Разработка тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца

Интенсивное развитие современной оптоэлектроники, лазерной техники, во многом, определяется успехами, достигнутыми при приеме оптического излучения и обработке оптической информации. Роль приемников излучения как важнейшего элемента оптоэлектронной аппаратуры различного назначения непрерывно возрастает. Тепловые приемники излучения предназначены для обнаружения и измерения энергии электромагнитных волн оптического и инфракрасного диапазона путем преобразования ее в другие виды энергии (электрические сигналы: напряжение, ток, период колебаний). В основу работы любого приемника излучения заложено взаимодействие излучения с веществом чувствительного элемента. В ТПИ изменение тех или иных свойств чувствительного элемента вызывается тепловым воздействием радиации.

Тепловые приемники излучения обладают одинаковой чувствительностью во всем спектральном диапазоне, в практических реализациях неселективность искажается и ограничивается только характеристиками пропускания материала входного окна и зависимостью коэффициента поглощения поглощающего излучение покрытия.

ТПИ обладают следующими преимуществами:

— неселективность чувствительности в широком спектральном диапазоне;

— простота эксплуатации и возможность работы без охлаждения;

— применяемость во всем спектральном диапазоне оптического излучения от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного участка (субмиллиметровых волн).

В диссертационной работе была разработана конструкция и исследована зависимость изменения резонансной частоты кварцевого чувствительного элемента от величины мощности падающего лучистого потока. А также показана возможность измерения мощности лучистых потоков при помощи тепловых приемников излучения, чувствительный элемент которых изготовлен из пьезоэлектрического кварца в виде ОМС с нанесенными на его поверхности тонкопленочными электродами, на поверхности которых нанесено покрытие, взаимодействующие с излучением.

Целью данной работы является разработка и исследование тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1 Обоснование возможностей создания тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.

2 Разработка конструкции и технологического процесса изготовления кварцевых тепловых приемников излучения на эффекте термочувствительности и радиационно-пьезоупругом эффекте.

3 Экспериментальное исследование основных параметров тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца на эффектах термочувствительности и радиоционно-пьезоупругом.

В диссертационной работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов вычислительной математики и компьютерного моделирования в среде МаЛСА0200Н.

Научная новизна заключается в следующем:

1 Предложено аналитическое выражение, описывающее изменение частотного выходного сигнала КТПИ от величины мощности лучистого потока теплового излучения;

2 Результаты экспериментальных исследований зависимости изменения частотного выходного сигнала КТПИ от мощности лучистого потока АЧТ при температуре излучающей полости 500 К;

3 Экспериментально исследованы зависимости изменения частотного выходного сигнала КТПИ от изменения температуры источника излучения типа АЧТ в диапазоне температур от 270 К до 1000 К;

4 Получены новые расчетно-экспериментальные зависимости величины механических напряжений, возникающих в тонкопленочной структуре электродного покрытия, нанесенного на поверхность сверхтонкого кварцевого чувствительного элемента в результате внешнего воздействия лучистым потоком;

5 Результаты экспериментальных исследований зависимости изменения интегральной чувствительности КТПИ на основе радиационно-пьезоупругого эффекта от азимутной ориентации чувствительной площадки приемника излучения на поверхности кварцевого чувствительного элемента выполненного в виде ОМС.

Практическая ценность полученных результатов:

1 Разработана методика расчета изменения частотного выходного сигнала от величины мощности излучения, попадающего на поверхность чувствительного элемента КТПИ;

2 Разработана технология жидкостного селективного травления пьезоэлектрического кварца для изготовления кварцевых чувствительных элементов КТПИ, позволяющая изготавливать кварцевые кристаллические элементы с частотой последовательного резонанса по основной гармонике до 250 МГц;

3 Разработаны конструкции и изготовлены экспериментальные образцы кварцевых ТПИ;

4 Разработан пооперационный технологический процесс изготовления КТПИ, на отдельные операции получены патенты РФ № 2 264 029. № 2 276 453. № 2 287 218.

6. На основании результатов исследований разработано два типа устройств: — устройство для контроля температуры поверхности микрообъектовустройство для измерения мощности лазерного излучения светодальномеров электронных тахеометров.

Личный вклад автора:

Личный вклад автора в диссертационную работу определяется общей формулировкой, обоснованием целей и задач исследований, выбором методов и их решения, разработкой опытных образцов и технологии их изготовления, проведением экспериментов и анализа результатов.

Автором разработана конструкция чувствительного элемента КТПИ на основе радиационно-пьезоупругого эффекта и на основе термочувствительности пьезоэлектрического кварца. Разработаны и изготовлены практические варианты конструкции КТПИ на основе термочувствительности и на основе радиационно-пьезоупругого эффекта.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы подтверждена экспериментальной частью работы, тремя патентами РФ и изготовленными экспериментальными образцами тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.

