Технические науки/6. Электротехника и радиоэлектроника

д.т.н. Осадчук В. С., д.т.н. Осадчук О. В., Барабан С. В., Ільченко О. М.

Вінницький національний технічний університет, Україна

Аналіз методів вимірювання температури на основі піроелектриків

 

Піроелектричні матеріали знаходять широке застосування в якості сенсорних пристроїв різного призначення, детекторів і приймачів випромінювань, датчиків теплометричних приладів. Використовується головним чином їх основна властивість – будь-який вид радіації, що потрапляє на піроелектричний зразок, викликає зміну його температури і відповідну зміну поляризації[1]. При значній кількості сучасних технічних приладів, реалізованих на основі властивостей піроелектриків, зокрема енергонезалежна пам'ять, динамічна пам'ять, конденсатори, поверхневі акустичні хвилі, мікроактюатори, дефлектори[2], в даній статті хочеться зупинитися на використанні піроматеріалів так би мовити за «прямим» призначенням – перетворювачів тепла. Спробуємо проаналізувати в рамках однієї статті, наскільки це можливо, існуючі найбільш поширені методи використання піроелектриків в якості сенсорів температури.

Основною вхідною дією на піроелектричні перетворювачі є теплова, при декількох діях – теплова і механічна, теплова і електрична і т.д. Перелічені дії незалежно від їх фізичної природи по характеру формування електричного сигналу поділяються на генераторні і параметричні, в зв’язку з чим еквівалентну схему піроелектричного сенсора можна представити у вигляді паралельного (при вимірюванні струму) або послідовного (при вимірюванні напруги) з’єднання конденсатора і генератора (джерела струму або напруги) [3], як показано на  рис. 1.

 

Рис. 1. Еквівалентна схема піроелектричного сенсора

Рис. 2. Ввімкнення піроелектричного перетворювача у зовнішнє коло

В піроелектричному перетворювачі (рис. 2) полярний діелектрик використовується у вигляді пластини 1, покритої металічними електродами 2, до яких під’єднанні зовнішні виводи 3. Внаслідок електростатичної індукції в електродах і зовнішніх виводах потенціал зовнішніх виводів співпадає по знаку з приростом зв’язаного заряду на відповідній стороні піроелектрика. Піроелектрик володіє об’ємною провідністю, врахованою навантаженням витікання R[4].

Розглянемо принцип перетворення температури в електричний сигнал. Структурна схема перетворення в чутливому елементі більшості піроелектричних пристроїв (рис. 3) складається з трьох етапів[5]:

1. W - T: теплова дія W викликає зміну температури T піроелектрика.

2. T - Q: зміна температури T зумовлює появу зарядів Q на електродах піроелектрика.

Рис. 3. Структурна схема піроелектричних перетворювачів

3. Q – U: заряд Q на електродах піроелектрика створює різницю потенціалів U, значення якої залежить від власної ємності піроелектрика та імпендансу навантаження.

По функціональному призначенню перетворювачі, побудовані по цій схемі є сенсорами.

Піроелектричні сенсори, які являють собою кристали піроелектриків з приєднаними виводами, обов’язково потребують схеми підсилення вихідного сигналу U. Щоб підсилити піроелектричний сигнал для подальшої обробки використовують два типи схем підсилення: напруга на навантаженні піроелектрика (рис. 4а) і підсилення зі 100%-им від’ємним зворотнім зв’язком по заряду (рис. 4б). Вихідна напруга цієї схеми пропорційна електричному заряду на електродах піроелектрика[5].

Рис. 4. Схема підсилення напруги (а) і схема з від’ємним зворотним зв’язком по заряду (б) піроелектричних сенсорів (1 – піроприймач)

Схема на основі операційного підсилювача з колом зворотного зв’язку (рис. 4б) дозволяє регулювати його коефіцієнт підсилення. Як показано в [5], використання операційного підсилювача призводить до значного підсилення чутливості піроелектричного сенсора, яка обмежується умовами теплоізоляції і конструктивними параметрами піроприймача.

