CC BY
52Компоненты и технологии, № 2'2003
Разрешите представиться:
PerkinElmer
Андрей Скрипников
support@alkon.net
О компании
Компания PerkinElmer основана 19 апреля 1937 года Ричардом Перкиным (Richard S. Perkin) и Чарльзом Элмером (Charles W.Elmer). Изначально компания занималась разработкой оптического оборудования и инструментов, а также оказывала консультационные услуги в небольшом офисе на Манхэттене. Во время Второй мировой войны, благодаря уникальным технологиям и высокому качеству, компания стала основным поставщиком оптического оборудования для производства перископов для танков и подводных лодок, а также первых высококачественных линз для землемерного оборудования. В 1944 году компания начала производство первого в мире коммерческого варианта инфракрасного спектрометра — Model 12 IR Spectrometer. Технологии, впервые примененные в этой модели, до сих пор являются основным инструментом химического анализа. Они и позволили компании выйти в ряды основных поставщиков аналитического оборудования. В 1955 году компания приступила к производству и продаже первого американского коммерческого газового хроматографа «Модель 154». В 1957 году на конференции в Питтсбурге компания PerkinElmer представила первый коммерческий двухлучевой инфракрасный анализатор, предназначенный для широкого использования, — Infracod Model 137. В 60-х основано собственное производство в Западной Германии и Великобритании.
Динамично развиваясь и осваивая новые направления, на сегодняшний день PerkinElmer заняла прочные лидирующие позиции в нескольких отраслях:
1. Научные исследования в области фармацевтики и генетики.
2. Аналитическое оборудование для медицинских и научно-исследовательских лабораторий.
3. Оптоэлектроника.
PerkinElmer создает новые решения для медицины, телекоммуникаций и для любой отрасли, где необходимо высокоскоростное прецизионное оборудование.
Головной офис компании находится во Фремонте (Калифорния), отделения и филиалы в 125 странах, штат сотрудников — более 4800 специалистов. Все это позволяет качественно обслуживать заказчиков со всего мира. В 2002 году выручка от реализации составила $ 1,5 млрд, 25% от этой суммы — оптоэлектроника.
18
Большая часть продукции PerkinElmer Optoelectronics остается в США, 25% приходится на Европу, 15% на остальной мир (рис. 1).
Основные сферы применения приведены на рис. 2. Ассортимент PerkinElmer Optoelectronics включает:
• Источники света: ксеноновые, ртутные, металлга-логеновые и ультрафиолетовые для медицинского, стоматологического, видео- и проекционного оборудования.
• Полупроводниковые панели на основе аморфного кремния, применяемые в цифровом рентгеновском оборудовании, системах неразрушающего контроля и системах безопасности.
• Лампы-вспышки для фотографического и сигнального оборудования.
• Фотоэлементы (InGaAs pin-фотодиоды, сверхбыстрые InGaAs pin-фотодетекторы, фотоприемные модули, линейные массивы фотодиодов). Применяются в спектроскопии, метрологии, волоконной оптике.
• Термопарные датчики для аналитического оборудования.
• Пироэлектрические приемники для устройств охранных и пожарных сигнализаций, мониторинга окружающей среды.
• Датчики движения, датчики для промышленного оборудования, бытовой техники и др.
Ни один отдельно взятый конкурент не сравнится с PerkinElmer optoelectronics по ассортименту.
Однако по каждому направлению PerkinElmer может пересекаться с другими производителями.
Широкий спектр продукции PerkinElmer выпускается под разными торговыми марками:
• Heimann Optoelectronics;
• ILC Technology;
• ORC;
• Power Systems;
• Q-Arc;
• Reticon;
• Vactec;
• Voltarc;
• Wolfram.
Эту статью мы посвящаем оптоэлектронным компонентам PerkinElmer (Heimann), которые всемирно известны своим качеством, надежностью и конкурентоспособностью.
Под торговой маркой Heimann PerkinElmer выпускает несколько видов продукции, которые предназначены для различных устройств.
