Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения
Разработанные сенсоры метана и диоксида углерода учитывают особенности спектральных характеристик источников и приемников излучения среднего ИК-диапазона спектра и обладают высокой чувствительностью....
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2010
|
| Назва видання: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51951 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения / В.Н. Кабаций // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 3. — С. 29-34. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-51951 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-519512013-12-21T03:15:51Z Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения Кабаций, В.Н. Сенсоэлектроника Разработанные сенсоры метана и диоксида углерода учитывают особенности спектральных характеристик источников и приемников излучения среднего ИК-диапазона спектра и обладают высокой чувствительностью. Запропоновано конструкції оптоелектронних сенсорів наметан і двоокис вуглецю, які враховують особливості спектральних характеристик джерел випромінювання та приймачів середнього ІЧ-діапазона спектра. Показано можливість використання оптоелектронних сенсорів для вимірювання концентрації газів у діапазоні 0,3% від об'єму. The constructions of optoelectronic sensors to methane and carbon dioxide, taking into account the peculiarities of spectral characteristics of sources and receivers of medium IR-diapason spectrum are proposed. The possibility of use of optoelectronic sensors for the measuring of CH₄ and CO₂ concentration in diapason 0,3 vol.% is demonstrated. 2010 Article Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения / В.Н. Кабаций // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 3. — С. 29-34. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. 2225-5818 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51951 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Сенсоэлектроника Сенсоэлектроника |
| spellingShingle |
Сенсоэлектроника Сенсоэлектроника Кабаций, В.Н. Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description |
Разработанные сенсоры метана и диоксида углерода учитывают особенности спектральных характеристик источников и приемников излучения среднего ИК-диапазона спектра и обладают высокой чувствительностью. |
| format |
Article |
| author |
Кабаций, В.Н. |
| author_facet |
Кабаций, В.Н. |
| author_sort |
Кабаций, В.Н. |
| title |
Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения |
| title_short |
Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения |
| title_full |
Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения |
| title_fullStr |
Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения |
| title_full_unstemmed |
Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения |
| title_sort |
оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ик-излучения |
| publisher |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| publishDate |
2010 |
| topic_facet |
Сенсоэлектроника |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/51951 |
| citation_txt |
Оптоэлектронные сенсоры газов на основе многоэлементных источников ИК-излучения / В.Н. Кабаций // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2010. — № 3. — С. 29-34. — Бібліогр.: 12 назв. — рос. |
| series |
Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| work_keys_str_mv |
AT kabacijvn optoélektronnyesensorygazovnaosnovemnogoélementnyhistočnikovikizlučeniâ |
| first_indexed |
2025-07-04T14:14:50Z |
| last_indexed |
2025-07-04T14:14:50Z |
| _version_ |
1836726139184218112 |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 3
29
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
17.03 2010 ã.
Îïïîíåíò ä. ò. í. Â. Â. ÄÀÍÈËÎÂ
(ÄîíÍÓ, ã. Äîíåöê)
Ê. ô.-ì. í. Â. Í. ÊÀÁÀÖÈÉ
Óêðàèíà, Ìóêà÷åâñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò
E-mail: vm@msu.edu.ua
ÎÏÒÎÝËÅÊÒÐÎÍÍÛÅ ÑÅÍÑÎÐÛ ÃÀÇÎÂ
ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÌÍÎÃÎÝËÅÌÅÍÒÍÛÕ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÎÂ
ÈÊ-ÈÇËÓ×ÅÍÈß
Ðàçðàáîòàííûå ñåíñîðû ìåòàíà è äè-
îêñèäà óãëåðîäà ó÷èòûâàþò îñîáåííî-
ñòè ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê èñ-
òî÷íèêîâ è ïðèåìíèêîâ èçëó÷åíèÿ ñðåä-
íåãî ÈÊ-äèàïàçîíà ñïåêòðà è îáëàäà-
þò âûñîêîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ.
Àêòóàëüíîé çàäà÷åé â îáëàñòè êîíòðîëÿ òåõíîëî-
ãè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ïðîìûøëåííîì ïðîèçâîäñòâå
è òåïëîýíåðãåòèêå, ýêîëîãè÷åñêîãî êîíòðîëÿ âûáðî-
ñîâ çàãðÿçíÿþùèõ ãàçîâ â àòìîñôåðó ÿâëÿåòñÿ èçìå-
ðåíèå êîíöåíòðàöèè ìîëåêóëÿðíûõ êîìïîíåíòîâ ãà-
çîâîé ñìåñè. Çàãðÿçíÿþùèå àòìîñôåðó ãàçû îáðàçó-
þòñÿ ïðè íåïîëíîì ñãîðàíèè òîïëèâà â äâèãàòåëÿõ
àâòîìîáèëåé è ðàçëè÷íûõ ïå÷àõ, âûäåëÿþòñÿ èç ñî-
âðåìåííûõ îòäåëî÷íûõ ìàòåðèàëîâ è óïàêîâîê ïðè
èõ òëåíèè èëè ãîðåíèè, à òàêæå ïðè ïèðîëèçå èëè íå-
ñòàíäàðòíûõ ðåæèìàõ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ ýëåêòðîîáî-
ðóäîâàíèÿ. Ýôôåêòèâíî îöåíèòü ñîñòîÿíèå àòìîñôå-
ðû è êîíöåíòðàöèþ âðåäíûõ ãàçîâ â íåé ìîæíî òîëü-
êî ïðè óñëîâèè îáúåêòèâíîãî êîíòðîëÿ èíñòðóìåí-
òàëüíûìè ñðåäñòâàìè.
Íà ïðàêòèêå äëÿ àíàëèçà ñîñòàâà ìíîãîêîìïîíåíò-
íûõ ãàçîâûõ ñìåñåé øèðîêî èñïîëüçóåòñÿ ìåòîä èí-
ôðàêðàñíîé (ÈÊ) ñïåêòðîñêîïèè. Íàëè÷èå óçêèõ ñå-
ëåêòèâíûõ ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ ðàçíîé èíòåíñèâíîñòè
â ñðåäíåé ÈÊ-îáëàñòè ñïåêòðà, õàðàêòåðíûõ äëÿ êàæ-
äîãî àíàëèçèðóåìîãî êîìïîíåíòà, ïîçâîëÿåò âûáè-
ðàòü îïòèìàëüíûå óñëîâèÿ äëÿ èçìåðåíèÿ êîíöåíòðà-
öèè ïàðîâ âîäû, ìåòàíà, îêñèäà è äèîêñèäà óãëåðî-
äà. Â ïîñëåäíèå ãîäû íàáëþäàåòñÿ ïåðåõîä îò òðàäè-
öèîííûõ ñðåäñòâ àíàëèçà ãàçà, â êîòîðûõ èñïîëüçó-
þòñÿ ëàìïû íàêàëèâàíèÿ, îïòè÷åñêèå ôèëüòðû è ìå-
õàíè÷åñêèå ìîäóëÿòîðû èçëó÷åíèÿ, ê ìíîãîôóíêöè-
îíàëüíûì ïðèáîðàì ãàçîâîãî àíàëèçà íîâîãî ïîêî-
ëåíèÿ, ðàçðàáîòàííûì è èçãîòîâëåííûì íà ñîâðåìåí-
íîé ýëåìåíòíîé áàçå [1, 2]. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî îñíîâíû-
ìè ýëåìåíòàìè ñîâðåìåííîãî îïòîýëåêòðîííîãî ñåí-
ñîðà ÿâëÿþòñÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûå èñòî÷íèêè è ôî-
òîïðèåìíèêè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ, äëÿ äîñòèæåíèÿ âûñî-
êîãî ÊÏÄ ñåíñîðà íåîáõîäèìî, ÷òîáû ïàðàìåòðû åãî
ñîñòàâíûõ ÷àñòåé áûëè ñîãëàñîâàíû ïî ñïåêòðàëü-
íûì õàðàêòåðèñòèêàì, áûñòðîäåéñòâèþ, òåìïåðàòóð-
íûì ñâîéñòâàì è ãàáàðèòàì. Ïîìèìî ýòîãî, èñòî÷íè-
êè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ, ïðèìåíÿåìûå â îïòîýëåêòðîííûõ
ñåíñîðàõ, äîëæíû îáëàäàòü äîñòàòî÷íî óçêîé íàïðàâ-
ëåííîñòüþ èçëó÷åíèÿ è ðàáîòàòü ïðè ñðàâíèòåëüíî
íåáîëüøèõ çíà÷åíèÿõ âõîäíîãî òîêà. Ïîýòîìó ñîâåð-
øåíñòâîâàíèþ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ ÈÊ-
èçëó÷åíèÿ óäåëÿåòñÿ áîëüøîå âíèìàíèå. Íå ìåíåå
âàæíûì ÿâëÿåòñÿ è âûáîð ôîòîïðèåìíèêà, êîòîðûé
äîëæåí îáëàäàòü íå òîëüêî âûñîêîé ýôôåêòèâíîñòüþ
ïðåîáðàçîâàíèÿ ïàäàþùåãî íà íåãî èçëó÷åíèÿ â ýëåê-
òðè÷åñêèé òîê, íî è òðåáóåìûì ñïåêòðàëüíûì ðàñ-
ïðåäåëåíèåì ôîòî÷óâñòâèòåëüíîñòè è áûñòðîäåéñò-
âèåì [3].