Після підсилення піроелектричний сигнал потребує подальшої обробки, перетворення у зручну для аналізу форму. В сучасних системах для вимірювання температури з такими піроелектричними сенсорами обов’язковим пристроєм є аналого-цифровий перетворювач.

Крім структурної схеми перетворення в чутливому елементі поданої на рис. 3 існують інші схеми [5], серед яких для нашого огляду становить інтерес подана на рис. 5.

Рис. 5 – Структурна схема піроелектричних перетворювачів

W, B – відповідно теплова і параметрична дія

В перетворювачі, побудованому по структурній схемі рис. 5 можливе однозначне визначення В при незалежній зміні W. В даній схемі теплова дія W відбувається одночасно на два чутливих елемента, які здійснюють по цій дії однакове перетворення f(W), так що для В=const U1~f(W) і U2~f(W). Під дією В також одночасно змінюються параметри однотипних етапів обох чутливих елементів, так що U1=f(W)f1(B) і U2=f(W)f2(B). Напруги U1 і U2 подаються на блок відношення, вихідна напруга якого U=f1(B)/f2(B)=f(B) визначаються тільки величиною В. Дана структурна схема була покладена в основу піроелектричних термометрів, які вимірюють як абсолютну температуру, так і її приріст[5]. Конструктивною основою таких перетворювачів є піроелектрична пластина з електродами, нанесеними на полярний зріз. Розглянемо спочатку піроелектричні термометри, які вимірюють малі температурні прирости.      

                                    а)                               б)                           в)

Рис. 6. Конструкції піроелектричних термометрів:

а) пластинчастий; б) порожнинчастий відкритий; в) порожнинчастий закритий; 1 – піроелектрик; 2 – електроди піроелектрика; 3 – жорстка оболонка (балон); 4 – зовнішні виводи; 5 – використовувана речовина

Такі піротермометри по конструкції чутливого елемента поділяються на дві групи (рис. 6): пластинчасті (чутливий елемент уявляє собою суцільну пластину) і порожнинчасті (чутливий елемент має вигляд замкнутої або відкритої порожнини). Чутливі елементи піротермометрів покривають жорсткою або м’якою захисною оболонкою і вводять в тепловий контакт з вимірюваним об’єктом. Рахують, що термометр суттєво не змінює початкового теплового поля. Зарядовий характер вихідного сигналу визначає і основну вимогу до схем ввімкнення піротермометра - максимально довше зберігання інформації про сумарну величину заряду, яка генерується термометром за необхідний проміжок часу. Безпосередньо вимірювати заряд доцільно статичним компенсаційним методом, схема якого зображена на рис. 7[6,7].

Рис. 7. Схема компенсаційного методу вимірювання заряду піротермометра

Можливості піроелектричних термометрів значно розширюються, зокрема з’являється можливість вимірювання абсолютної температури, якщо їх конструкція і схема ввімкнення виконанні по схемі перетворення рис. 5. В цьому випадку навколишня температура може розглядатися як параметрична дія В на двохелементний термометр (рис. 8). Для  визначення В необхідно різне розподілення властивостей елементів по даному параметру (температурі). Найпростіше реалізується  виготовленням елементів із різнорідних піроелектричних матеріалів з достатньо великим температурним коефіцієнтом залежностей .

Рис. 8. Схема перетворень піроелектричної напруги елементів термометра

1, 2 – елементи піротермометра, який відрізняється температурною залежністю

Вимірювання температури об’єкту викликає появу напруг U1 і U2 на елементах термометра, які підсилюються електрометричними підсилювачами і подаються на блок ділення. Вихідна напруга блоку з необхідною Т і використовується для керування параметричною поправкою вихідної напруги підсилювача першого елемента, яке пропорційне приросту температури[8].

Недоліком систем вимірювання температури на основі піротермометрів як видно є складність їх будови, а також неможливість проводити вимірювання у важкодоступних технічних об’єктів, об’єктів, які знаходяться під електричним потенціалом, у радіоактивному або агресивному середовищі.

