eng
Выпуск #3/2016
Н.Ньюман, М.Эберман, К.Шрайбер, М.Хейнц
Пироэлектрические датчики с несколькими фильтрами (многоканальные) и с перестраиваемым фильтром
Пироэлектрические датчики с несколькими фильтрами (многоканальные) и с перестраиваемым фильтром
Просмотры: 4348
Рассмотрены два типа пироэлектрических датчиков – многоканальные (снабженные несколькими фильтрами) и датчики с перестраиваемым фильтром. Ключевыми элементами обоих типов датчиков являются делитель пучка, имеющий оригинальную форму поверхности, и оптический фильтр Фабри-Перо. В конструкции обоих типов датчиков пироэлектрические элементы находятся за фильтрами. Проведено сравнение их возможностей детектирования газовых смесей.
Для обеспечения равномерного распределения потока излучения поверхность делителя пучка выполнена оригинальным способом: на поверхности пластины методом микрообработки сформированы микропирамиды или V-образные канавки, расположенные с шагом 100–150 мкм. Узкополосные фильтры ИК-излучения помещены в кассету, имеющую форму усеченной четырехугольной пирамиды. Угол наклона граней микропирамид и сторон кассеты с фильтрами составляет 30°, что гарантирует падение отраженных лучей на поверхность фильтра под прямым углом. Перестраиваемый фильтр представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС, MEMS) с резонатором Фабри-Перо. Держатели зеркал резонатора имеют сравнительно большую толщину; один держатель неподвижен, а второй подвешен на пружинах с компенсирующими элементами. Регулирование воздушного зазора между зеркалами резонатора осуществляется электростатическим полем: управляющее напряжение подается между верхним зеркалом и электродом на нижнем держателе. Были изготовлены фильтры с коротким и длинным резонатором для спектральных диапазонов длин волн 5,0–3,7 мкм и 4,3–3,0 мкм соответственно. Пироэлектрические кристаллы покрыты слоем черного поглощающего материала и обладают плоской спектральной характеристикой. Датчики с делителем пучка позволяют анализировать состав газовой смеси по нескольким компонентам одновременно, тогда как датчики с перестраиваемым фильтром определяют содержание компонентов газовой смеси последовательно.
Введение
В основе работы ИК-газоанализаторов лежит свойство газов селективно поглощать ИК-излучение определенных длин волн. Концентрация того или иного газа определяется путем измерения величины ослабления излучения с определенными длинами волн, которые соответствуют электронным переходам в молекулах обнаруживаемого газа. На рис.1 представлен спектр селективного поглощения ИК-излучения в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм для монооксида углерода, диоксида углерода, пропана, метана и оксида азота (I).
Методы анализа спектра излучения широкополосных излучателей с помощью оптических фильтров играют важную роль в задачах газового анализа в промышленности и медицине. Достаточно часто использование фотометров с оптическими фильтрами относят к числу недисперсионных методов анализа. Это не совсем верно, поскольку действие фильтров основано на явлении интерференции [2].
Схема газоанализатора (рис.2) включает: пробоотборную камеру, в которую закачивается исследуемая газовая смесь, источник ИК-излучения и датчик измерения количества поглощенного излучения. Пироэлектрические датчики находят широкое применение благодаря таким преимуществам, как возможность работы при комнатной температуре без охлаждения, высокой надежности, линейному характеру спектральной чувствительности и низким эксплуатационным затратам. Узкополосные фильтры ИК-излучения выбирают в зависимости от анализируемых веществ. Полоса пропускания фильтра намного шире отдельной линии поглощения и может составлять несколько процентов от центральной длины волны. Например, для измерения содержания CO2 обычно используют фильтр с центральной длиной волны 4,26 мкм и полосой пропускания от 90 до 180 нм (см. рис.1). Зачастую дополнительно используют сравнительный (эталонный) измерительный канал для компенсации погрешностей измерений, связанных с изменениями интенсивности излучения, создаваемого ИК-излучателем.
Для одновременного измерения концентрации нескольких компонентов в многокомпонентных газовых смесях разработано множество различных методов. Один из наиболее распространенных – фотометрический метод анализа с использованием диска со светофильтрами. Каждый фильтр пропускает излучение только с теми длинами волн, которые соответствуют спектру поглощения одного из компонентов газовой смеси. Фильтры поочередно устанавливаются на выходе пробоотборной камеры, и в результате формируется мультиплексированный сигнал, содержащий информацию о концентрации всех компонентов газовой смеси.