Èñïîëüçîâàíèå ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ è
ôîòîïðèåìíèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ ñóùåñòâåííî ïîâû-
øàåò ÷óâñòâèòåëüíîñòü, ñåëåêòèâíîñòü, áûñòðîäåé-
ñòâèå, ýêîíîìè÷íîñòü è íàäåæíîñòü ñïåêòðîàáñîðá-
öèîííûõ ïðèáîðîâ àíàëèçà ñîñòàâà ãàçîâûõ ñìåñåé,
çíà÷èòåëüíî óìåíüøàåò èõ ãàáàðèòû è ìàòåðèàëîåì-
êîñòü, à òàêæå ïîçâîëÿåò àâòîìàòèçèðîâàòü ïðîöåññ
èçìåðåíèÿ, ïðèìåíÿòü íåïðåðûâíûé êîíòðîëü ñîñòî-
ÿíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû è ïðîìûøëåííûõ ïðîöåñ-
ñîâ [4, 5].
Íàñòîÿùàÿ ðàáîòà ïîñâÿùåíà ðàçðàáîòêå îïòîýëåê-
òðîííûõ ñåíñîðîâ ìåòàíà è äèîêñèäà óãëåðîäà ñ èñ-
ïîëüçîâàíèåì ìíîãîýëåìåíòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ
èñòî÷íèêîâ èçëó÷åíèÿ è ôîòîïðèåìíèêîâ, ðàáîòàþ-
ùèõ â ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå 2,5�5,0 ìêì.
Ìíîãîýëåìåíòíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå
èñòî÷íèêè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ â îáëàñòè ñïåêòðà
2,5�5,0 ìêì
Èçëó÷àþùèå àêòèâíûå ýëåìåíòû (ÀÝ) ïîëóïðî-
âîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ, ðàáîòàþùèõ ïðè êîìíàòíîé
òåìïåðàòóðå, ñ p�n-ïåðåõîäàìè è âûñîêèìè êîýôôè-
öèåíòàìè èíæåêöèè ïðè ýëåêòðîëþìèíèñöåíöèè, èç-
ãîòîâëåíû íà áàçå òâåðäûõ ðàñòâîðîâ InGaAs/InAs è
InAsSbP/InAs ìåòîäîì æèäêîñòíîé ýïèòàêñèè [2]. Àê-
òèâíûå ýëåìåíòû èçãîòàâëèâàëèñü â âèäå ïðàâèëüíî-
ãî òðåóãîëüíèêà ðàçìåðàìè 0,5×0,5×0,5 ìì òîëùè-
íîé 250�300 ìêì. Òîðöåâûå ãðàíè ÀÝ ïîëó÷àëèñü
ñêðàéáèðîâàíèåì ñòðóêòóð ïî ïëîñêîñòÿì ñïàéíîñòè
(²00) è íå òðåáîâàëè äîïîëíèòåëüíîé ìåõàíè÷åñêîé è
õèìè÷åñêîé îáðàáîòêè. Òî÷å÷íûé êîíòàêò (äèàìåòðîì
îêîëî 150 ìêì) íàíîñèëñÿ íà ãðàíü, ÷åðåç êîòîðóþ
âûâîäèòñÿ èçëó÷åíèå, à ñïëîøíîé êîíòàêò � íà ïðî-
òèâîïîëîæíóþ ãðàíü. Äëÿ ïîâûøåíèÿ âíåøíåãî êâàí-
òîâîãî âûõîäà íà èçëó÷àþùèå ÀÝ íàíîñèëîñü îïòè-
÷åñêîå ïîêðûòèå, âûïîëíÿþùåå îäíîâðåìåííî ðîëü
çàùèòíîãî, ïðîñâåòëÿùåãî è ôîêóñèðóþùåãî ïîêðû-
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 3
30
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
òèÿ.  êà÷åñòâå ìàòåðèàëîâ äëÿ îïòè÷åñêîãî ïîêðû-
òèÿ èñïîëüçîâàëèñü õàëüêîãåíèäíûå ñòåêëîîáðàçíûå
ïîëóïðîâîäíèêè (ÕÑÏ) íà áàçå ìíîãîêîìïîíåíòíûõ
ñèñòåì Ge(Pb)�Sb(Bi,Ga)�S(Se) [6]. Îïòè÷åñêèå ïî-
êðûòèÿ èç ÕÑÏ íàíîñèëèñü ïóòåì çàëèâêè ïëîñêèõ
ÀÝ è èìåëè âèä ïîëóñôåðè÷åñêîé èëè êóïîëîâèäíîé
ïîâåðõíîñòè. Èçìåíåíèåì õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà ÕÑÏ
ìîæíî ðåøàòü ïðîáëåìó ñîãëàñîâàííîñòè êîýôôè-
öèåíòîâ òåðìè÷åñêîãî ðàñøèðåíèÿ àêòèâíîãî ýëåìåí-
òà, êîðïóñà è îïòè÷åñêîãî ïîêðûòèÿ.
Îïòè÷åñêîå ïîêðûòèå èç ÕÑÏ â âèäå âûòÿíóòîé
ïîëóñôåðû ñóæàåò äèàãðàììó íàïðàâëåííîñòè èçëó-
÷åíèÿ âäîëü îïòè÷åñêîé îñè îò 160 äî 40° è ïîâûøà-
åò ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ ÀÝ â 2,5�3 ðàçà. Ïðè èñ-
ïîëüçîâàíèè îïòè÷åñêîãî ïîêðûòèÿ â âèäå öèëèíä-
ðè÷åñêîé ïîâåðõíîñòè ñ ïîëóñôåðè÷åñêèì êóïîëîì
óäàëîñü ñóçèòü äèàãðàììó íàïðàâëåííîñòè èçëó÷å-
íèÿ äî 15° è óâåëè÷èòü ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ â 3,5�
4 ðàçà [5]. Ðàçðàáîòàííàÿ íàìè òåõíîëîãèÿ íàíåñåíèÿ
îïòè÷åñêîãî ïîêðûòèÿ íà èçëó÷àþùèå ÀÝ îáåñïå÷è-
âàåò óäîâëåòâîðèòåëüíóþ âîñïðîèçâîäèìîñòü ãåîìåò-
ðèè ñòåêëÿííîãî êóïîëà [7].