Реализация результатов работы:

1 Созданы лабораторные образцы тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца;

2 На базе лабораторного образца теплового приемника излучения разработана установка для измерения температуры микрообъектов диаметром не более 500 мкм, измерена температура поверхности каталитического слоя термокаталитического газового сенсора ТКС-1;

3 Разработана технология изготовления кварцевых кристаллических элементов форме инвертированной мезаструктуры и внедрена в производство высокочастотных кварцевых резонаторов ООО НПП «Метеор-Курс», что подтверждается соответствующим актом внедрения;

4 Разработан и изготовлен макет прибора для измерения мощности лазерного излучения дальномера, применяемые в современных геодезических приборах (тахеометрах). Прибор внедрен в Омском филиале сервисного центра ФГУП УОМЗ, что подтверждается соответствующим актом внедрения.

5 Изготовлен лабораторный стенд исследования КТПИ, внедренный в учебный процесс в ОмГТУ.

Апробация работы:

Материалы работы докладывались и обсуждались на ежегодном учебно-методическом семинаре — совещании «Практическое применение контактных и пирометрических средств температурных измерений и метрологического обеспечения» г. Омск, ОАО НПП «ЭТАЛОН», март 2008 г.- на II Всероссийской научно — технической конференции «Россия молодая. Передовые технологии в промышленности» Омск — 2009 г.- на региональной научно-практической конференции «Наука, образование, бизнес ученых, предпринимателей, аспирантов студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной дню радио» Омск — 2009 г.- на восьмом учебно-методическом семинаре — совещании «Эталонные и рабочие средства измерения в области теплофизики. Энергоаудит» г. Омск ОАО НПП «ЭТАЛОН», март 2010 г.

Публикации: основные результаты диссертации отражены в печатных работах: 2 работах в изданиях, вошедших в перечень рекомендуемых ВАК РФв 2 тезисов докладов на научно-технических конференциях- 3 — патента на изобретение- 5 — в прочих печатных изданиях.

Автор защищает следующие основные положения:

1 Предложенный в диссертационной работе подход к описанию функции преобразования теплового излучения в изменения частоты КТПИ;

2 Технологический процесс изготовления тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца;

3 Результаты исследования влияния конструктивно — технологических факторов на чувствительность тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца.

Структура и объем диссертации

:

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, изложена на 162 листах основного текста и иллюстрируется 65 рисунками, 27 таблицами. Список цитируемой литературы содержит 65 наименований. Основное содержание работы изложено в пяти главах.

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований, сформулированы цели и задачи работы, научная новизна, практическая значимость результатов, представлены основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

Первая глава диссертационной работы посвящена литературному обзору тепловых приемников излучения на основе различных физических принципов преобразования теплового потока в выходной сигнал ПИ. Сделан сравнительный анализ и проведена классификация по физическому принципу тепловых приемников излучения, представленных в настоящее время на рынке. Сформированы требования к параметрам и характеристикам ТПИ на основе пьезоэлектрического кварца.

Тепловые приемники на основе пьезоэлектрического кварца обладают простой конструкции, присущей изделиям на основе объемных акустических волн (кварцевым резонаторам и монолитным кварцевым фильтрам), дешевизной по технологическому исполнению. Чувствительные элементы ТПИ на основе пьезоэлектрического кварца изготавливаются с применением групповых методов, что значительно повышает повторяемость характеристик и обеспечивает низкую себестоимость.

В настоящее время параметры, характеристики, методы проектирования, некоторые технологические операции изготовления датчиков на основе пьезоэлектрического кварца исследованы недостаточно полно и исследуются ведущими мировыми лабораториями, а работы, посвященные тепловым приемникам излучения на основе пьезоэлектрического кварца, практически отсутствуют. В различных литературных источниках [1,2,3,4] приводятся только обобщенные сведения о возможности создания кварцевых тепловых приемников излучения (для регистрации ИКизлучения). Приводятся только гипотезы о природе изменения частотного выходного сигнала от изменения мощности лучистого потока. Это доказывает актуальность исследований, направленных на теоретическое и экспериментальное обоснование разработки КТПИ как приемника излучения, обладающего рядом преимуществ.

В первой главе работы систематизированы подходы к анализу ТПИ на различных физических принципах и конструктивных исполнениях, сформированы задачи исследования и разработки КТПИ.