Тем не менее, метод анализа с использованием диска со светофильтрами имеет ряд недостатков, как то: большие размеры конструкции, высокое энергопотребление, чувствительность к механическим воздействиям и износ механических компонентов. Датчики с отдельными спектральными каналами лишены этих недостатков. Казалось бы, самое простое решение – поместить несколько приемников излучения в один корпус и получить многоканальный датчик. Однако при этом узкополосные фильтры будут расположены в одной плоскости. Следовательно, потребуется газовая кювета большего диаметра. Может возникнуть и другая проблема – неравномерность потока излучения, вызванная изменениями отражающей способности стенок кюветы или смещением источника излучения. Компания InfraTec предлагает два типа датчиков, конструкция которых исключает появление подобной проблемы. Это: многоканальный датчик со встроенным делителем пучка излучения и датчик с изменяемой полосой пропускания на основе перестраиваемого фильтра Фабри-Перо.
Многоканальный датчик
Принцип действия многоканального датчика со встроенным делителем пучка показан на рис.4. Проходящий через апертурную диафрагму поток ИК-излучения попадает на делитель пучка и разделяется на четыре части. Каждый отраженный пучок проходит через ИК-фильтр и падает на пироэлектрический приемник. Делители пучка представляют собой пластины, на поверхности которых методом микрообработки сформированы микроструктуры, расположенные с шагом 100 или 150 мкм для обеспечения равномерного распределения потока излучения. Поверхность делителей пучка позолочена. Фильтры установлены под определенным углом, чтобы отраженное излучение падало на них перпендикулярно. Такая конструкция предотвращает смещение кривой пропускания фильтра в область более коротких волн и исключает влияние противоположного фильтра.
В отличие от других многоканальных датчиков, у датчика с делителем пучка всего одна апертурная диафрагма, что позволяет использовать газовую кювету меньшего диаметра и, следовательно, пробы меньшего объема. Это в свою очередь ускоряет процесс обновления пробы газа и позволяет использовать сенсорные модули меньшего размера. Помимо четырехканальных датчиков с делителями пучка в виде четырехугольных микропирамид, компания InfraTec выпускает двухканальные датчики с делителями пучка с микроструктурой в виде V-образных канавок. На рисунках 5 (а) и 5 (б) представлены снимки поверхности делителя пучка в двухканальном и четырехканальном датчике, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Несмотря на то, что шаг расположения V-образных канавок и пирамид варьируется от 100 до 150 мкм, угол наклона граней всегда постоянный и составляет 30°. При изготовлении важно получить очень острые грани, чтобы минимизировать отклонения величины угла отражения от 30°.
На рис.6 показано пространственное распределение чувствительности отдельного канала датчика с разными типами делителей пучка. Измерения проводились путем сканирования апертуры 2,5 мм лазерным пятном диаметром 100 мкм. Слева на рисунке показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде структуры из пирамид размером 10 × 10 и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 30°. В центре показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде структуры из пирамид размером 4 × 4 и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 30°. Справа показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде одной четырехугольной пирамиды и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 15°. Делитель пучка в виде структуры из микропирамид размером 4 × 4 не обеспечивает требуемой однородности чувствительности, тогда как при использовании структуры из микропирамид размером 10 × 10 происходит надлежащее образование отдельных пучков излучения, что в свою очередь обеспечивает достаточную однородность чувствительности. По рисунку справа можно сделать заключение о полной непригодности конструкции с одной пирамидой и кассетой, в которой на фильтр дополнительно попадает часть отраженного излучения с противоположного фильтра. При таком распространении лучей возникают паразитные сигналы.
Датчик с перестраиваемым фильтром
Принцип действия датчика с перестраиваемым фильтром схематически показан на рис.7. Перестраиваемый фильтр представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС, MEMS) с резонатором Фабри-Перо. Держатели зеркал резонатора имеют сравнительно большую толщину; один держатель неподвижен, а второй подвешен на пружинах и может перемещаться по вертикали. Пластины с вытравленными элементами МЭМС и специальным покрытием соединяются непосредственно друг с другом или разделяются слоем фоторезиста SU-8. Такая конструкция имеет среднюю сложность изготовления. Регулирование воздушного зазора между зеркалами резонатора осуществляется электростатическим полем: управляющее напряжение подается между верхним зеркалом и электродом на нижнем держателе.
Перестраиваемый фильтр установлен над пироэлектрическим приемником, обладающим плоской характеристикой спектральной чувствительности (рис.8). Приемник и перестраиваемый фильтр заключены в корпус TO-8 с широкополосным оптическим фильтром. Широкополосный оптический фильтр пропускает только излучение с длинами волн, лежащими в диапазоне перестройки фильтра Фабри-Перо, и блокирует более высокие порядки интерференции и длинноволновое излучение.