Êîíñòðóêöèè ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ èç-
ëó÷åíèÿ [2, 6�9] ðàçðàáîòàíû òàêèìè, ÷òî ïîçâîëÿ-
þò ðàçìåñòèòü íåñêîëüêî ÀÝ íà îäíîì òåïëîïðîâîä-
íîì îñíîâàíèè èëè íà ïîëóïðîâîäíèêîâîì ìèêðîõî-
ëîäèëüíèêå, ïðè÷åì ÀÝ ìîãóò èçëó÷àòü âîëíû îäíîé
èëè ðàçíîé äëèíû, à èõ ïèòàíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ ðàç-
äåëüíî â íåïðåðûâíîì èëè èìïóëüñíîì ðåæèìå. Êîì-
ïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ ýëåêòðîôèçè÷åñêèõ è îïòè-
÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ïîçâîëèëè
îïðåäåëèòü îïòèìàëüíûå ñîñòàâû òâåðäûõ ðàñòâîðîâ
äëÿ èõ èçãîòîâëåíèÿ, îáåñïå÷èâàþùèå òàêîå èçëó-
÷åíèå ÀÝ, äëèíà âîëíû êîòîðîãî áûëà áû ñîãëàñî-
âàíà ñ äëèíîé âîëíû ñîáñòâåííîãî ïîãëîùåíèÿ ñî-
îòâåòñòâóþùåãî ãàçà èëè êîìïîíåíòà ãàçîâîé ñìå-
ñè (ðèñ. 1). Ïðàêòè÷åñêèé èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò âîë-
íû äëèíîé 2,9; 3,32; 4,27 è 4,67 ìêì, ñîîòâåòñòâóþ-
ùèå ñåëåêòèâíûì ïîëîñàì ïîãëîùåíèÿ ïàðîâ âîäû,
ìåòàíà, óãëåêèñëîãî ãàçà, îêñèäà óãëåðîäà.
Âñëåäñòâèå èçìåíåíèÿ øèðèíû çàïðåùåííîé çîíû
ìàòåðèàëîâ A3B5 ñ ïîâûøåíèåì òåìïåðàòóðû âíåø-
íåé ñðåäû ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè èçëó÷àþùèõ
ÀÝ, èçãîòîâëåííûõ íà èõ îñíîâå, ñìåùàþòñÿ â äëèí-
íîâîëíîâóþ îáëàñòü ñïåêòðà. Èçìåíåíèå òåìïåðàòó-
ðû ÀÝ ïðîèñõîäèò òàêæå âñëåäñòâèå ðàçîãðåâà p�n-
ïåðåõîäà ïðè óâåëè÷åíèè ïðÿìîãî òîêà ÷åðåç íåãî.
Ïîýòîìó ïðè ïðîåêòèðîâàíèè è èçãîòîâëåíèè îïòîý-
ëåêòðîííûõ ñåíñîðîâ ãàçà íåîáõîäèìî çíàòü è ó÷è-
òûâàòü òåìïåðàòóðíûé êîýôôèöèåíò ñìåùåíèÿ ìàê-
ñèìóìà â ñïåêòðå èçëó÷åíèÿ ÀÝ. Ñïåêòðàëüíûå õà-
ðàêòåðèñòèêè ÀÝ èçìåðÿëèñü â äèàïàçîíå òåìïåðàòó-
ðû 250�330 Ê. Íà îñíîâàíèè ýòèõ èçìåðåíèé äëÿ
ÀÝ, èñïîëüçóåìûõ â îïòîýëåêòðîííûõ ñåíñîðàõ ìå-
òàíà è äèîêñèäà óãëåðîäà, áûëè îïðåäåëåíû òåìïåðà-
òóðíûå çàâèñèìîñòè ñïåêòðàëüíîãî ïîëîæåíèÿ ìàê-
ñèìóìà â ñïåêòðå èçëó÷åíèÿ è ïîëóøèðèíû ñïåêòðà
ïðè çíà÷åíèè ïðÿìîãî òîêà, ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ÀÝ,
²=200 ìÀ, äëèòåëüíîñòè èìïóëüñîâ τ=500 ìêñ è ÷àñ-
òîòå èõ ñëåäîâàíèÿ ν=103 Ãö (ðèñ. 2).
Äëÿ èçìåðåíèÿ ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ ÀÝ â îáëàñ-
òè ñïåêòðà 2,5�5,0 ìêì èñïîëüçîâàëàñü èíòåãðèðó-
þùàÿ ñôåðà è êàëèáðîâî÷íûé îõëàæäàåìûé PbSe-
ôîòîïðèåìíèê. Âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü ñôåðû äèà-
ìåòðîì 80 ìì ïîêðûâàëàñü äåôîðìèðîâàííîé àëþ-
ìèíèåâîé ôîëüãîé ñ êîýôôèöèåíòîì äèôôóçíîãî îò-
ðàæåíèÿ 0,9�0,92. Èñòî÷íèê ÈÊ-èçëó÷åíèÿ è ôîòî-
ïðèåìíèê (ÔÏ) ðàñïîëîæåíû íà ïðîòèâîïîëîæíûõ
ñòîðîíàõ ñôåðû è ðàçäåëåíû ìåæäó ñîáîé äèôôóçíî
ðàññåèâàþùèì ýêðàíîì. Ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ ðàñ-
ñ÷èòûâàëàñü ñ ó÷åòîì ñâîéñòâ èíòåãðèðóþùåé ñôå-
ðû ïî ôîðìóëå
2
2
4 (1 )
,
p
D U
P
d S
− β=
I, îòí. åä.
0,5
0
2,6 3,0 3,4 3,8 4,2 λ, ìêì
1 2 3 4
Ïîëîñà
ïîãëîùå-
íèÿ ÑÎ2
Ðèñ. 1. Çàâèñèìîñòü èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ p�n-ïåðå-
õîäà ðàçëè÷íûõ ÀÝ îò äëèíû âîëíû èçëó÷åíèÿ λ ïðè
Ò=300 Ê, ñîãëàñîâàííîé ñ ìàêñèìóìîì ïîëîñû ñîáñòâåí-
íîãî ïîãëîùåíèÿ ðàçëè÷íûõ ãàçîâ:
1 � λ=2,9 ìêì (ïàðû âîäû); 2 � λ=3,32 ìêì (ìåòàí); 3 � λ=3,9 ìêì
(èñïîëüçóåòñÿ äëÿ îïîðíîãî êàíàëà â ñåíñîðå); 4 � λ=4,27 ìêì
(äèîêñèä óãëåðîäà)
Ðèñ. 2. Òåìïåðàòóðíûå çàâèñèìîñòè ñïåêòðàëüíîãî ïî-
ëîæåíèÿ ìàêñèìóìà â ñïåêòðå èçëó÷åíèÿ (1) è ïîëóøè-
ðèíû ñïåêòðà (2) èçëó÷åíèÿ àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, èñïîëü-
çóåìûõ â ñåíñîðå ìåòàíà (à) è äèîêñèäà óãëåðîäà (á)
λ, ìêì
4,3
4,2
∆λ0,5, ìêì
0,6
0,5
0,4
2
1
250 270 290 310 Ò, Ê
á)
λ, ìêì
3,3
3,2
∆λ0,5, ìêì
0,4
0,3
2
1
250 270 290 310 Ò, Ê
à)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 3
31
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Äî íà÷àëà èçìåðåíèé èíòåãðèðóþùàÿ ñôåðà ïðî-
äóâàëàñü îñóøåííûì àçîòîì, îáúåì êîòîðîãî â äå-
ñÿòü ðàç ïðåâûøàë îáúåì ñôåðû. Ìîùíîñòü èçëó÷å-
íèÿ ÀÝ èçìåðÿëàñü ñ ïîãðåøíîñòüþ íå áîëåå 15% â
äèàïàçîíå òåìïåðàòóðû 250�330 Ê ïðè ïëîòíîñòè J ïðÿ-
ìîãî òîêà ², ïðîõîäÿùåãî ÷åðåç ÀÝ, îò 1 äî 103 À/ñì2.