Японська фірма Murata [9] розробила унікальну технологію створення елементної бази на основі піроелектричної кераміки і випускає серію інфрачервоних сенсорів IRA, які володіють високою чутливістю і надійністю. Розглянемо більш детально сенсори цієї фірми, які використовуються в побутовій техніці.

 

 

 

 

 

 

                     а)                                                                        б)

в)

Рис. 9. Піроелектричні інфрачервоні сенсори серії IRA фірми Murata

Сенсор IRA-Е710ST1 (рис. 9а) містить два піроприймача і його температурний діапазон -40…70 оС. Сенсор IRA-E910ST1 (рис. 9б) містить чотири піроприймача і його температурний діапазон -25…55 оС. IRA-940ST1 (рис. 9в) – багатоелементний сенсор з двополярним виходом і температурним режимом -25…55 оС.

 Як видно з рис. 9 для підсилення сигналів і узгодження високого вихідного опору пасивних піроприймачів з наступними функціональними вузлами вимірювальних пристроїв, в склад сенсорів вмикають додаткові схеми попередньої обробки. Найбільш часто застосовують однокаскадні та двохкаскадні підсилювачі на польових транзисторах (рис. 9), які володіють добрим узгодженням по високим значенням вхідного і вихідного опорів.

З метою зниження рівня ВЧ шумів між електродами сенсора і загальним виводом (корпусом) вмикають, як показано на рис. 9а,б блокувальні конденсатори малої ємності, які не впливають на НЧ корисний сигнал, але шунтують наведені завади.

Багатоелементні піроелектричні сенсори з двополярним виходом використовують для обробки сигналу два симетричні каскади на польових транзисторах, як показано на рис. 9в. В цьому випадку актуальною стає проблема підбору ідентичних параметрів кожного плеча схеми. Розузгодження підсилювача призводить до появи викривлень у вихідному сигналі сенсора. Через неможливість усунення технологічного розкиду характеристик транзисторів, вирівнювання режимів роботи підсилювальної схеми здійснюється підбіркою або підгонкою резисторів RG (рис. 9в).

В даній статті хочеться виділити і розглянути інтегровані датчики потужності випромінювань (ДПВ) на основі комбінованих твердотільних структур[10]. Дані ДПВ використовуються як сенсори температури в системі автоматизованого керування і контролю параметрів печі ІЧ-сушіння виробів електронної техніки[11]. В основі ДПВ лежить біполярний транзистор з польовим керуванням (БТПК). Розглянемо будову і принцип роботи ДПВ більш детально. Узагальнена конструкція ДПВ наведено на рис. 10.

Рис. 10. Узагальнена схема ДПВ

ДПВ містять чутливий елемент (ЧЕ) – поглинач випромінювань, керуючий елемент (КЕ) – піроелектричний перетворювач і виконавчий елемент (ВЕ) – БТПК. Робота ДПВ супроводжується зміною вихідного параметра ВЕ в результаті зміни потенціалу на одному з електродів БТПК, електрично з’єднаному з піроелектриком. Нагрівання піроелектрика відбувається за рахунок перетворення потужності сигналу в теплоту за допомогою ЧЕ[10]. Розроблені структури ДПВ, наведені на рис. 11[10], відповідно до яких вимірювальний перетворювач містить підкладку 1, із кремнію n-типу з орієнтацією (100), на якій виконана ізопланарна транзисторна структура з бічною SiO2 –ізоляцією, у якій за допомогою анізотропного травлення виконаний паз 2, дно якого розташоване в області колектора 3, а області бази 4 і емітеру 5 обмежені однією зі стінок паза, на стінках паза сформований шар SiO2  - 6 і додатковий польовий електрод – затвор 7. На колекторний контакт 8 послідовно наносяться шари піроелектрика 9 і металовуглицевого композита 10, що здійснюють перетворення потужності сигналу.

Розроблено [10] кілька видів конструктивно-технологічного виконання ДПВ (рис. 11):

а) з ЧЕ і КЕ в ланцюзі колектора БТПК;

б) з ЧЕ і КЕ в ланцюзі затвора БТПК;

в) з ЧЕ і КЕ в ланцюзі бази БТПК.

