Разработка координатно-чувствительного термоэлектрического планарного измерительного преобразователя лазерного излучения

• Автор: Тинаев, Алексей Анатольевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 192 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
1.1 Основы построения и классификация тепловых измерительных преобразователей лазерного излучения

1.2 Основные параметры и характеристики тепловых ПИП, в том числе КЧИП

1.3 Предел допускаемой относительной погрешности тепловых ПИП

1.4 Координатно-чувствительные тепловые ПИП

1.4.1 Многоэлементные тепловые КЧИП

1.4.2 Дифференциальные тепловые ПИП

1.5 Возможности модернизации преобразовательного элемента интегрального термоэлектрического планарного КЧИП
1.6 Выводы по первой главе
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ПЛАНАРНОГО КЧИП .
2.1 Общие вопросы математического моделирования планарного КЧИП
2.2 Постановка краевой задачи теплопроводности
2.3 Коэффициент теплоотдачи с поверхности подложки
2.4 Температурная зависимость теплопроводности кремния
2.5 Решение краевой задачи теплопроводности
2.6 Способы крепления преобразовательного элемента на корпус-термостат
2.7 Анализ упрощенной модели планарного КЧИП
2.8 Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
3.1 Формирование термобатарей планарного КЧИП
3.2 Моделирование процесса диффузии на этапе формирования термобатарей
3.3 Расчет сигналов термобатарей планарного КЧИП
3.4 Оптимизация диффузионного профиля легирования и плотности упаковки термопар
3.5 Минимизация зависимости коэффициента преобразования КЧИП от температуры окружающей среды Го
3.6 Оптимизация геометрических параметров планарного преобразовательного элемента КЧИП
3.6.1 Критерии оптимизации
3.6.2 Критерии выбора оптимальных размеров термобатарей..
3.6.3 Оптимизация зонной характеристики КЧИП
3.6.4 Оптимизация ширины области теплового контакта подложки с термостатом
3.6.5 Геометрический подход к оптимизации
3.6.6 Оптимизация размера и формы резистора замещения
3.7 Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. РАСЧЁТ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
КОЛЛЕКТОРА ЭНЕРГИИ
4.1 Постановка задачи
4.2 Взаимодействие оптического излучения с
монокристаллическим кремнием
4.3 Согласование оптического излучения с
полупроводниковым монокристаллом
4.4 Расчет концентрационного профиля примеси в коллекторе энергии
4.5 Расчет оптических характеристик неоднородно легированного

кремниевого коллектора энергии
4.6 Выводы по четвёртой главе
ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАНАРНЫХ КЧИП И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
5.1 Основные параметры и характеристики КЧИП, рассматриваемые в ходе математического моделирования
5.2 Общие вопросы расчетных исследований характеристик планарных КЧИП
5.3 Расчётные характеристики планарных КЧИП
5.3.1 Характеристики и параметры планарных КЧИП с квадратным коллектором энергии 14x14 мм2 и с круглым коллектором энергии диаметром 14 мм
5.3.2 Характеристики и параметры планарного КЧИП с коллектором энергии 20х20 мм
5.3.3 Характеристики и параметры планарного КЧИП с коллектором энергии 28x28 мм
5.3.4 Характеристики и параметры планарных КЧИП с коллектором энергии 40x40 мм
5.3.5 Характеристики и параметры планарных КЧИП с коллектором энергии 56x56 мм
5.4 Результаты натурных исследований КЧИП
5.5 Практическое использование планарного КЧИП
5.6 Выводы по пятой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Существуют дифференциальный ПИП, основанный на разделении пучка излучения при помощи четырехгранной пирамиды [38]. Потоки излучения, отраженные от граней пирамиды, попадают на две пары одинарных ПИП, включенных в мостовые схемы. Величина зоны нечувствительности определяется при этом качеством изготовления ребер пирамиды. В качестве чувствительных элементов такого КЧИП могут быть использованы и пирокристаллы и термопреобразователи. Поэтому он способен обеспечить измерения в широком спектральном диапазоне. Однако точность измерений координат ЭЦЛП невысока, так как практически невозможно подобрать пары преобразовательных элементов с одинаковыми зонными характеристиками.
Совершенствование технологии изготовления ПИП лазерного излучения сделало возможным создание дифференциальных тепловых КЧИП без разделительной призмы: квадрантных и с двумя разделёнными зазором рабочими преобразовательными элементами.
Классическая конструкция квадрантного КЧИП состоит из четырех идентичных одинарных тепловых ПИП, приемные поверхности коллекторов энергии которых расположены в одной плоскости симметрично двум взаимно перпендикулярным осям и разделены двумя зазорами равной ширины. Характерной особенностью квадрантных КЧИП является сильная зависимость размеров рабочей зоны от размеров поперечного сечения пучка излучения и распределения плотности потока излучения по этому сечению.
При постоянной плотности потока излучения размер рабочей зоны максимален и равен эффективному размеру сечения пучка (в случае круглого сечения — диаметру этого сечения). Уменьшение размеров сечения пучка излучения приводит к уменьшению диапазона измеряемых смещений центра пучка, а наличие зоны нечувствительности (зазоров между квадрантами) обусловливает ограничение разрешающей способности квадрантного КЧИП.
Для лазерных пучков характерна ярко выраженная переменная плотность излучения по сечению пучка, что усложняет обработку выходных