Äëèòåëüíîñòü τ ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ òîêà èç-
ìåíÿëàñü îò 25 äî 500 ìêñ ïðè ÷àñòîòå ν èõ ñëåäîâà-
íèÿ îò 10 äî 106 Ãö. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ ÀÝ ïðè
ν=103 Ãö, τ=500 ìêñ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 3. Êàê
âèäíî, äëÿ âñåõ èññëåäóåìûõ ÀÝ ìîùíîñòü èçëó÷å-
íèÿ ïðè ²=200 ìÀ óìåíüøàåòñÿ ñ ïîâûøåíèåì òåì-
ïåðàòóðû (ðèñ. 3, à).
Çàâèñèìîñòü ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ ÀÝ îò âåëè÷è-
íû ïðÿìîãî òîêà ÷åðåç ð�ï-ïåðåõîä èçìåðÿëàñü ïðè
Ò=293 Ê (ðèñ. 3, á).
Íà ýòîì ðèñóíêå âèäíî, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè ïðÿ-
ìîãî òîêà ÷åðåç ð�ï-ïåðåõîä âïëîòü äî 250 ìÀ
(25À/ñì2) ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ äëÿ âñåõ èññëåäóå-
ìûõ ÀÝ óâåëè÷èâàåòñÿ, äîñòèãàÿ íàñûùåíèÿ, ïîñëå
÷åãî íà÷èíàåò óìåíüøàòüñÿ ñ óâåëè÷åíèåì òîêà âñëåä-
ñòâèå íàãðåâàíèÿ ð�ï-ïåðåõîäà. Èçìåíåíèå ðåæèìà
ðàáîòû ÀÝ (ν=10 Ãö, τ=25�50 ìêñ) ïðèâîäèò ê òîìó,
÷òî ð�ï-ïåðåõîä íå óñïåâàåò íàãðåòüñÿ äàæå ïðè òîêå
7 À (700 À/ñì2), à ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ âîçðàñòàåò â
íåñêîëüêî ðàç.
Óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè òîêà ÷åðåç ð�ï-ïåðåõîä ïðè-
âîäèò ê ñìåùåíèþ ìàêñèìóìà â ñïåêòðàõ èçëó÷åíèÿ
ÀÝ â äëèííîâîëíîâóþ îáëàñòü è ê óâåëè÷åíèþ ïîëó-
øèðèíû ñïåêòðîâ. Òàê, äëÿ àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, èç-
ãîòîâëåííûõ íà áàçå òâåðäûõ ðàñòâîðîâ (ÒÐ) InGaAs
(îáëàñòü èçëó÷åíèÿ 2,8�3,6 ìêì), ñìåùåíèå ìàêñè-
ìóìà èçëó÷åíèÿ è óâåëè÷åíèå ïîëóøèðèíû ñïåêòðîâ
èçëó÷åíèÿ íàáëþäàåòñÿ ïðè ïëîòíîñòè òîêà 25 À/ñì2.
Äëÿ àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ, èçãîòîâëåííûõ íà áàçå ÒÐ
InAsSbP (îáëàñòü èçëó÷åíèÿ 3,8�5,0 ìêì), òàêèå èç-
ìåíåíèÿ íàáëþäàþòñÿ óæå ïðè ïëîòíîñòè òîêà 10 À/ñì2.
Òàêèì îáðàçîì, ïðèâåäåííûå ðåçóëüòàòû óêàçû-
âàþò íà íåîáõîäèìîñòü òåìïåðàòóðíîé ñòàáèëèçàöèè
àêòèâíûõ ýëåìåíòîâ ïðè èñïîëüçîâàíèè èõ â îïòîý-
ëåêòðîííûõ ñåíñîðàõ ãàçîâ. Ïðèìåíåíèå ðàçëè÷íûõ
òèïîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ìèêðîõîëîäèëüíèêîâ, ðà-
áîòàþùèõ íà ýôôåêòå Ïåëüòüå, ïîçâîëÿåò ñòàáèëèçè-
ðîâàòü ñïåêòðàëüíîå ïîëîæåíèå ìàêñèìóìà â ñïåêò-
ðå èçëó÷åíèÿ ÀÝ, à òàêæå óâåëè÷èòü íà 20% ìîù-
íîñòü èçëó÷åíèÿ çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ ïðÿìîãî òîêà
÷åðåç ð�ï-ïåðåõîä. Âìåñòå ñ òåì, èñïîëüçîâàíèå òà-
êèõ ìèêðîõîëîäèëüíèêîâ ñóùåñòâåííî óâåëè÷èâàåò
ïîòðåáëÿåìóþ ìîùíîñòü èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ, óñ-
ëîæíÿåò åãî êîíñòðóêöèþ è óìåíüøàåò íàäåæíîñòü.
 òî æå âðåìÿ, óêàçàííîå ïîâåäåíèå ìîùíîñòè èçëó-
÷åíèÿ è ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÀÝ ïîçâîëÿåò
óïðàâëÿòü ýòèìè ïàðàìåòðàìè ñ ïîìîùüþ ïðÿìîãî
òîêà ÷åðåç ð�ï-ïåðåõîä [2].
Ôîòîïðèåìíèêè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ â îáëàñòè
ñïåêòðà 2,5�5,0 ìêì
Ïðèåìíèêè îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ ÿâëÿþòñÿ
íåîòúåìëåìûìè ýëåìåíòàìè ñîâðåìåííîé àïïàðàòó-
ðû äëÿ îïòè÷åñêîé îáðàáîòêè èíôîðìàöèè. Îñíîâ-
íûì óñëîâèåì èñïîëüçîâàíèÿ ôîòîïðèåìíèêîâ â ñî-
ñòàâå ñëîæíûõ îïòîýëåêòðîííûõ óñòðîéñòâ ÿâëÿåòñÿ
ïðàâèëüíûé âûáîð òèïà ïðèåìíèêà èçëó÷åíèÿ. Ñïåê-
òðàëüíûé äèàïàçîí ÷óâñòâèòåëüíîñòè ÔÏ äîëæåí áûòü
ñîãëàñîâàí ñî ñïåêòðàëüíûì äèàïàçîíîì èñòî÷íèêà
èçëó÷åíèÿ. Èíòåãðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü è îáíàðó-
æèòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü èñïîëüçóåìîãî ÔÏ òàêæå ñî-
ãëàñîâûâàåòñÿ â çàâèñèìîñòè îò ìèíèìàëüíîãî ïîòî-
êà èçëó÷åíèÿ, ïîïàäàþùåãî íà åãî ÷óâñòâèòåëüíóþ
ïëîùàäêó.  íàøåì ñëó÷àå, ó÷èòûâàÿ ýëåêòðè÷åñêèå
è îïòè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ðàçðàáîòàííûõ èñòî÷-
íèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ íàäåæíîãî ïðè-
åìà è îáðàáîòêè ýëåêòðè÷åñêîãî ñèãíàëà íåîáõîäèì
ÔÏ ñ èíòåãðàëüíîé âîëüòîâîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ íå
ìåíåå 103 Â/Âò è îáíàðóæèòåëüíîé ñïîñîáíîñòüþ íå
ìåíåå 109 ñì·Ãö1/2/Âò ïî À×Ò ïðè Ò=300 Ê. Ñïåêò-
ðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè è îñíîâíûå ïàðàìåòðû ðàç-
ãäå D �
β �
U �
d �
Sp �
âíóòðåííèé äèàìåòð ñôåðû;
êîýôôèöèåíò äèôôóçíîãî îòðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòè
ñôåðû;
ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë íà âûõîäå ÔÏ;
äèàìåòð ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè ÔÏ;
èíòåãðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü ÔÏ ïî îòíîøåíèþ ê èñ-
ñëåäóåìîìó èñòî÷íèêó èçëó÷åíèÿ.