-------www.finestreet.ru-----------------------------
Компоненты и технологии, № 2'2003
Видимое УФ-излучение излучение
ИК-излучение
Длина волны, мкм
Рис. 3. Спектральная характеристика излучения абсолютно черного тела
Одним из направлений разработки и производства компании PerkinElmer являются датчики, предназначенные для преобразования длинноволнового инфракрасного излучения (с длиной волны 3-20 мкм) в электрические сигналы.
Каждый физический предмет излучает в пространство волны, характер и интенсивность которых зависит от температуры объекта. Для предметов без цвета (абсолютно черные тела), то есть не излучающих и не поглощающих энергию в каком-то определенном диапазоне волн, интенсивность излучения зависит только от температуры этого тела.
Спектральная характеристика излучения абсолютно черного тела показана на рис. 3.
Кривые на рис. 3 никогда не пересекаются друг с другом. Это говорит о том, что интенсивность излучения в отдельно взятом диапазоне является функцией от температуры. Измеряя интенсивность излучения, можно совершенно однозначно судить о температуре объекта. Такое измерение может быть проведено с помощью наших глаз, которые чувствительны к диапазону волн длинной от 0,38 до 0,75 мкм. Этот диапазон волн, называемый видимым излучением, помечен на рис. 3. Если температура объекта превышает 400 °С (700 К), он начинает излучать в видимом диапазоне. При такой температуре объект будет казаться нам темно-красным. Это хорошо видно, например, при разогреве электрической плитки. Далее, с ростом температуры, например, до 1000 °С (1300 К) свечение объекта становится не просто более интенсивным — изменяется и его цвет. Он становится яркокрасным, так как в спектр излучения добавились участки, отвечающие за воспроизведение зеленого и желтого цвета. Излучение от объекта с температурой 6000 К будет восприниматься нашим глазом как белый цвет.
Если температура объекта меньше 400 °С, требуется датчик, чувствительный к более длинноволновому участку спектра (с длиной волны от 3 до 20 мкм — так называемое тепловое излучение). Наиболее распространенными датчиками, выпущенными за послед---------------------www.finestreet.ru -
ние десятилетия, являются датчики, которые основаны на полупроводниках, обладающих свойством изменять свою проводимость под действием инфракрасного излучения. Это изменение может быть зафиксировано, измерено и использовано, например, в приборах, предназначенных для дистанционного измерения температуры.
Системы, построенные на основе таких датчиков, обладают высокой точностью и разрешающей способностью. Однако их цена достаточно высока, что сдерживает их распространение на потребительском рынке бытовых приборов различного назначения. Ситуацию можно было исправить только с приходом другого класса инфракрасных датчиков. Такие датчики, чувствительные к длинноволновому инфракрасному диапазону, обладающие высокой разрешающей способностью и при этом недорогие, получили название пироэлектрических приемников.
В данном виде датчиков тепловое излучение абсорбируется пироэлектрическим материалом, который в свою очередь преобразует его в электрический потенциал.
Сфера применения пироэлектрических датчиков очень широка. Это детекторы движения, датчики пожарных и охранных сигнализаций, системы дистанционного измерения и контроля температуры, газоанализаторы и многие другие системы. Особенностью всех пироэлектрических приемников является то, что на выходе они имеют сигнал, прямо пропорциональный степени изменения мощности излучения на их входе (рис. 4). Поэтому
и
мощность излучения
г
время
выходной сигнал
время
Рис. 4. Зависимость выходного сигнала пироэлектрического приемника от мощности излучения
их применение оправдано в том случае, если требуется фиксировать изменение уровня инфракрасного излучения. В случае, если датчик применяется для измерения статических уровней мощности (газоанализаторы, измерение температуры), требуется применение устройств, которые обеспечивают прерывание поступающего на вход приемника излучения с требуемой периодичностью (например, механические шторки).
Классический пироэлектрический приемник компании PerkinElmer состоит из следующих частей (рис. 5a):
• металлического корпуса (1);
• инфракрасного фильтра, отсекающего видимое излучение (2);
• керамическую пластину, обладающую пироэлектрическим эффектом с двумя или более чувствительными зонами (4);
• Полевого транзистора, и резистора (3);
• Печатной платы, на которой располагаются компоненты приемника (5);
• Металлической подложки с гибкими выводами (6).