Ключевым элементом перестраиваемого фильтра ИК-излучения является стандартный интерферометр Фабри-Перо, выполненный по технологии MEMS (МЭМС – микроэлектромеханические системы). Он представляет собой оптический резонатор, состоящий из двух параллельных зеркал, расположенных на расстоянии d друг от друга. Среда между зеркалами имеет показатель преломления n. Изменяя расстояние между зеркалами, можно регулировать положение полосы пропускания фильтра. На рис.9 схематически показан принцип действия резонатора и изображена зависимость пропускания интерферометра от длины волны λ.
Для перестройки фильтра между 5 мкм и 3 мкм требуется порядок интерференции m = 1 и изменение расстояния между зеркалами резонатора d приблизительно с 2 500 нм до 1 500 нм. Для полос пропускания 100–50 нм требуется точность (отношение FSR к FWHM) от 40 до 80 или отражательная способность зеркал от 92 до 96% соответственно.
Для создания широкополосных отражателей обычно используют распределенные брэгговские отражатели (РБО) [3]. Брэгговские отражатели получают чередованием слоев из материалов с низким (L) и высоким (H) показателем преломления. Оптическая толщина каждого слоя равна четверти длины волны (QWOT, Quarter-Wave Optical Thickness). Таким образом формируются периоды чередования LH (период РБО). Для того чтобы создать широкую зону с большим коэффициентом отражения в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм даже с малым периодом РБО, необходимо использовать тонкие пленки с максимально возможным отношением показателей преломления nH/nL. На рис.10 представлена зависимость коэффициента отражения брэгговских отражателей с разным числом периодов чередования от отношения показателей преломления nH/nL для опорной длины волны 3,5 мкм. Кроме того, для отражателя с периодом 2 показана зависимость ширины полосы пропускания (при коэффициенте отражения 90%) от отношения показателей преломления nH/nL.
Для изготовления отражателей в качестве материала с низким показателем преломления был использован диоксид кремния с показателем преломления 1,38 при длине волны 4 мкм, а в качестве материала с высоким показателем преломления был использован поликристаллический кремний с показателем преломления 3,33 при длине волны 4 мкм. Для получения слоев был использован метод химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ, CVD, Chemical Vapor Deposition). Большая величина отношения показателей преломления nH/nL, равная 2,41, позволила уже из двух пар слоев |LH|2 получить широкую зону с большим коэффициентом отражения для диапазона длин волн 3–5 мкм. Средний и максимальный коэффициенты отражения составили 95% и 96% соответственно [4].
При увеличении числа периодов РБО до трех средний и максимальный коэффициенты отражения увеличиваются до 98% и 99% соответственно, а характеристика зоны с высоким коэффициентом отражения принимает более прямоугольную форму (см. рис. 11). Однако при этом в структуре из трех пар слоев увеличивается шероховатость поверхности пленок, из-за чего заметно снижается производительность [5]. В связи с этим в качестве брэгговского отражателя была выбрана структура с двумя парами слоев |LH|2, а спектральный диапазон 3–5 мкм был разделен на два поддиапазона: 3,0–4,3 мкм и 3,7–5,0 мкм.
На обратную сторону пластины было нанесено просветляющее покрытие для уменьшения потерь на отражение и пульсаций в области с высоким коэффициентом отражения, вызванных многократными отражениями в кремниевой подложке. Как можно видеть на рис.12а, просветляющее покрытие с одним четвертьволновым слоем дает минимальный коэффициент отражения только при опорной длине волны. Многослойная структура, наоборот, увеличивает коэффициент пропускания в более широком диапазоне длин волн. В этой конструкции используется только четвертьволновый слой диоксида кремния в качестве первого слоя и тонкие пленки диоксида кремния и поликристаллического кремния, в которых выполняется условие nd << λ, для обеспечения среднего значения коэффициента отражения [6].
Трехслойное просветляющее покрытие на основе пленок высокой чистоты имеет средний коэффициент отражения 0,6% во всем спектральном диапазоне 3–5 мкм. Минимальный коэффициент отражения составляет 0,3%. На рисунке 12б также можно видеть, что вне области опорной длины волны многослойное просветляющее покрытие уменьшает амплитуду пульсаций и увеличивает коэффициент пропускания намного лучше, чем однослойное просветляющее покрытие.
