CC BY
5
МАШИНОСТРОЕНИЕ. МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 536.21
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В СТРУКТУРАХ ПИРОЭЛЕКТРИК -ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ
В.Н. Шут, А.В. Гаврилов, В.Л. Трубловский
ВВЕДЕНИЕ
Для детектирования излучения используются различные датчики, характеристики которых изменяются при воздействии определенных длин волн. Тепловая радиация может быть преобразована в электрические сигналы квантовыми или тепловыми датчиками, в частности, пироэлектрическими датчиками. Квантовые детекторы изготавливаются на основе узкозонных полупроводников типа теллурида кадмия ртути (CdxHg1-xTe) или антимонида индия (InSb), а также структур металл-полупроводник (диоды Шоттки) [1]. Но эти материалы для работы требуют глубокого охлаждения и эффективны лишь в видимой и ближней ИК-области спектра. Диапазон длин волны близкий к 10 |jm представляет особый интерес, т.к. именно в этой области излучение объектов с комнатной температурой достигает максимальной интенсивности. Для данного спектрального диапазона широко используются пироэлектрические материалы [2]. Эти материалы применяются как для измерения температур, так и преобразования теплового изображения в видимое. Наблюдение инфракрасных образов широко используется в медицинской диагностике, технике неразрушающего контроля и т.д. Особый интерес вызывает создание простых и надежных устройств для диагностики модовых структур ИК - лазеров. Для визуализации тепловых объектов большое внимание уделялось разработке пироэлектрических матриц, что обусловлено их совместимостью с кремниевыми приборами с зарядовой связью (ПЗС) [3]. Однако изготовление таких приборов является сложной технологической задачей [4].
Пироэлектрические материалы преобразуют тепловое излучение в пространственное распределение связанных зарядов на их поверхности. Поэтому возможно конвертировать инфракрасные изображения непосредственно в видимые, если пироэлектрические материалы (ПЭ) объединены с соответствующей электрооптической средой. В качестве такой электрооптической среды могут использоваться жидкие кристаллы (ЖК) [5, 6]. Это обстоятельство определяется, прежде всего, уникальными свойствами жидких кристаллов, а именно: их чрезвычайно высокой чувствительностью к управляющим воздействиям; высокой крутизной модуляционной характеристики; технологичностью изготовления на их основе многоэлементных приборов и устройств большого формата [7]. В данной работе приведены результаты исследований характеристик преобразователя изображения на основе структур ПЭ - ЖК при воздействии лазерного излучения.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СТРУКТУРЕ ПИРОЭЛЕКТРИК- ЖИДКИЙ КРИСТАЛЛ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Преобразователь изображения представляет собой плоскую слоистую структуру: пироэлектрик - Жк - стеклянная подложка. Диаметр пироэлектрической мишени брался равным 1 см, толщины ЖК слоя и подложки - 10мкм и 500мкм, соответственно. Лазерный луч, имеющий круглое сечение диаметром 100 мкм, падает в центр пластины перпендикулярно ей (рис. 1). Плотность теплового потока (W=100 Вт/м2), создаваемая лазером, считалась постоянной во времени и неизменной в пределах сечения луча. В качестве пироэлектрического слоя мишени были выбраны монокристаллы танталата лития (LiTaO3), являющиеся одним из
лучших материалов по факторам пироэлектрического качества (теплопроводность к=3 Вт/мК, теплоемкость с=430 Дж/кгК, плотность р'пэ=7400 кг/м3). Рассматривались пластины различной толщины dпэ.
Рисунок 1 - Схематичное изображение структуры преобразователя изображения
Рисунок 2 - Распределение температуры ДТ (10-3°С) в мишени относительно температуры окружающей среды при воздействии постоянного лазерного излучения (\ = 100 Вт/м2, dпэ = 100 мкм)
Распределение температуры в пироэлектрической мишени может быть описано с помощью уравнения теплопроводности:
ср'т — -ДТ = 0.
г пэ
от
(1)
Граничные условия (111-го рода) для поверхности, подверженной лазерному излучению с плотностью теплового потока \\, имеют вид:
пк gradT = а(Т0 - Т) + Ж , (2)
для остальной поверхности:
пк gradT = а(Т0 - Т),
(3)
где п - единичный вектор нормали к поверхности, Т0- температура окружающей среды.
Полученная система уравнений решалась с помощью программного пакета РетЬаЬ.