  

                         а)                                                                  б)

           в)

Рис. 11. Варіанти структур ДПВ

         Вихідний сигнал даних ДПВ у вигляді електричного струму, що зумовлює збільшення похибки вимірювань та знижує економічність систем для вимірювання температури на їх основі.

         На основі огляду методів вимірювання температури на основі піроелектриків поданих у даній статті можна зробити загальний висновок про складність вимірювання, а якщо проаналізувати більш детально, то підсумуємо наступне:

1)                              низька точність вимірювання, яка падає після кожної ланки обробки вихідного сигналу (який вже йде з похибкою зумовленою особливостями будови піроматеріалів і додатковими паразитними фізичними ефектами, окрім піроефекту), оскільки кожна схема, будь-то підсилення, обробки має власну похибку;

2)                              низька економічність пристрою, зумовлена наявністю схем підсилення, АЦП;

3)                              низька завадостійкість;

4)                              неможливість передачі інформації на відстань.

Як вихід з цих проблем і альтернативу вже існуючим і широко використовуваним в техніці методам вимірювання температури на основі піроелектриків автори статті пропонують власний метод на основі розроблюваних ними і поки що не впроваджених у виробництво мікроелектронних піроелектричних  сенсорів з частотним виходом. В основі даних сенсорів вимірювання температури через теплову потужність лежить використання в основі автогенераторів, описаних в [12], а також узагальненої схеми, поданої на рис. 10. Частотний вихід мікроелектронних сенсорів дозволить подолати окреслені вище чотири проблеми існуючих систем вимірювання температури, а можливість безконтактного вимірювання ними температури дозволить проводити вимірювання у важкодоступних технічних об’єктів, об’єктів, які знаходяться під електричним потенціалом, у радіоактивному або агресивному середовищі.

 

Література

1.        Струков Б.А. Пироэлектрические материалы: свойства и применения // Соросовский образовательный журнал. 1998. №5. - С. 96-104

2.        Сигов А.С. Сегнетоэлектрические тонкие пленки в микроэлектронике // Соросовский образовательный журнал. 1996. №10. - С. 83-91

3.        Виглеб Т. Датчики. – М.: Мир, 1989. – С. 196

4.        Гаврилова Н.Д., Данилычева М.Н., Новик В.К. Пироэлектричество, - М.: Сов. рад., 1989. – С. 154

5.        Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи – М.: Советское радио, 1979. – С. 176

6.        Сонин А.С., Струков Б.А. Введение в сегнетоэлектричество. М., «Высшая школа», 1970. – С. 162

7.        Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Ройтберг М.Б., Рабинович А.З. Методы обнаружения и исследования пироэффекта. – «Электронная техника. Серия 14. Материалы», 1969, выпуск 1. - С. 167-173.

8.        Иванов Н.Р., Пельц С.Д., Шувалов Л.А., Чингина Ю.А. Пироэффект в тригидроселените лития. – В книге: Материалы семинара МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, май 1972, М., О-во «Знание», 1972. - С. 111-113.

9.        www.murata.com/catalog/s21e5.pdf

10.    Костенко В.Л., Швец Е.Я., Киселев Е.Н., Омельчук Н.А. Измерительные преобразователи на основе комбинированных твердотельных структур – Запорожье, издательство ЗГИА, 2001. - С. 101 

11.    Костенко В.Л., Швец Е.Я., Максименюк А.В., Киселев Е.Н. Особенности построения корпоративных сетей интеллектуальных датчиков параметров технологических процессов/ Металлургия (сб. научных трудов)/ отв. ред. Колесник Н.Ф., Колобов Г.А. – Запорожье: ЗГИА, 2003. – выпуск 8 – С. 146-148.

12.    Осадчук О.В. Мікроелектронні частотні перетворювачі на основі транзисторних структур з від’ємним опором. – Вінниця: «УНІВЕРСУМ-Вінниця», 2000 – С. 303