Для достижения оптимальных условий интерференции фильтр Фабри-Перо изготовлен с применением технологии объемной микрообработки. Оправки обоих зеркал (неподвижного и подвижного) изготовлены из кремниевых пластин толщиной 300 мкм с высоким удельным сопротивлением. Неподвижный отражатель находится в центре и окружен управляющими электродами. Подвижный отражатель удерживается диагонально направленными пружинами, расположенными в углах внешней рамки. Было изготовлено несколько различных подвижных отражателей на пружинах для определения оптимальной конструкции с точки зрения максимального диапазона перестройки фильтра, минимального влияния силы тяжести на центральную длину волны и ширину полосы пропускания, минимального отклонения отражателей от параллельности под действием механических напряжений, а также невысокой сложности изготовления [7]. Конструкция с параллельными пружинами обеспечивает почти идеальное перемещение в вертикальном направлении. Но это только при отсутствии механических напряжений и деформаций в плоскости пластины. Напряжения в продольном направлении не компенсируются пружинами. Они приводят к деформации пружины в вертикальном направлении, как показано на рис.13.
Одним из вариантов решения данной проблемы является использование пружин с компенсаторами механических напряжений, как показано на рис.14а, б. T-образные компенсаторы способствуют уменьшению механических напряжений в продольном направлении, поскольку могут изгибаться в поперечном направлении. Преимуществами такой конструкции являются простота и надежность технологии, большая свобода выбора параметров конструкции и высокая точность изготовления пружин. Технология сухого травления позволяет изготавливать миниатюрные пружины с очень малой шириной прорезей. Следовательно, пружины будут занимать очень мало места даже в фильтрах со сложной конфигурацией, и для электростатического управления может быть использована большая площадь пластины. В сочетании с жидкостным травлением для регулирования толщины пружины можно с высокой точностью изготавливать конструкции требуемой массы.
Результаты измерения коэффициентов пропускания фильтров с коротким и длинным резонатором, представленные на рис.15, 16, подтверждают, что при использовании такой конструкции фильтра достигается высокий коэффициент пропускания и узкая полоса пропускания. Значения FWHM для фильтров с длинным и коротким резонатором составили, соответственно, 100±20 нм и 80±20 нм. Зависимость центральной длины волны от напряжения имеет вид стандартного графика функции квадратного корня. Уменьшение коэффициента пропускания во время перестройки фильтра происходит из-за отклонения подвижного отражателя от горизонтального положения, которое можно объяснить разной жесткостью пружин и неоднородностью электрического поля. Использование в конструкции фильтра пружин с компенсирующими элементами позволило добиться диапазона перестройки около 1300 нм при максимальном управляющем напряжении 27 В.
Сравнение пироэлектрических датчиков с несколькими фильтрами (многоканальных) и с перестраиваемым фильтром
Датчики обоих типов могут работать в схемах (режимах) с усилением тока, и с усилением напряжения. Соответствующие схемы представлены на рис.17. При идентичных основных условиях работы удельная способность обнаружения D* пироэлектрических датчиков в обоих режимах одинакова. Тем не менее, режим с усилением тока имеет некоторые преимущества, поэтому для датчиков с перестраиваемым фильтром данный режим является предпочтительным. АЧХ достаточно плоская вплоть до частоты среза, которая может лежать в диапазоне от 10 до 1000 Гц [8].
В многоканальных датчиках поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму, разделяется на две или четыре части. Однако процессы разделения пучка излучения и спектральной фильтрации происходят одновременно. В датчиках с перестраиваемым фильтром спектральная фильтрация происходит последовательно, так как анализу подвергается весь поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму. Узкополосные фильтры в многоканальных датчиках также основаны на конструкции фильтра Фабри-Перо. В них также используется резонатор с отражателями на основе четвертьволновых (QWOT) диэлектрических слоев. В отличие от перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, узкополосные фильтры могут содержать несколько связанных резонаторов. Таким образом получается более прямоугольная характеристика пропускания, что в свою очередь обеспечивает лучшее согласование со спектрами поглощения отдельных газов.
Многоканальные пироэлектрические датчики лучше подходят для анализа смесей из нескольких известных газов. Типичными примерами успешного применения таких датчиков являются мониторы анестетических газов и аппараты для исследования функции легких. Датчики с перестраиваемым фильтром обеспечивают более высокий уровень эксплуатационной гибкости газоанализатора и позволяют проводить анализ сложных газовых смесей со смежными или перекрывающимися спектрами поглощения. При испытаниях датчиков были успешно измерены концентрации отдельных газов, таких как пары этанола и углекислого газа, и проведен анализ газовой смеси, содержащей метан, пропан и анестезирующие газы. Далее приведена сводная таблица сравнения многоканальных и перестраиваемых датчиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. MolExplorer 3.6, Copyright 2006 PASTECH GmbH
2. Staab J. Industrielle Gasanalyse. – Oldenbourg, München und Wien, 1994.
3. Macleod H.A. Thin-Film optical filters. – IoP, Bristol and Philadelphia, 2001.
4. Kurth S., Hiller K., Neumann N., Heinze M., W.Dötzel, Geßner T. A tunable Fabry-Perot-Interferometer for 3–5 µm wavelength with bulk micromachined reflector carrier. – Proc. SPIE, 2003, v. 4983, 215–226.