Результаты расчетов приведены на рисунке 2, на котором показано распределение температуры ДТ=Т-Т0 мишени относительно температуры Т0 окружающей среды. Из рисунка видно, что нагрев сосредоточен у поверхности, на которую падает тепловой поток. Область, для которой нагрев ДТ > ДТтах/2 имеет диаметр порядка 150 мкм и глубину ~ 50 мкм, причем с уменьшением толщины пироэлектрического слоя размеры данной области увеличиваются. Величина ДТтах составляет 1.9-2.5*10-3°С при толщинах пироэлектрика 200-50 мкм и плотности теплового потока \=100 Вт/м2.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА
При постоянном тепловом потоке в стационарном состоянии пиросигнал будет отсутствовать из-за компенсации связанного заряда. В случае переменного (модулированного) теплового потока на пироэлектрике будет выделяться переменный связанный заряд. Переменный заряд создает переменный потенциал, величина которого определяется временным изменением температуры пироэлектрика. Ось поляризации пироэлектрика перпендикулярна пластине, поэтому для поляризации справедливо выражение:
^ (г) = YdT (г), (4)
где Р5 - спонтанная поляризация, Y - пироэлектрический коэффициент, dTm -изменение средней по толщине температуры пироэлектрика.
Заряд Дд, выделяемый на поверхности площадью Дв, определяется соотношением: Дд=Д8Рв. Тогда, учитывая (4), в случае изменения средней по
толщине температуры пироэлектрика по синусоидальному закону с угловой частотой колебаний ш и амплитудой СТт/2, амплитуда колебания тока, протекающего через нагрузку (пироэлектрик и ЖК), будет:
I, = /Мо^т. (5)
Структура пироэлектрик-ЖК-подложка может быть описана с помощью эквивалентной схемы замещения (рис.3): генератор тока, нагруженный параллельно соединенными емкостями и сопротивлениями пироэлектрика и ЖК [8].
Рисунок 3 - Эквивалентная схема структуры пироэлектрик-жидкий кристалл. Так как Япэ >> Я^, то сопротивление структуры определяется выражением:
И =
К
к
ЖК
л/1 + о2 К2 С2 д/Г+о2 К2жк С
(6)
где Я - общее сопротивление параллельного соединения сопротивления пироэлектрика Япэ и ЖК Яжк (площадью ЛЭ), С - общая емкость параллельного соединения пироэлектрика и ЖК (площадью ЛЭ). А напряжение в заданной точке (ЛЭ^-0) на нагрузке будет:
с1Т (г) р d
т \ / г жк жк
ит (г) = И1т
2
+ °2(?0 Ржк Сжк (£жк 1 Сжк + Спэ 1 Спэ ))2
(7)
где Ржк - удельное сопротивление ЖК, €пэ и ежк - диэлектрическая проницаемость пироэлектрика и ЖК, соответственно.
Анализ уравнения (6), (7) показал, что напряжение на ЖК монотонно увеличивается с увеличением его удельного сопротивления вплоть до 109 Омхм. При дальнейшем увеличении сопротивления выходной сигнал не изменяется. Это связано с тем, что величина (ыРО)2 принимает значения больше единицы.
Рисунок 4 - Зависимость амплитуды напряжения ит на ЖК слое в центре лазерного луча (радиусом 50 мкм, W=100 Вт/м2, Спэ=100мкм) для частот модуляции излучения: 1 - 10, 2 - 30, 3 - 100 Гц
Рисунок 5 - Радиальное распределение температуры ( г=0 соответствует центру лазерного луча) для частот модуляции ^ 1 - 10 Гц; 2 - 30 Гц; 3 - 100 Гц(Спэ=100мкм, W=100 Вт/м2)
Напряжение, создаваемое в электрооптическом слое, также зависит от толщины пироэлектрика и частоты модуляции (рис. 4). При уменьшении толщины dm пироэлектрического слоя возрастают максимальные колебания температуры dTm (в области пятна лазерного луча). С другой стороны, увеличивается емкость пироэлектрика, что приведет к снижению сопротивления нагрузки. Поэтому максимальные значения сигнала на ЖК наблюдаются, когда толщина пироэлектрика составляет несколько десятков микрон. Величина пиросигнала возрастает с уменьшением частоты модуляции.
Однако с уменьшением частоты модуляции увеличивается «размытие теплового изображения». На рисунке 5 приведено радиальное распределение dTm для толщины пироэлектрического слоя 100 мкм при частотах модуляции 10, 30 и 100 Гц. За 100% взято максимальное значение dTm (в точке r=0) для каждой из частот модуляции. Видно, что большей частоте модуляции соответствует более крутой спад dTm, следовательно, при больших частотах изображение будет более четким.
