектрики представляют собой кристаллические диэлектрики со спонтанной поляризацией при отсутствии внешних воздействий, которая увеличивается или уменьшается при изменении температуры, что сопровождается возникновением электрического поля (пироэлектрический эффект). При постоянной температуре поляризация пироэлектрика нейтрализуется за счет взаимодействия поверхностных зарядов со свободными электрическими зарядами воздуха. Если температура материала увеличивается, например, при поглощении любого видимого или невидимого излучения, поляризация также возрастает, что наблюдается как электрический сигнал, обычно при подсоединении электродов для формирования конденсатора. Датчик будет производить выход только при изменении температуры, следовательно, он не будет чувствителен к фоновому излучению, и температурной компенсации не потребуется. Так как пироэлектрики не дают статический сигнал (DC-сигнал), температура поверхности модулируется во времени посредством прерывателя излучения (известного под названием chopper), для того чтобы измерять температурные контрасты с фоном неподвижных объектов.

Известно также последовательное включение двух заряжаемых конденсаторных пироэлектрических элементов с противоположной полярностью (соединяемых их однополярными знаками). Этот способ позволяет устранить влияние фоновых температурных воздействий (вследствие солнца, вибраций) и применяется для детектирования подвижных объектов.

Заряды, наведенные в электродах, будут образовывать напряжение сквозь пироэлектрический слой, для снятия которого необходим сравнительно высокий входной импеданс ROIC, либо на выходе первичного преобразователя генерируется переменный ток, обрабатываемый во внешней схеме, подсоединенной к противоположным поверхностям детектора.

Пироэлектрические датчики могут изготавливаться, например, из барий-стронциевого титаната BaStTiO3 (BST), танталата лития LiTaO3, ниобата танталата калия KTaNbO3 (KTN), модифицированного титаната цирконата свинца PbZrTiO3 (PZT) или других материалов с высоким пироэлектрическим коэффициентом, генерирующих электрический заряд в ответ на температурные изменения. Благодаря кристаллической структуре пироэлектрики устойчивы к механическим разрушениям и стабильны при значительных перепадах температур и в условиях температурных флуктуаций (шумов).

Ниже температуры Tc порядка 250–450 °C, известной как точка Кюри, многие сегнетоэлектрические материалы (такие как танталат лития), которые входят в группу пироэлектриков, демонстрируют высокую спонтанную электрическую поляризацию (выше температуры Кюри поляризация исчезает).

Пример пироэлектрического детектора указан в описании патента. Этот детектор представляет собой тонкопленочный конденсатор, выполненный из сегнетоэлектрических материалов группы, включающей ниобат танталат калия (KTN), BST и титанат цирконат свинца, допированный лантаном.

Как и пьезоэлектрики, пироэлектрики — это пассивные датчики, не требующие питания. За счет этого значительно снижаются шумы (1/f) и NETD.

Пироэлектрический процесс не зависим от длины волны воздействующего излучения. Ограничивающим фактором для спектрального диапазона является материал окна, используемый в производстве корпуса датчика. Таким материалом часто служит кремний. Различные оконные материалы и их комбинации позволяют детектировать излучение различных частот в определенном спектральном диапазоне.

KTN и BST, а также другие материалы имеют диэлектрические постоянные и температуры Кюри, которые могут различаться в зависимости от их химического состава. Максимальное ИК-срабатывание — пироэлектрический эффект — в KTN или BST может быть настроено на любую окружающую температуру, что востребовано рыночной нишей высокообъемных систем. Поскольку пироэлектрический эффект зависит от поляризации материала, пиродатчики могут иметь чувствительность, варьируемую в зависимости от применения.

Ввиду дифференциального характера сигнала пироэлектрических детекторов повышается чувствительность к ИК-излучению объекта на уровне фона. Еще более высокая чувствительность достигается за счет тепловой изоляции детектора от ROIC, но технология получения теплоизолированных пироэлектрических пленок пока еще не вполне совместима со стандартными технологиями микроэлектроники.

Для пироэлектрических матриц могут также использоваться сополимеры винилиденфторида PVDF, совместимые со стандартными технологиями микроэлектроники, но требующие поляризации пленки.

Первый пироэлектрический датчик изображения — пироэлектрический видикон — был разработан в начале 1970-х.

Затем технология пироэлектрических детекторов постепенно переместилась к массивам в фокальной плоскости, осуществляющим двумерное сканирование изображений.

Компания Texas Instruments в 1976 году впервые создала двумерные массивы термодатчиков, используя пироэлектрические свойства керамических материалов.

Примеры разработок пироэлектрических матриц приведены в описаниях патентов. Новые разработки ориентированы на создание MEMS-технологий, применение КМР-материалов.

Дальнейшие перспективы технологии относятся к разработке ROIC с ЦОС, выравнивающих неоднородности чувствительности пикселей, корректирующих дефектные пиксели, а также к запасанию и применению различных корректирующих коэффициентов.

Опубликованы сведения об успешном создании пироэлектрического электронно-оптического преобразователя (ПЭОП) диапазона 8–14 мкм в излучении видимого спектра способом попиксельной дискретизации ИК-изображения и модуляции однородного (моноэнергетического) потока электронов матричным пироприемником. ИК-изображение, преобразованное в видимое, отображается на катоднолюминесцентном экране ЭОП, без применения схемного мультиплексирования, как у пировидиконов. NETD прибора оценивается в 0,05–0,1 К, стоимость — в 45–50 тыс. рублей.

Дата добавления: 2014-01-14