5. Neumann N., Hiller K., Kurth S. Micromachined Mid-Infrared Tunable Fabry-Perot Filter. – Proc. 13th Int.Conf. on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005, 1010–1013 Seoul, Korea, June.
6. Stockwell W.H. Coating design using very thin high- and low-index layers. – Appl. Optics, 1985, 24 (4), 457–460.
7. Neumann N., Ebermann M., Hiller K., Kurth S. Tunable infrared detector with integrated micromachined Fabry-Perot filter. – Proc. SPIE, 2007, v. 6466, 646606, p. 1–12.
8. Neumann N., Stegbauer H. – J., Sänze H., Gürtner M., Schneider F. Application of fast response dual-colour pyroelectric detectors with integrated op amp in a low power NDIR gas monitor. – Proc. 8th Int. Conf. for Infrared Sensors and systems, 2004, IRS2, 183–188, Nuremberg, Germany, May.
Введение
В основе работы ИК-газоанализаторов лежит свойство газов селективно поглощать ИК-излучение определенных длин волн. Концентрация того или иного газа определяется путем измерения величины ослабления излучения с определенными длинами волн, которые соответствуют электронным переходам в молекулах обнаруживаемого газа. На рис.1 представлен спектр селективного поглощения ИК-излучения в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм для монооксида углерода, диоксида углерода, пропана, метана и оксида азота (I).
Методы анализа спектра излучения широкополосных излучателей с помощью оптических фильтров играют важную роль в задачах газового анализа в промышленности и медицине. Достаточно часто использование фотометров с оптическими фильтрами относят к числу недисперсионных методов анализа. Это не совсем верно, поскольку действие фильтров основано на явлении интерференции [2].
Схема газоанализатора (рис.2) включает: пробоотборную камеру, в которую закачивается исследуемая газовая смесь, источник ИК-излучения и датчик измерения количества поглощенного излучения. Пироэлектрические датчики находят широкое применение благодаря таким преимуществам, как возможность работы при комнатной температуре без охлаждения, высокой надежности, линейному характеру спектральной чувствительности и низким эксплуатационным затратам. Узкополосные фильтры ИК-излучения выбирают в зависимости от анализируемых веществ. Полоса пропускания фильтра намного шире отдельной линии поглощения и может составлять несколько процентов от центральной длины волны. Например, для измерения содержания CO2 обычно используют фильтр с центральной длиной волны 4,26 мкм и полосой пропускания от 90 до 180 нм (см. рис.1). Зачастую дополнительно используют сравнительный (эталонный) измерительный канал для компенсации погрешностей измерений, связанных с изменениями интенсивности излучения, создаваемого ИК-излучателем.
Для одновременного измерения концентрации нескольких компонентов в многокомпонентных газовых смесях разработано множество различных методов. Один из наиболее распространенных – фотометрический метод анализа с использованием диска со светофильтрами. Каждый фильтр пропускает излучение только с теми длинами волн, которые соответствуют спектру поглощения одного из компонентов газовой смеси. Фильтры поочередно устанавливаются на выходе пробоотборной камеры, и в результате формируется мультиплексированный сигнал, содержащий информацию о концентрации всех компонентов газовой смеси.
Тем не менее, метод анализа с использованием диска со светофильтрами имеет ряд недостатков, как то: большие размеры конструкции, высокое энергопотребление, чувствительность к механическим воздействиям и износ механических компонентов. Датчики с отдельными спектральными каналами лишены этих недостатков. Казалось бы, самое простое решение – поместить несколько приемников излучения в один корпус и получить многоканальный датчик. Однако при этом узкополосные фильтры будут расположены в одной плоскости. Следовательно, потребуется газовая кювета большего диаметра. Может возникнуть и другая проблема – неравномерность потока излучения, вызванная изменениями отражающей способности стенок кюветы или смещением источника излучения. Компания InfraTec предлагает два типа датчиков, конструкция которых исключает появление подобной проблемы. Это: многоканальный датчик со встроенным делителем пучка излучения и датчик с изменяемой полосой пропускания на основе перестраиваемого фильтра Фабри-Перо.
Многоканальный датчик
Принцип действия многоканального датчика со встроенным делителем пучка показан на рис.4. Проходящий через апертурную диафрагму поток ИК-излучения попадает на делитель пучка и разделяется на четыре части. Каждый отраженный пучок проходит через ИК-фильтр и падает на пироэлектрический приемник. Делители пучка представляют собой пластины, на поверхности которых методом микрообработки сформированы микроструктуры, расположенные с шагом 100 или 150 мкм для обеспечения равномерного распределения потока излучения. Поверхность делителей пучка позолочена. Фильтры установлены под определенным углом, чтобы отраженное излучение падало на них перпендикулярно. Такая конструкция предотвращает смещение кривой пропускания фильтра в область более коротких волн и исключает влияние противоположного фильтра.