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòü ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ îò òåìïåðàòó-
ðû (à) è îò ïðÿìîãî òîêà ÷åðåç ð�ï-ïåðåõîä (á) àêòèâíûõ
ýëåìåíòîâ, èìåþùèõ ðàçëè÷íóþ äëèíó âîëíû ìàêñè-
ìàëüíîãî èçëó÷åíèÿ λmax (â ìêì):
1 � 2,9; 2 � 3,32; 3 � 3,9; 4 � 4,27
Ð, ìêÂò
200
100
0
250 270 290 310 Ò, Ê
I=200 ìÀ
2
3
1
4
à)
Ð, ìêÂò
120
80
40
0
100 140 180 220 260 I, ìÀ
Ò=293 Ê 2
3
1
4
á)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 3
32
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
ëè÷íûõ òèïîâ ÔÏ â îáëàñòè ñïåêòðà 2,5�5,0 ìêì
ïðèâåäåíû â òàáëèöå è íà ðèñ. 4.
Âàæíîé õàðàêòåðèñòèêîé ÔÏ ÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííàÿ
âðåìåíè, îïðåäåëÿþùàÿ âåðõíþþ ãðàíèöó ÷àñòîòû
ìîäóëÿöèè èçëó÷åíèÿ, ïðåâûøåíèå êîòîðîé ïðèâî-
äèò ê ñíèæåíèþ èíòåãðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè-
åìíèêà. Ïðè âûáîðå ÔÏ íåîáõîäèìî òàêæå ó÷èòû-
âàòü ðàçìåð ôîòî÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè, ïîñêîëü-
êó ãðàíè÷íàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü îäíîòèïíûõ ôîòîïðè-
åìíèêîâ çàâèñèò îò åå ðàçìåðîâ è óõóäøàåòñÿ ñ åå
óâåëè÷åíèåì.  òàêîé æå çàâèñèìîñòè îò ðàçìåðîâ
÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè íàõîäÿòñÿ è øóìû ÔÏ. Îä-
íàêî ýòè øóìû óìåíüøàþòñÿ ïðè èñïîëüçîâàíèè ìî-
äóëèðîâàííîãî ñèãíàëà ñ óñðåäíåíèåì. Òàê, èñïîëü-
çîâàíèå ìîäóëèðîâàííîãî èçëó÷åíèÿ ñ ÷àñòîòîé
500 Ãö è âðåìåíåì óñðåäíåíèÿ áîëüøå 1 ñ ìîæåò
ïðèâåñòè ê óâåëè÷åíèþ îòíîøåíèÿ ñèãíàë/øóì äî
20 ðàç, à ïðè 10 ñ � äî 70 ðàç [3]. Òàêîå âðåìÿ
óñðåäíåíèÿ âïîëíå ïðèåìëåìî äëÿ áîëüøèíñòâà ãàçî-
àíàëèçàòîðîâ, ò. ê. èçìåíåíèå âåëè÷èíû êîíöåíòðà-
öèè ãàçà ïðîèñõîäèò çà âðåìÿ, áîëüøå 1 ñ. Â ïðèáî-
ðàõ àíàëèçà êîíöåíòðàöèè ãàçà íàèáîëåå ÷àñòî èñïîëü-
çóþò PbSe-ôîòîðåçèñòîðû, ïîñêîëüêó îíè õàðàêòå-
ðèçóþòñÿ äîñòàòî÷íîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ â îáëàñòè
ñïåêòðà 2,5�5,0 ìêì.
Ñ ó÷åòîì êîíñòðóêòèâíûõ è òåõíè÷åñêèõ îñîáåí-
íîñòåé ðàçðàáîòàííûõ íàìè ìíîãîýëåìåíòíûõ èñòî÷-
íèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ [2, 8, 9] è ïðèâåäåííûõ â òàáëè-
öå õàðàêòåðèñòèê ÔÏ, à òàêæå îòëè÷èÿ êîýôôèöèåíòîâ
ïîãëîùåíèÿ ìåòàíà è äèîêñèäà óãëåðîäà [3], áûëè ðàç-
ðàáîòàíû îïòîýëåêòðîííûå ñåíñîðû äëÿ èçìåðåíèÿ
êîíöåíòðàöèè ÑÎ2 è ÑÍ4 â ãàçîâîé ñìåñè è ïðåäëîæå-
íû ñïîñîáû èçìåðåíèÿ êîíöåíòðàöèè ýòèõ ãàçîâ [10].
Îïòîýëåêòðîííûé ñåíñîð ìåòàíà
Äëÿ èçìåðåíèÿ ñîäåðæàíèÿ ÑÍ4 â äèàïàçîíå 0�
3,0% îò îáúåìà ãàçîâîé ñìåñè ñ ìàêñèìàëüíûìè êî-
ýôôèöèåíòîì ïîãëîùåíèÿ αmax=0,1 è êîýôôèöèåíòîì
ïåðåêðûòèÿ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ èññëåäóåìîãî ãàçà
è èçëó÷åíèÿ èñòî÷íèêà αåff=0,05 â îáëàñòè ñïåêòðà
3,3 ìêì [3] áûë èçãîòîâëåí îïòîýëåêòðîííûé ñåíñîð
â âèäå èíòåãðèðóþùåé ñôåðû (ðèñ. 5) [11].
Îïòîýëåêòðîííûé ñåíñîð ñîñòîèò èç îïòè÷åñêè
ñâÿçàííûõ èñòî÷íèêà ÈÊ-èçëó÷åíèÿ 1, èíòåãðèðóþ-
ùåé ñôåðè÷åñêîé êþâåòû 2, ñâåòîîòðàæàþùåãî ýê-
ðàíà 3 è ôîòîïðèåìíèêà 4. Âíóòðåííÿÿ ïîâåðõíîñòü
êþâåòû è îñíîâàíèå ýêðàíà ïîêðûòû ñèëüíî äåôîð-
ìèðîâàííîé àëþìèíèåâîé ôîëüãîé òîëùèíîé 0,02 ìì,
ñîçäàþùåé äèôôóçíîå îòðàæåíèå ñ êîýôôèöèåíòîì
Õàðàêòåðèñòèêà ÔÏ-1 ÔÏ-2 ÔÏ-3 ÔÏ-4 ÔÏ-5
Ñïåêòðàëüíûé äèàïàçîí, ìêì 2,5�4,5 1,0�5,0 2,6�3,5 3,9�4,6 1,0�14,0
Äëèíà âîëíû â ìàêñèìóìå
÷óâñòâèòåëüíîñòè, ìêì
3,7 3,8 3,3 4,15 �
Ðàçìåðû ÷óâñòâèòåëüíîé ïëîùàäêè, ìì 2,6×2,6 2,6×2,6 1×1 1×1 1×1
Áûñòðîäåéñòâèå, ìêñ <5 <5 0,1 <20 1�103
Èíòåãðàëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü, Â/Âò 400 450 250�600 30 1000
Îáíàðóæèòåëüíàÿ ñïîñîáíîñòü, Ãö1/2/Âò 109 109 1,5×109 7,0×109 108
Ïðèìå÷àíèå:
ÔÏ-1 � PbSe-ôîòîðåçèñòîð; ÔÏ-2 � îõëàæäàåìûé PbSe-ôîòîðåçèñòîð;
ÔÏ-3 � InAs-ôîòîäèîä [3]; ÔÏ-4 � ôîòîäèîä PD42Sr ôèðìû MIRDOG (ÐÔ);
ÔÏ-5 � ïèðîýëåêòðè÷åñêèé ôîòîïðèåìíèê [3].
Òåõíè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ðàçëè÷íûõ ÔÏ â ñðåäíåé ÈÊ-îáëàñòè ñïåêòðà ïðè Ò=293 Ê
S, îòí. åä.