Во второй главе данной работы была разработана математическая модель, описывающая природу изменения частотного выходного сигнала от величины мощности внешнего лучистого потока, воздействующего на поверхность чувствительного элемента. Приводятся результаты моделирования и теоретический расчет основных параметров ТПИ на основе пьезоэлектрического кварца в зависимости от конструктивных параметров.

В третьей главе рассмотрены конструктивно-технологические особенности изготовления тепловых приемников излучения на основе пьезоэлектрического кварца. Приведена методика расчета основных конструктивных размеров для обеспечения требуемых параметров ПИ. Приводится технологический маршрут изготовления ТПИ на основе пьезоэлектрического кварца и пооперационное его описание. На некоторые технологические решения получены патенты РФ. Отображены технологии получения сверхтонких кварцевых чувствительных элементов в форме, так называемых, обратных мезаструктур методом глубокого химического травлениянапыления поглощающего ИКизлучения покрытия методом низковакуумного конденсирования металлов.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию лабораторных образцов КТПИ на основе эффекта термочувствительности на основе радиационно-пьезоупругого эффекта.

Проведено исследование зависимости, величины механических напряжений, возникающих в структуре электрод — кварцевый пьезоэлемент от изменения температуры чувствительного элемента. Экспериментально исследована зависимость интегральной чувствительности в зависимости от азимутной ориентации (ц/) тонкопленочного электрода КТПИ на основе радиационно-пьезоупругого эффекта. Имеются значения (|/), при котором облучение лучистым потоком не приводит к изменению частоты чувствительного элемента.

В пятой главе приводятся результаты практического применения ТПИ на основе пьезоэлектрического кварца: разработана и изготовлена установка на основе КТПИ для контроля температуры поверхности микрообъектов размером более 500 мкм, разработан и изготовлен макет прибора для измерения мощности лазерного излучения светодальномеров.

В заключении сформированы основные результаты и выводы по работе.

В приложении приведены эскизы топологии КТПИ и акты внедрения результатов работы на промышленных предприятьях.

выводы.

1 Разработаны структурные схемы устройств на основе КТПИ для создания средств бесконтактного измерения температуры;

2 Разработана установка, позволяющая контролировать температуру объектов малой площади, на примере установки для измерения температуры поверхности термокаталитического газового сенсора;

3 Изготовлено устройство для измерения мощности лазерного излучения светодальномеров электронных тахеометров;

4 Представлены результаты сравнительных измерений мощности лазерного излучения светодальномерного блока электронных тахеометров, произведенные при помощи установки на базе КТПИ и прибора марки РеШМах 11.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенной работы показано, что:

1. Тепловые приемники излучения на основе кварца обладают рядом преимуществ (упрощение схем цифровой обработки сигнала, высокая временная стабильность параметров, устойчивость к воздействию электромагнитных полей, низкая стоимость технологии изготовления КТПИ), в сравнении с другими типа приемников излучения.

2. Предложена математическая модель, описывающая функцию преобразования КТПИ на основе эффекта термочувствительности.

3. Предложена математическая модель, описывающая функцию преобразования КТПИ на основе радиационно-пьезоупругого эффекта.

4. Аналитические выражения, полученные на основе математических моделей КТПИ, подтверждены результатами экспериментальных исследований.

5. Результаты лабораторных исследований основных параметров КТПИ, в пределах 15% согласуются с данными, полученными при компьютерном моделировании.

6. Разработаны технологические маршруты изготовления КТПИ;

7. Теоретически и экспериментально доказано, что при значениях азимутного угла ориентации электродного покрытия равным 90°, возможно обеспечение максимального значения уровня интегральной чувствительности КТПИ на основе радиационно-пьезоупругом эффекте.

8. Разработана и запатентована технология селективного травления кварцевых КЭ в форме ОМС.

9. Технологическое решение глубокого химического травления КЭ в форме инвертированных мезаструктур внедрено в ООО НПП «Метеор-Курс», в технологический процесс изготовления кварцевых резонаторов.

10. Разработаны экспериментальная установка и методика и для исследования величины механических напряжений, возникающих в двух слойных структурах.

11. Отработана технология напыления поглощающих покрытий на ЧЭ методом низковакуумного конденсата.

12. Разработана конструкция и методика расчета основных конструктивных размеров КТПИ.

13. Произведено обоснование выбора оптимальных материалов для изготовления КТПИ.

14. Изготовлены экспериментальные образцы КТПИ на эффекте термочувствительности и радиационно-пьезоупругом эффекте.

15. На базе КТПИ разработана установка, позволяющий производить измерение температуры микро-объектов площадью от 0,5 мм .

16. На базе КТПИ разработано и изготовлено устройство для измерения мощности лазерного излучения светодальномеров электронных тахеометров.