В отличие от других многоканальных датчиков, у датчика с делителем пучка всего одна апертурная диафрагма, что позволяет использовать газовую кювету меньшего диаметра и, следовательно, пробы меньшего объема. Это в свою очередь ускоряет процесс обновления пробы газа и позволяет использовать сенсорные модули меньшего размера. Помимо четырехканальных датчиков с делителями пучка в виде четырехугольных микропирамид, компания InfraTec выпускает двухканальные датчики с делителями пучка с микроструктурой в виде V-образных канавок. На рисунках 5 (а) и 5 (б) представлены снимки поверхности делителя пучка в двухканальном и четырехканальном датчике, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ). Несмотря на то, что шаг расположения V-образных канавок и пирамид варьируется от 100 до 150 мкм, угол наклона граней всегда постоянный и составляет 30°. При изготовлении важно получить очень острые грани, чтобы минимизировать отклонения величины угла отражения от 30°.
На рис.6 показано пространственное распределение чувствительности отдельного канала датчика с разными типами делителей пучка. Измерения проводились путем сканирования апертуры 2,5 мм лазерным пятном диаметром 100 мкм. Слева на рисунке показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде структуры из пирамид размером 10 × 10 и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 30°. В центре показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде структуры из пирамид размером 4 × 4 и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 30°. Справа показано распределение чувствительности при использовании делителя пучка в виде одной четырехугольной пирамиды и кассеты с фильтрами с углом наклона сторон 15°. Делитель пучка в виде структуры из микропирамид размером 4 × 4 не обеспечивает требуемой однородности чувствительности, тогда как при использовании структуры из микропирамид размером 10 × 10 происходит надлежащее образование отдельных пучков излучения, что в свою очередь обеспечивает достаточную однородность чувствительности. По рисунку справа можно сделать заключение о полной непригодности конструкции с одной пирамидой и кассетой, в которой на фильтр дополнительно попадает часть отраженного излучения с противоположного фильтра. При таком распространении лучей возникают паразитные сигналы.
Датчик с перестраиваемым фильтром
Принцип действия датчика с перестраиваемым фильтром схематически показан на рис.7. Перестраиваемый фильтр представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС, MEMS) с резонатором Фабри-Перо. Держатели зеркал резонатора имеют сравнительно большую толщину; один держатель неподвижен, а второй подвешен на пружинах и может перемещаться по вертикали. Пластины с вытравленными элементами МЭМС и специальным покрытием соединяются непосредственно друг с другом или разделяются слоем фоторезиста SU-8. Такая конструкция имеет среднюю сложность изготовления. Регулирование воздушного зазора между зеркалами резонатора осуществляется электростатическим полем: управляющее напряжение подается между верхним зеркалом и электродом на нижнем держателе.
Перестраиваемый фильтр установлен над пироэлектрическим приемником, обладающим плоской характеристикой спектральной чувствительности (рис.8). Приемник и перестраиваемый фильтр заключены в корпус TO-8 с широкополосным оптическим фильтром. Широкополосный оптический фильтр пропускает только излучение с длинами волн, лежащими в диапазоне перестройки фильтра Фабри-Перо, и блокирует более высокие порядки интерференции и длинноволновое излучение.
Ключевым элементом перестраиваемого фильтра ИК-излучения является стандартный интерферометр Фабри-Перо, выполненный по технологии MEMS (МЭМС – микроэлектромеханические системы). Он представляет собой оптический резонатор, состоящий из двух параллельных зеркал, расположенных на расстоянии d друг от друга. Среда между зеркалами имеет показатель преломления n. Изменяя расстояние между зеркалами, можно регулировать положение полосы пропускания фильтра. На рис.9 схематически показан принцип действия резонатора и изображена зависимость пропускания интерферометра от длины волны λ.
Для перестройки фильтра между 5 мкм и 3 мкм требуется порядок интерференции m = 1 и изменение расстояния между зеркалами резонатора d приблизительно с 2 500 нм до 1 500 нм. Для полос пропускания 100–50 нм требуется точность (отношение FSR к FWHM) от 40 до 80 или отражательная способность зеркал от 92 до 96% соответственно.