Компоненты и технологии, № 2'2003
Таблица 1. Основные характеристики пироэлектрических приемников PerkinElmer
Наименование прибора
LHI907 LHI874 LHI808 LHI807 LHI333 LHI944 LHI814
Размеры чувствительного элемента, мм2 (количество элементов) 1,77 2x1(2) 2x2(1) 1,5x1,5(1) 2x1(2) 2x1(2) 1,5x1,5(2)
Чувствительность, кВ/Вт і і 0,3 0,6і 3,8 і 0,6і
Уровень шумов, мкВ 20 20 300 600 20 20 600
Напряжение смещения, В 1,5 1,55 1,5 1,5 1,55 1,55 1,5
Напряжение питания, В 2-15 2-15 2-15 2-15 2-15 2-15 2-15
Рабочий температурный диапазон, °С -40...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85
Рабочий угол, град. 150 95 130 135 100 110 77
Наименование прибора
LHI906 LHI1128 LHI2068 LHI1148 LHI968 LHI1448 LHI1548
Размеры чувствительного элемента, мм2 (количество элементов) 2,66 1ж1(і) 2x1(2) 1,35x1^) 2x1(2) 0,953(і) 0,953(і)
Чувствительность, кВ/Вт 3 8 180 і,5 3,8 6,5 5
Уровень шумов, мкВ 20 і0 30 20 30 30
Напряжение смещения, В 1,5 1,55 1,55 1,5 1,55 1,55
Напряжение питания, В 2-15 2-15 і-16 2-15 2-15 2-15 2-15
Рабочий температурный диапазон, °С -40...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85 -і0...+85
Рабочий угол, град. 150 156 100 108 100 103 103
Таблица 2. Особенности и сферы применения пироэлектрических приемников PerkinElmer
Тип приемника Особенности и сферы применения
LHI907 С большим рабочим углом. Предназначен для работы в охранных сигнализациях.
LHI87^878 Двухэлементный датчик, предназначен для работы в датчиках движения.
LHI808 Одноэлементный датчик, предназначен для работы в газоанализаторах. Комплектуется указанным клиентом фильтром для работы с определенными газами.
LHI807 Одноэлементный датчик, предназначен для работы в газоанализаторах. Комплектуется указанным клиентом фильтром для работы с определенными газами. В состав датчиков серии ЬИ1807ТС входит термистор, предназначенный для компенсации собственного нагрева датчика.
LHI9Ü Двухэлементный датчик, предназначен для работы в датчиках движения. Имеет встроенную защиту от электромагнитных наводок.
LHI333 Многоцелевой датчик с большим рабочим углом. Предназначен для работы в группе аналогичных датчиков для обеспечения широкого поля действия.
LHI8U Двухэлементный датчик, предназначен для работы в газоанализаторах. Комплектуется указанными клиентом фильтрами для работы с определенными газами.
LHI906 Двухэлементный датчик с большим рабочим углом. Предназначен для работы в охранных сигнализациях.
LHI1128 Четырехэлементный датчик с большим рабочим углом. Предназначен для работы в охранных сигнализациях.
LHI1U8 Четырехэлементный (элементы сгруппированы в две группы по два элемента) датчик с большим рабочим углом. Предназначен для работы в охранных сигнализациях с повышенными требованиями к надежности.
LHI2068 Двухэлементный датчик широкого назначения со встроенным операционным усилителем.
LHI968 Двухэлементный датчик для работы в охранных сигнализациях.
ІИІ15і8 Четырехэлементный (элементы сгруппированы в две группы по два элементы) датчик с большим рабочим углом. Предназначен для работы в охранных сигнализациях с повышенными требованиями к надежности.
LHI1Ü8 Четырехэлементный (элементы сгруппированы в две группы по два элементы) датчик с большим рабочим углом. Предназначен для работы в охранных сигнализациях с повышенными требованиями к надежности.
Компания PerkinElmer выпускает множество пироэлектрических приемников. Основные из них сведены в таблице 1. В таблице 2 указана применяемость различных пироэлектрических приемников компании PerkinElmer.