80
40
0
1 2 3 4 λ, ìêì
1
3 2
4
Ðèñ. 4. Ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ðàçëè÷íûõ ÔÏ â
ñðåäíåé ÈÊ-îáëàñòè ñïåêòðà:
1 � PbSe-ôîòîðåçèñòîð; 2 � îõëàæäàåìûé PbSe-ôîòîðåçèñòîð;
3 � InAs-ôîòîäèîä; 4 � ôîòîäèîä PD42Sr
1 3
2
4
Ðèñ. 5. Êîíñòðóêöèÿ îïòîýëåêòðîííîãî ñåíñîðà ìåòàíà:
1 � ìíîãîýëåìåíòíûé èñòî÷íèê ÈÊ-èçëó÷åíèÿ; 2 � èíòåãðèðó-
þùàÿ ñôåðè÷åñêàÿ êþâåòà; 3 � ñâåòîîòðàæàþùèé ýêðàí; 4 �
ôîòîïðèåìíèê; 5, 6 � âïóñêíîé è âûïóñêíîé øòóöåðà ïîäà÷è
ìåòàíà
6
5
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 3
33
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
îòðàæåíèÿ 0,90�0,92 â äèàïàçîíå âîëí äëèíîé 2,5�
5,0 ìêì. Ñâåòîîòðàæàþùèé ýêðàí ïðåäñòàâëÿåò ñî-
áîé ìíîãîãðàííóþ ïðàâèëüíóþ ïèðàìèäó ñ ïëîùà-
äüþ îñíîâàíèÿ â äâà ðàçà áîëüøåé ïëîùàäè ñå÷åíèÿ
ñâåòîâîãî ïîòîêà, ñîçäàâàåìîãî èñòî÷íèêîì èçëó÷å-
íèÿ íà âõîäå â êþâåòó. Çåðêàëüíûå ãðàíè ïèðàìèäû
íàïðàâëåíû â ñòîðîíó èñòî÷íèêà èçëó÷åíèÿ. Äëÿ îáåñ-
ïå÷åíèÿ ìèíèìàëüíûõ ïîòåðü íà ðàññåèâàþùåé ïîâåð-
õíîñòè êþâåòû ïîäà÷ó è îòâîä ìåòàíà îñóùåñòâëÿþò
÷åðåç ðÿä îòäåëüíûõ îòâåðñòèé äèàìåòðîì 1 ìì âî
âïóñêíîì è âûïóñêíîì øòóöåðàõ.
Ìíîãîýëåìåíòíûé èñòî÷íèê ÈÊ-èçëó÷åíèÿ ñîñòîèò
èç íåñêîëüêèõ ÀÝ, èìåþùèõ ðàáî÷óþ äëèíó âîëíû â
ïîëîñå ïîãëîùåíèÿ ìåòàíà λmax1=3,32 ìêì
(∆λ0,5=0,38 ìêì), è ÀÝ, ìàêñèìóì èçëó÷åíèÿ êîòî-
ðîãî íàõîäèòñÿ çà ïîëîñîé ïîãëîùåíèÿ ìåòàíà (îïîð-
íûé êàíàë) λmax2=3,9 ìêì (∆λ0,5=0,42 ìêì). Ïðÿìàÿ
ìîäóëÿöèÿ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ îáåñïå÷èâàåòñÿ àêòèâà-
öèåé èñòî÷íèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ ïåðåìåííûì òîêîì
²=250 ìÀ, ÷àñòîòîé ν=103 Ãö ñ äëèòåëüíîñòüþ èì-
ïóëüñà τ=500 ìêñ.
Ðåãèñòðàöèÿ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ îñóùåñòâëÿåòñÿ PbSe-
ôîòîðåçèñòîðîì. Ñâåòîâîé ïîòîê îò èñòî÷íèêà èçëó-
÷åíèÿ ïîïàäàåò âíóòðü êþâåòû, îòðàæàåòñÿ ýêðàíîì
è, ðàññåèâàÿñü âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòüþ êþâåòû, ñî-
çäàåò íåêîòîðûé óðîâåíü îñâåùåííîñòè, êîòîðûé ðå-
ãèñòðèðóåòñÿ ÔÏ.
Ïðè ïîäà÷å ìåòàíà âíóòðü êþâåòû ñâåòîâîé ïîòîê
îñëàáëÿåòñÿ âñëåäñòâèå åãî ÷àñòè÷íîãî ïîãëîùåíèÿ
ìåòàíîì. Èçìåíåíèå îñâåùåííîñòè âíóòðè êþâåòû ïðè
íàëè÷èè â íåé ìåòàíà ïðèâîäèò ê ñîîòâåòñòâóþùåìó
èçìåíåíèþ âûõîäíîãî ñèãíàëà ÔÏ. Âåëè÷èíà èçìåíå-
íèÿ è ñëóæèò ìåðîé êîíöåíòðàöèè ìåòàíà. Íà ðèñ. 6
ïðèâåäåíà çàâèñèìîñòü ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âû-
õîäå ÔÏ îò ñîäåðæàíèÿ ìåòàíà CCH4
â ñôåðè÷åñêîé
êþâåòå äèàìåòðîì 80 ìì (êðèâàÿ 1) è öèëèíäðè÷åñ-
êîé êþâåòå äëèíîé 164 ìì (êðèâàÿ 2).
Ó÷èòûâàÿ îòíîñèòåëüíî áîëüøîé îáúåì êþâåòû,
âûáèðàëè îïòèìàëüíóþ ñêîðîñòü ïîäà÷è ãàçîâîé ñìå-
ñè, êîòîðàÿ ñîñòàâëÿåò 2�2,5 ë/ìèí, ïðè ýòîì âðåìÿ
óñòàíîâëåíèÿ ïîêàçàíèé íå ïðåâûøàëî 20�30 ñ. Âîñ-
ïðîèçâîäèìîñòü ïîêàçàíèé ïðè ïðîâåäåíèè èçìåðå-
íèé áûëà íå õóæå ±2%, à ñòàáèëüíîñòü èçìåðåíèé
ïðè 60-ìèíóòíîì ïðîïóñêàíèè ãàçîâîé ñìåñè ñ îáúåì-
íîé äîëåé ìåòàíà 0,3% ñîñòàâëÿëà ±4%. Îòíîøåíèå
ñèãíàë/øóì íà âûõîäå ÔÏ äîñòèãàåò íå ìåíåå 100.
Ìèíèìàëüíàÿ îáúåìíàÿ äîëÿ ÑÍ4 â âîçäóõå, êîòî-
ðóþ ìîæíî èçìåðèòü, ñîñòàâëÿåò 200�250 ppm. Ïðè
èñïîëüçîâàíèè ñôåðè÷åñêîé êþâåòû ïðèâåäåííàÿ
ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèé ñîñòàâèëà 5%. Ñðàâíèòåëü-
íûå èçìåðåíèÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì ñôåðè÷åñêèõ è öè-
ëèíäðè÷åñêèõ êþâåò ïîêàçàëè, ÷òî ñôåðè÷åñêèå êþ-
âåòû áîëåå ïåðñïåêòèâíû è ïîçâîëÿþò óìåíüøàòü ãà-
áàðèòû è ìàññó îïòîýëåêòðîííîãî ñåíñîðà.