Для создания широкополосных отражателей обычно используют распределенные брэгговские отражатели (РБО) [3]. Брэгговские отражатели получают чередованием слоев из материалов с низким (L) и высоким (H) показателем преломления. Оптическая толщина каждого слоя равна четверти длины волны (QWOT, Quarter-Wave Optical Thickness). Таким образом формируются периоды чередования LH (период РБО). Для того чтобы создать широкую зону с большим коэффициентом отражения в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм даже с малым периодом РБО, необходимо использовать тонкие пленки с максимально возможным отношением показателей преломления nH/nL. На рис.10 представлена зависимость коэффициента отражения брэгговских отражателей с разным числом периодов чередования от отношения показателей преломления nH/nL для опорной длины волны 3,5 мкм. Кроме того, для отражателя с периодом 2 показана зависимость ширины полосы пропускания (при коэффициенте отражения 90%) от отношения показателей преломления nH/nL.
Для изготовления отражателей в качестве материала с низким показателем преломления был использован диоксид кремния с показателем преломления 1,38 при длине волны 4 мкм, а в качестве материала с высоким показателем преломления был использован поликристаллический кремний с показателем преломления 3,33 при длине волны 4 мкм. Для получения слоев был использован метод химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ, CVD, Chemical Vapor Deposition). Большая величина отношения показателей преломления nH/nL, равная 2,41, позволила уже из двух пар слоев |LH|2 получить широкую зону с большим коэффициентом отражения для диапазона длин волн 3–5 мкм. Средний и максимальный коэффициенты отражения составили 95% и 96% соответственно [4].
При увеличении числа периодов РБО до трех средний и максимальный коэффициенты отражения увеличиваются до 98% и 99% соответственно, а характеристика зоны с высоким коэффициентом отражения принимает более прямоугольную форму (см. рис. 11). Однако при этом в структуре из трех пар слоев увеличивается шероховатость поверхности пленок, из-за чего заметно снижается производительность [5]. В связи с этим в качестве брэгговского отражателя была выбрана структура с двумя парами слоев |LH|2, а спектральный диапазон 3–5 мкм был разделен на два поддиапазона: 3,0–4,3 мкм и 3,7–5,0 мкм.
На обратную сторону пластины было нанесено просветляющее покрытие для уменьшения потерь на отражение и пульсаций в области с высоким коэффициентом отражения, вызванных многократными отражениями в кремниевой подложке. Как можно видеть на рис.12а, просветляющее покрытие с одним четвертьволновым слоем дает минимальный коэффициент отражения только при опорной длине волны. Многослойная структура, наоборот, увеличивает коэффициент пропускания в более широком диапазоне длин волн. В этой конструкции используется только четвертьволновый слой диоксида кремния в качестве первого слоя и тонкие пленки диоксида кремния и поликристаллического кремния, в которых выполняется условие nd << λ, для обеспечения среднего значения коэффициента отражения [6].
Трехслойное просветляющее покрытие на основе пленок высокой чистоты имеет средний коэффициент отражения 0,6% во всем спектральном диапазоне 3–5 мкм. Минимальный коэффициент отражения составляет 0,3%. На рисунке 12б также можно видеть, что вне области опорной длины волны многослойное просветляющее покрытие уменьшает амплитуду пульсаций и увеличивает коэффициент пропускания намного лучше, чем однослойное просветляющее покрытие.
Для достижения оптимальных условий интерференции фильтр Фабри-Перо изготовлен с применением технологии объемной микрообработки. Оправки обоих зеркал (неподвижного и подвижного) изготовлены из кремниевых пластин толщиной 300 мкм с высоким удельным сопротивлением. Неподвижный отражатель находится в центре и окружен управляющими электродами. Подвижный отражатель удерживается диагонально направленными пружинами, расположенными в углах внешней рамки. Было изготовлено несколько различных подвижных отражателей на пружинах для определения оптимальной конструкции с точки зрения максимального диапазона перестройки фильтра, минимального влияния силы тяжести на центральную длину волны и ширину полосы пропускания, минимального отклонения отражателей от параллельности под действием механических напряжений, а также невысокой сложности изготовления [7]. Конструкция с параллельными пружинами обеспечивает почти идеальное перемещение в вертикальном направлении. Но это только при отсутствии механических напряжений и деформаций в плоскости пластины. Напряжения в продольном направлении не компенсируются пружинами. Они приводят к деформации пружины в вертикальном направлении, как показано на рис.13.
Одним из вариантов решения данной проблемы является использование пружин с компенсаторами механических напряжений, как показано на рис.14а, б. T-образные компенсаторы способствуют уменьшению механических напряжений в продольном направлении, поскольку могут изгибаться в поперечном направлении. Преимуществами такой конструкции являются простота и надежность технологии, большая свобода выбора параметров конструкции и высокая точность изготовления пружин. Технология сухого травления позволяет изготавливать миниатюрные пружины с очень малой шириной прорезей. Следовательно, пружины будут занимать очень мало места даже в фильтрах со сложной конфигурацией, и для электростатического управления может быть использована большая площадь пластины. В сочетании с жидкостным травлением для регулирования толщины пружины можно с высокой точностью изготавливать конструкции требуемой массы.