Несмотря на свою универсальность, наиболее часто пироэлектрические приемники применяются в тех областях, где требуется фиксирование изменяющегося во времени инфракрасного излучения — датчики движения, охранно-пожарные сигнализации и т. д. Измерение статического излучения, например, в дистанционных датчиках температуры требует дополнительных приспособлений, обеспечивающих прерывность инфракрасного излучения, что сводит на нет низкую стоимость пироэлектрических приемников.
Однако приборы, предназначенные для детектирования длинноволнового инфракрасного излучения, появились более 150 лет назад. Такой прибор получил название «термопара». Термопара устроена достаточно просто: два различных материала спаиваются друг с другом одним концом. При наличии разницы в температуре спаянных и свободных кон-
(2) проводники (4) «холодные» термопары (1) изолятор спаи
(3) кремниевое основание (теплоотвод)
a
b
Рис. 7. Устройство термопарного датчика производства PerkinElmer (а), фотография кристалла (b).
цов термопары, возникает электродвижущая сила, которая так и называется — термоЭДС. Значение термоЭДС является функцией от разницы температур термопары и от ее материалов.
Если в точке соединения материалов термопары установить пластину-поглотитель, которая будет нагреваться от инфракрасного (теплового) излучения, то напряжение на выходе термопары будет пропорционально мощности инфракрасного излучения, попада-
ющего на пластину-поглотитель, Для того, что бы повысить чувствительность такого датчика, несколько термопар соединяют последовательно, На рис, 6 показана первая термопара, сконструированная в 1833 году, Очевидно, что она обладает рядом недостатков, например, из-за большой массы она обладала очень большой инерционностью, что делало невозможным использование термопар для отслеживания быстро меняющихся температурных процессов,
Современная полупроводниковая промышленность позволяет разместить сотни термопар на площади в несколько квадратных миллиметров, Датчик такого типа обладает высокой чувствительностью, малой инерционностью и невысокой стоимостью при массовом производстве, Компания PerkinElmer разработала уникальную технологию массового производства как одиночных термопарных датчиков, так и их матриц, Использование полностью автоматизированного производственного процесса позволяет добиться минимального расхождения параметров одной серии термопарных датчиков,
На рис, 7 приведено устройство современного термопарного датчика производства PerkinElmer,
Процесс производства начинается с нанесения на кремниевую пластину (3) стекловидного слоя (изолятора) — п, 1 на рис, 7a, Затем на изолятор наносятся слои металла (2), образующие в результате несколько сотен соединенных последовательно термопар, После этого участок кремния под стекловидным изолятором удаляется, Оставшийся кремний играет роль радиатора, охлаждающего «холодные» спаи (4) термопар, Завершающий этап -установка поглотителя (3), температура которого изменяется под действием инфракрасно- www.finestreet.ru----------------------
Компоненты и технологии, № 2'2003
мощность излучения
J----------1_____
_Г
Таблица 3. Основные характеристики термопарных датчиков РегкіпЕітег
Наименование прибора
TPS 2534 TPS 333 TPS 333 TPS 334 TPS 334П0 TPS 4339 TPS 434 TPS 534 TPS 535
Площадь чувствительного элемента, мм2 2(1,2х1,2) 0,7х0,7 0,7х0,7 0,7х0,7 0,7х0,7 4(0,7х0,7) 0,5х0,5 1,2х 1,2 0,5х0,5
Размер окна датчика, мм2 2,3х2,6 2,4х2,4 2,4х2,4 02,5 05,5 1,5х1,5 02,5 03,8 02,5
Чувствительность, В/Вт 42 35 35 35 75 75 35 20 35
Сопротивление, кОм 30 75 75 75 75 75 35 40 35
Температурный коэффициент чувствительности, %/К -0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 -0,01 0,02
Температурный коэффициент сопротивления, %/К 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02
Постоянная времени, мс 35 25 25 25 25 25 20 35 20
Рабочая температура, °С -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100
Темература хранения, °С -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100 -40...+100
Сопротивление термистора, кОм 30 30 100 30 30 100 30 30 30
В термистора, В 3964 3964 3964 3964 3964 3964 3964 3964 3964
Рабочий угол, град. 2х90 60 100 60 5 4х60 55 80 55
Таблица 4. Особенности и сферы применения термопарных датчиков РегкіпЕіте
Тип прибора Особенности и сферы применения
ТРБ2534 Двухэлементный термопарный датчик для газоанализаторов. Каждый элемент датчика снабжается индивидуальным фильтром для работы с определенным газом.