Îïòîýëåêòðîííûé ñåíñîð äèîêñèäà óãëåðîäà
Íà ðèñ. 7 ïðåäñòàâëåíà ðàçðàáîòàííàÿ â [12] êîí-
ñòðóêöèÿ îïòîýëåêòðîííîãî ñåíñîðà äëÿ èçìåðåíèÿ
ñîäåðæàíèÿ ÑÎ2 (αmax=0,15 è αåff=0,12 â îáëàñòè
ñïåêòðà 4,3 ìêì [3]) â äèàïàçîíå 0�3,0% îò îáúåìà
ãàçîâîé ñìåñè. Ìíîãîýëåìåíòíûé èñòî÷íèê ÈÊ-èç-
ëó÷åíèÿ ñîäåðæèò àêòèâíûå ýëåìåíòû, ìàêñèìàëüíî
èçëó÷àþùèå íà äëèíå âîëíû λmax1=4,27 ìêì
(∆λ0,5=0,48 ìêì) (ðàáî÷èé êàíàë) è íà äëèíå âîëíû
âíå ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ ÑÎ2 λmax2=3,8 ìêì
(∆λ0,5=0,42 ìêì) (îïîðíûé êàíàë). Ïðèåìíèêîì ÈÊ-
èçëó÷åíèÿ ñëóæèò îõëàæäàåìûé PbSe-ôîòîðåçèñòîð.
Îïòîýëåêòðîííûé ñåíñîð íà ÑÎ2 ñîñòîèò èç ðàáî-
÷åé êþâåòû 1, ñîäåðæàùåé ïàðàáîëè÷åñêèå çåðêàëà
2 è 12, èñòî÷íèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ 4 è 9 è ôîòîïðèåì-
íèêà 7. Ê îñíîâàíèþ ñåíñîðà 10 ïðèêðåïëåíû ôîòî-
ïðèåìíèê 7 è òåïëîïðîâîäÿùèå ñôåðè÷åñêèå îïîðû
5 è 8, îáåñïå÷èâàþùèå íàñòðîéêó îïòè÷åñêîé ÷àñòè
ñåíñîðà, âíóòðè êîòîðûõ ðàçìåùåíû èäåíòè÷íûå èñ-
òî÷íèêè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ.
U, îòí. åä.
0,9
0,8
0,7
0 0,5 1,0 1,5 2,0 ÑÑÍ4
, îá.%
1
2
Ðèñ. 6. Çàâèñèìîñòü ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ÔÏ
îò ñîäåðæàíèÿ ìåòàíà â ãàçîâîé ñìåñè äëÿ ñôåðè÷åñêîé
(1) è öèëèíäðè÷åñêîé (2) êþâåòû
1
2
3
À
Â
4 5 6 7 8 9
13
12
11
10
Ðèñ. 7. Êîíñòðóêöèÿ îïòîýëåêòðîííîãî ñåíñîðà äèîêñè-
äà óãëåðîäà:
1 � ðàáî÷àÿ êþâåòà; 2, 12 � ïàðàáîëè÷åñêîå çåðêàëî; 3, 11 �
âõîäíîå îòâåðñòèå ïîäà÷è ãàçà; 4, 9 � èñòî÷íèê ÈÊ-èçëó÷åíèÿ;
5, 8 � ñôåðè÷åñêàÿ îïîðà; 6 � âõîäíîå ñàïôèðîâîå îêíî; 7 �
ôîòîïðèåìíèê; 10 � îñíîâàíèå ñåíñîðà; 13 � îòâåðñòèå âûõîäà
ãàçà
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2010, ¹ 3
34
ÑÅÍÑÎÝËÅÊÒÐÎÍÈÊÀ
Èñòî÷íèêè ðàçìåùàþòñÿ îòíîñèòåëüíî ÔÏ òàê,
÷òîáû ÀÝ ôîðìèðîâàëè îäèíàêîâûå íåçàâèñèìûå
ïîòîêè èçëó÷åíèÿ â ðàçíûå ìîìåíòû âðåìåíè äëÿ ðàç-
íûõ ÷àñòåé (À è Â) ðàáî÷åé êþâåòû. Ñîîòíîøåíèå
äëèíû ÷àñòåé À è  ðàññ÷èòûâàåòñÿ èñõîäÿ èç íåîá-
õîäèìîãî äèàïàçîíà èçìåðåíèÿ ñîäåðæàíèÿ ÑÎ2 îï-
òîýëåêòðîííûì ñåíñîðîì. Ïðè èçìåðåíèè ìàëîé êîí-
öåíòðàöèè ÑÎ2, ââèäó ñëàáîãî ïîãëîùåíèÿ èçëó÷å-
íèÿ íà ðàáî÷åé äëèíå âîëíû, àêòèâíîé ÿâëÿåòñÿ ÷àñòü
À êþâåòû, à ïðè áîëüøîé êîíöåíòðàöèè � ÷àñòü Â
(ðèñ. 7). Âõîäíûå îòâåðñòèÿ äëÿ ïîäà÷è ÑÎ2 èçãîòîâ-
ëåíû ïîä óãëîì ê îïòè÷åñêèì îñÿì èñòî÷íèêîâ ÈÊ-
èçëó÷åíèÿ. Ýòî îáåñïå÷èâàåò ðàâíîìåðíîå ðàñïðåäå-
ëåíèå ãàçà ïî âñåìó îáúåìó êþâåòû, ñîêðàùàÿ ïðè
ýòîì âðåìÿ è êîëè÷åñòâî ÑÎ2, íåîáõîäèìîå äëÿ ïîë-
íîé çàìåíû ãàçà âî âíóòðåííåì îáúåìå êþâåòû ãà-
çîì äðóãîé êîíöåíòðàöèè.  ñëó÷àå óâåëè÷åíèÿ íåñå-
ëåêòèâíûõ ïîòåðü èçëó÷åíèÿ, ñâÿçàííûõ ñ çàãðÿçíå-
íèåì âõîäíîãî îêíà èëè ïàðàáîëè÷åñêèõ çåðêàë ñåí-
ñîðà, à òàêæå ïðè ðàññîãëàñîâàíèè ñïåêòðîâ èçëó÷å-
íèÿ èñòî÷íèêà è ñïåêòðàëüíîé ÷óâñòâèòåëüíîñòè ïðè-
åìíèêà ïî îòíîøåíèþ ê ñïåêòðó ñîáñòâåííîãî ïî-
ãëîùåíèÿ ãàçà âñëåäñòâèå èçìåíåíèÿ òåìïåðàòóðû
âíåøíåé ñðåäû, çàäàííûå òî÷íîñòü è ÷óâñòâèòåëü-
íîñòü ñåíñîðà îáåñïå÷èâàþòñÿ èñïîëüçîâàíèåì îïîð-
íîãî êàíàëà è îäíîâðåìåííîé ïîäà÷åé ÑÎ2 â îáå ÷àñ-
òè êþâåòû.  ýòîì ñëó÷àå ñâåòîâûå ïîòîêè, ñîçäàâà-
åìûå èñòî÷íèêàìè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ, íå ñâÿçàííûå ñ
ïîãëîùåíèåì ÑÎ2, èçìåíÿþòñÿ îäèíàêîâî (ðèñ. 8) è
â ïðîöåññå îáðàáîòêè ñèãíàëîâ îò íèõ íà âûõîäå ÔÏ
âçàèìîêîìïåíñèðóþòñÿ.
Äî íà÷àëà ïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé ñîäåðæàíèÿ ÑÎ2
÷åðåç ñåíñîð ïðîïóñêàþò íåéòðàëüíûé ãàç. Ïðè ýòîì
ñôîðìèðîâàííûå èñòî÷íèêàìè ÈÊ-èçëó÷åíèÿ ñâåòî-
âûå ïîòîêè íå ïîãëîùàþòñÿ ãàçîì, âûðàâíèâàþòñÿ
ïî âåëè÷èíå, à íà âûõîäå ÔÏ îáðàçóþòñÿ ýëåêòðè-
÷åñêèå ñèãíàëû, îáåñïå÷èâàþùèå êîððåêöèþ íóëÿ
ñåíñîðà.