Таблица 1. Расстояние ге, мкм от центра лазерного луча, на котором амплитуда пиросигнала ит (мВ) меньше максимального значения (в центре /=0) в е раз._
мкм f, Гц 10 25 50 100 200
10 75 87 97 104 109
30 69 77 81 84 87
100 62 65 66 67 68
На распределение электрического потенциала в мишени так же оказывает влияние толщина пироэлектрического слоя, но несколько в меньшей степени, чем частота модуляции (табл.1).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведены исследования распределения температуры и электрического потенциала в структуре пироэлектрик-ЖК при воздействии лазерного излучения. Установлено, что для достижения максимальной величины пиросигнала оптимальными являются толщины пироэлектрического слоя ~20 мкм. Показано, что разрешающая способность преобразователя возрастает с увеличением частоты модуляции теплового излучения и уменьшением толщины пироэлектрика. Исследованные структуры могут представлять интерес для визуализации модовых структур лазеров иК-диапазона.
Список использованных источников
1. Kosonocky W.F., Elabd H. A PtSi Schottky-barrier infrared MOS area imager with large fill factor // Jpn. J. Appl. Phys. 22-1, 103 (1983).
2. Lang S. B. Review of recent work on pyroelectric applications // Ferroelectrics. 53, 189 (1984).
3. Watton R., Manning P., Burgess D., Gooding J. The pyroelectric/CCD focal plane hybrid: Analysis and design for direct charge injection // Ifrared Phys. 22, 259 (1982).
4. Muralt P. Micromachined infrared detectors based on pyroelectric thin films // Rep. Prog. Phys. 64, 1339 (2001).
5. Turi L., Kalman P., Toth A. Pyrooptic converter, a new device for wavelength conversion of electromagnetic radiation // Ferroelectrics. 99, 239 (1989).
6. Шут В.Н., Гаврилов А.В., Трубловский В.Л. Пироэлектрический преобразователь изображения // Вестник ВГТУ, 2007, №12. С. 136-140.
7. Lueder E. Liquid Crystal Displays. New York: Wiley Series, 2001, 352 p.
8. Косоротов В.Ф., Кременчугский Л.С., Самойлов В.Б., Щедрина Л.В. Пироэлектрический эффект и его практические применения.- Киев: Наук. думка, 1989. - 224 с.
SUMMARY
The investigations of temperature distribution and electric potential in pyroelectric -liquid crystal structure at affect of laser radiation was carried out. The analysis was made on the basis of the numerical decision of the thermal conductivity equations. It has been shown, that pyrosignal reach highest possible value when pyroelectric thickness is close to 20 ^m. Spatial resolution of the device increase with raising of chopping frequency of infrared radiation and decreasing of pyroelectric thickness. These devices are perspective for diagnostics of mode structure of IR-lasers.
УДК 339:621
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ДИЗАЙНЕРСКИХ РАЗРАБОТОК НА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ВИТЕБСКА
Е.В. Белов
В настоящее время на машиностроительных предприятиях г. Витебска организован выпуск товаров народного потребления (ТНП) в достаточно больших объемах. ВИСТАН выпускает более 60-ти наименований ТНП, ВИЗАС - более 30-ти наименований, налажен выпуск ТНП и другими машиностроительными предприятиями Витебска, ВЗЭП выпускает автомобильные насосы, домкраты и т.д., РУП «Механический завод» выпускает ТНП и предметы городского хозяйства, например, урны.
Следовательно, практически все машиностроительные предприятия Витебска заняты в сфере этого производства. В то же время, анализ состояния организации производства по выпуску ТНП показал, что она находится на низком уровне, особенно что касается дизайна внешней формы изделия. Многие образцы ТНП устарели не только физически, но и морально. У выпускаемой заводом ВИСТАН удочки для подледного лова дизайн внешней формы не менялся более 30 лет; о какой конкурентно способности можно говорить при таком дизайне? Выпускаемый РУП «Механический завод» бытовой керосиновый фонарь для сельской местности имеет внешнюю форму, соответствующую пятидесятым годам прошлого века. При этом не изменился не только дизайн, но технология производства
Анализ компьютерных программ, используемых на производстве, показал, что ни на одном из них не используются графические пакеты прикладных программ, позволяющие прорабатывать дизайн внешней формы разрабатываемых образцов ТНП.
В то же время существующие в настоящее время программы, такие как 3Ds Max и CorelDRAW, Autodesk Inventor позволяют вести разработку дизайна внешней формы не только на плоскости, но и в объеме, кроме того, эти программы позволяют разрабатывать не только внешнюю форму и цветовую гамму объекта, но и, что особенно важно, передавать фактуру материала в зависимости от метода его обработки или получения. Использование этих программ значительно расширяет возможности дизайнера, так как позволяет проработать значительно больше возможных вариантов решения поставленной задачи.
Особое внимание при разработке дизайна внешней формы ТНП следует обращать на важнейшие категории композиции - тектонику, поскольку именно эта категория связывает воедино материал, работу несущей основы конструкции и метод изготовления, так как практически каждый метод изготовления позволяет раскрыть фактуру материала особым, характерным только для него способом.