ТРБ333 Термопарный датчик для работы в устройствах дистанционного измерения температуры, медицинских термометрах.
ТРБ334 Термопарный датчик для работы в устройствах дистанционного измерения температуры, медицинских термометрах.
ТРБ333І10.6 Узконаправленный датчик для измерения температуры в условиях промышленных предлриятий.
ТРБ4339 Четырехэлементный датчик для работы в газоанализаторах. Каждый элемент снабжается индивидуальным фильтром для работы с определенным газом.
ТРБ434 Для применения в бытовых термометрах.
ТРБ534 Для применения в пирометрах. При использовании дополнительных фильтров - в газоанализаторах.
ТРБ535 Для применения в пирометрах. При использовании дополнительных фильтров - в газоанализаторах.
ТРАМ166 Массив (4х4) термопарных датчиков со встроенным усилителем и коммутатором. Предназначен для дистанционного измерения температуры в условиях промышленных предприятий.
ТРАМ086 Массив (1х8) термопарных датчиков со встроенным усилителем и коммутатором. Предназначен для дистанционного измерения температуры в условиях промышленных предприятий.
го излучения и, соответственно, нагревает «горячие» спаи термопары.
На рис. 7, Ь приведена фотография чувствительного элемента термопарного датчика. Выводы элемента соединяются с двумя выводами корпуса датчика («1» и «2»). Третий вывод предназначен для термистора, который
время
выходной сигнал
-----V
устанавливается в корпус и предназначен для калибровки датчика.
Выходной сигнал с датчика составляет несколько милливольт и необходимо его предварительное усиление. Предварительный усилитель сигнала должен находиться в непосредственной близости от чувствительного
время
Рис. 9. Зависимость сигнала на выходе термопарного датчика от мощности инфракрасного излучения на входе
элемента датчика для достижения максимального соотношения уровня сигнал/шум.
Некоторые термопарные датчики компании РегктЕ1шег уже имеют встроенные схемы для предварительной обработки сигнала с чувствительного элемента непосредственно внутри датчика (рис. 8).
Сигнал на выходе термопарных датчиков прямо пропорционален мощности инфракрасного излучения, поступающего на вход датчика. Зависимость выходного напряжения от мощности излучения приведена на рис. 9.
Область применения термопарных датчиков полностью аналогична области применения пироэлектрических приемников. Однако тот факт, что для работы термопарного датчика не требуется прерывистость излучения на входе датчика, сильно облегчает его работу в таких устройствах, как дистанционные измерители температуры и газоанализаторы.
Основные электрические характеристики термопарных датчиков РегктЕ1шег приведены в таблице 3.
Данная статья не претендует на всеохват-ность. Продукция, производимая компанией РегктЕ1шег, не ограничивается пироэлектрическими приемниками и термопарными датчиками. Заводы РегктЕ1шег, разбросанные по всему миру, производят инфракрасные светодиоды и фотодиоды, лампы-вспышки различного назначения, рентгеновское оборудование и многое-многое другое. Надписи РегктЕ1шегп, Нетапп можно увидеть в больницах, аэропортах, на крупных промышленных предприятиях...
Объем журнальной статьи не позволяет рассмотреть весь спектр производимой продукции РегктЕ1шег. В следующих номерах журнала мы планируем поместить статьи, посвященные использованию продукции РегктИшег в сигнализациях, газоанализаторах и дистанционных измерителях температуры.
За дополнительной информацией по всей продукции РегктЕ1шег обращайтесь по электронной почте support@alkon.net или на сайт http://www.alkon.net/PerkinElmer.
-www.finestreet.ru -
21