Ïðÿìàÿ ìîäóëÿöèÿ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ îáåñïå÷èâà-
åòñÿ àêòèâàöèåé èñòî÷íèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ ïåðåìåí-
íûì òîêîì ²=250 ìÀ, ÷àñòîòîé ν=103 Ãö ñ äëèòåëüíî-
ñòüþ èìïóëüñà τ=500 ìêñ. Ãàçîâûå ñìåñè ïîäàþòñÿ
ñî ñêîðîñòüþ 0,5�1,0 ë/ìèí. Âðåìÿ óñòàíîâëåíèÿ ïî-
êàçàíèé ñîñòàâëÿåò 30�40 ñ. Âîñïðîèçâîäèìîñòü ïî-
êàçàíèé ïðè ïðîâåäåíèè èçìåðåíèé áûëà íå õóæå
±0,3%, à ñòàáèëüíîñòü íóëÿ ±0,4%. Îòíîøåíèå ñèã-
íàë/øóì íà âûõîäå ÔÏ ñîñòàâëÿåò íå ìåíåå 250.
Ìèíèìàëüíàÿ èçìåðåííàÿ äîëÿ ÑÎ2 â âîçäóõå � íà
óðîâíå 50�100 ppm. Ïðèâåäåííàÿ ïîãðåøíîñòü èç-
ìåðåíèé ñîñòàâëÿåò 1% è îãðàíè÷èâàåòñÿ, â îñíîâ-
íîì, òåìïåðàòóðíîé ñòàáèëüíîñòüþ ðàáîòû ÔÏ.
Âûâîäû
Òàêèì îáðàçîì, óñòàíîâëåíî, ÷òî îïòîýëåêòðîí-
íûå ñåíñîðû ãàçîâ, ñîçäàííûå íà îñíîâå ñâåòîèçëó-
÷àþùèõ ãåòåðîñòðóêòóð InGaAs/InAs è InAsSbP/InAs
è ïðèåìíèêîâ íà îñíîâå PbS-ôîòîðåçèñòîðîâ, îáëà-
äàþò âûñîêèìè ýêñïëóàòàöèîííûìè õàðàêòåðèñòèêà-
ìè è ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ. Òàê, ìèíèìàëüíîå ñîäåð-
æàíèå ãàçà â âîçäóõå, ôèêñèðóåìîå ñ ïîìîùüþ òà-
êèõ îïòîýëåêòðîííûõ ñåíñîðîâ, ñîñòàâëÿåò äëÿ ìåòà-
íà 200�250 ppm, à äëÿ äèîêñèäà óãëåðîäà � 50�
100 ppm. Âàæíûì óñëîâèåì òî÷íîñòè èçìåðåíèÿ ñî-
äåðæàíèÿ èññëåäóåìîãî ãàçà ÿâëÿåòñÿ òåìïåðàòóðíàÿ
ñòàáèëèçàöèÿ àêòèâíûõ ÈÊ èçëó÷àþùèõ ýëåìåíòîâ,
êîòîðàÿ óñïåøíî ðåøàåòñÿ ïðèìåíåíèåì òåðìîõîëî-
äèëüíèêîâ è ïðàâèëüíûì âûáîðîì âåëè÷èíû ïðÿìî-
ãî òîêà ÷åðåç p�n-ïåðåõîä àêòèâíîãî ýëåìåíòà.
Êîìïàêòíîñòü, ìàëàÿ ìàññà è áûñòðîäåéñòâèå ðàç-
ðàáîòàííûõ ñåíñîðîâ îïðåäåëÿþò øèðîêèé ñïåêòð èõ
èñïîëüçîâàíèÿ.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Àëåêñàíäðîâ Ñ. Å., Ãàâðèëîâ Ã. À., Êàïðàëîâ À. À. è äð.
Ìîäåëèðîâàíèå õàðàêòåðèñòèê îïòè÷åñêèõ ãàçîâûõ ñåíñîðîâ íà
îñíîâå äèîäíûõ îïòîïàð ñðåäíåãî ÈÊ-äèàïàçîíà ñïåêòðà // Æóð-
íàë òåõíè÷åñêîé ôèçèêè.� 2009.� Ò. 79, ¹ 6.� Ñ. 112�118.
2. Êàáàöèé Â. Í. Îïòè÷åñêèå ñåíñîðû ãàçîâ íà îñíîâå ïîëóïðî-
âîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ ÈÊ-èçëó÷åíèÿ // Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðî-
âàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå.� 2008.� ¹ 4.� Ñ. 30�35.
3. Aleksandrov S., Gavrilov G., Kapralov A. et al. Portable
optoelectronic gas sånsors operating in the mid-IR spectral range
(λ=3�5 µm) // Proc. of Intern. Conf. SPIE. Lasers for Measurements
and Information Transfer.� 2002.� Vol. 4680.� Ð. 188�194.
4. Remennyi M. A., Zotova N. V., Karandashev S. A. et al. Low
voltage episide down bonded mid-IR diode optopairs for gas sensing
in the 3,3�4,3 µm spectral range // Sensors & Actuatoators B: Che-
mical.� 2003.� Vol. 91. N 1�3.� P. 256�261.
5. Çîòîâà Í. Â., Èëüèíñêàÿ Í. Ä., Êàðàíäàøåâ Ñ. À. è äð.
Èñòî÷íèêè ñïîíòàííîãî èçëó÷åíèÿ íà îñíîâå àðñåíèäà èíäèÿ //
Ôèçèêà è òåõíèêà ïîëóïðîâîäíèêîâ.� 2008.� Ò. 42, ¹ 4.�
Ñ. 641�657.
6. Êàáàöèé Â. Í. Îáúåìíûå îïòè÷åñêèå ïîêðûòèÿ èç õàëüêî-
ãåíèäíûõ ñòåêîë äëÿ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ ÈÊ-èçëó÷å-
íèÿ // Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòó-
ðå.� 2009.� ¹ 4.� Ñ. 38�44.
7. Ïàòåíò 88565 Óêðà¿íè. Çàõèñíå, ïðîñâ³òëþþ÷å òà ôîêóñó-
þ÷å ïîêðèòòÿ íà îñíîâ³ õàëüêîãåí³äíîãî ñêëà ³ ñïîñ³á éîãî íàíå-
ñåííÿ / Ä. ². Áëåöêàí, Â. Ì. Êàáàö³é.� 10.07 2009.
8. Ïàòåíò 8564 Óêðà¿íè. Íàï³âïðîâ³äíèêîâå äæåðåëî ³íôðà-
÷åðâîíîãî âèïðîì³íþâàííÿ / Â. Ì. Êàáàö³é.� 10.02 2009.
9. Ïàòåíò 86900 Óêðà¿íè. Áàãàòîêàíàëüíå äæåðåëî âèïðîì³-
íþâàííÿ (âàð³àíòè) / Â. Ì. Êàáàö³é, Ä. ². Áëåöêàí.� 25.05 2009.
10. Ïàòåíò 88374 Óêðà¿íè. Ñïîñ³á âèì³ðþâàííÿ êîíöåíòðàö³¿
ãàç³â (âàð³àíòè) / Â. Ì. Êàáàö³é, Þ. Â. Ìèãàëèíà, Ä. ². Áëåöêàí,
Ì. Ì. Êàáàö³é.� 12.10 2009.
11. Ïàòåíò 81703 Óêðà¿íè. Ãàçîàíàë³çàòîð (âàð³àíòè) / Â. Ì.
Êàáàö³é.� 25.01 2008.
12. Ïàòåíò 89707 Óêðà¿íè. Îïòè÷íèé ñåíñîð ãàç³â / Â. Ì.
Êàáàö³é, Ä. ². Áëåöêàí, Â. Î. Ãàñèíåöü.� 25.02 2010.
U, îòí. åä.
0,9
0,8
0,7
0,6
0 0,5 1,0 1,5 2,0 ÑÑÎ2
, îá. %
2
1
Ðèñ. 8. Çàâèñèìîñòü ïàäåíèÿ íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ÔÏ
îò ñîäåðæàíèÿ ÑÎ2 â ðàáî÷åé êþâåòå äëÿ ÷àñòè À (1)
äëèíîé 55 ìì è ÷àñòè  (2) äëèíîé 40 ìì
|