Результаты измерения коэффициентов пропускания фильтров с коротким и длинным резонатором, представленные на рис.15, 16, подтверждают, что при использовании такой конструкции фильтра достигается высокий коэффициент пропускания и узкая полоса пропускания. Значения FWHM для фильтров с длинным и коротким резонатором составили, соответственно, 100±20 нм и 80±20 нм. Зависимость центральной длины волны от напряжения имеет вид стандартного графика функции квадратного корня. Уменьшение коэффициента пропускания во время перестройки фильтра происходит из-за отклонения подвижного отражателя от горизонтального положения, которое можно объяснить разной жесткостью пружин и неоднородностью электрического поля. Использование в конструкции фильтра пружин с компенсирующими элементами позволило добиться диапазона перестройки около 1300 нм при максимальном управляющем напряжении 27 В.
Сравнение пироэлектрических датчиков с несколькими фильтрами (многоканальных) и с перестраиваемым фильтром
Датчики обоих типов могут работать в схемах (режимах) с усилением тока, и с усилением напряжения. Соответствующие схемы представлены на рис.17. При идентичных основных условиях работы удельная способность обнаружения D* пироэлектрических датчиков в обоих режимах одинакова. Тем не менее, режим с усилением тока имеет некоторые преимущества, поэтому для датчиков с перестраиваемым фильтром данный режим является предпочтительным. АЧХ достаточно плоская вплоть до частоты среза, которая может лежать в диапазоне от 10 до 1000 Гц [8].
В многоканальных датчиках поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму, разделяется на две или четыре части. Однако процессы разделения пучка излучения и спектральной фильтрации происходят одновременно. В датчиках с перестраиваемым фильтром спектральная фильтрация происходит последовательно, так как анализу подвергается весь поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму. Узкополосные фильтры в многоканальных датчиках также основаны на конструкции фильтра Фабри-Перо. В них также используется резонатор с отражателями на основе четвертьволновых (QWOT) диэлектрических слоев. В отличие от перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, узкополосные фильтры могут содержать несколько связанных резонаторов. Таким образом получается более прямоугольная характеристика пропускания, что в свою очередь обеспечивает лучшее согласование со спектрами поглощения отдельных газов.
Многоканальные пироэлектрические датчики лучше подходят для анализа смесей из нескольких известных газов. Типичными примерами успешного применения таких датчиков являются мониторы анестетических газов и аппараты для исследования функции легких. Датчики с перестраиваемым фильтром обеспечивают более высокий уровень эксплуатационной гибкости газоанализатора и позволяют проводить анализ сложных газовых смесей со смежными или перекрывающимися спектрами поглощения. При испытаниях датчиков были успешно измерены концентрации отдельных газов, таких как пары этанола и углекислого газа, и проведен анализ газовой смеси, содержащей метан, пропан и анестезирующие газы. Далее приведена сводная таблица сравнения многоканальных и перестраиваемых датчиков.
ЛИТЕРАТУРА
1. MolExplorer 3.6, Copyright 2006 PASTECH GmbH
2. Staab J. Industrielle Gasanalyse. – Oldenbourg, München und Wien, 1994.
3. Macleod H.A. Thin-Film optical filters. – IoP, Bristol and Philadelphia, 2001.
4. Kurth S., Hiller K., Neumann N., Heinze M., W.Dötzel, Geßner T. A tunable Fabry-Perot-Interferometer for 3–5 µm wavelength with bulk micromachined reflector carrier. – Proc. SPIE, 2003, v. 4983, 215–226.
5. Neumann N., Hiller K., Kurth S. Micromachined Mid-Infrared Tunable Fabry-Perot Filter. – Proc. 13th Int.Conf. on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 2005, 1010–1013 Seoul, Korea, June.
6. Stockwell W.H. Coating design using very thin high- and low-index layers. – Appl. Optics, 1985, 24 (4), 457–460.
7. Neumann N., Ebermann M., Hiller K., Kurth S. Tunable infrared detector with integrated micromachined Fabry-Perot filter. – Proc. SPIE, 2007, v. 6466, 646606, p. 1–12.
8. Neumann N., Stegbauer H. – J., Sänze H., Gürtner M., Schneider F. Application of fast response dual-colour pyroelectric detectors with integrated op amp in a low power NDIR gas monitor. – Proc. 8th Int. Conf. for Infrared Sensors and systems, 2004, IRS2, 183–188, Nuremberg, Germany, May.
Отзывы читателей
