Mikrobolometri Theory
Kaj sledi, je poglavje iz moje končno poročilo leto pozneje "Simulacijo SPIRE uporabo IDL". Pri raziskovanju je projekt sem ugotovila, da je težko najti nekaj osnovnih uvod v teorijo mikrobolometri, zato sem se odločil, da svoj prevod na spletu. Ogledate si lahko tudi poglavja v celoti zvezi s prenosom svoje četrto poročilo poročilo: Simulacija SPIRE z IDL .
- Temeljna načela
- Time Constant
- Odzivnost
- Odzivni čas Bolometar
- Noise Enakovredne Power
- Photon Shot Hrup in Wave Noise
- Photon Noise Limited NEP
- Photon Detector učinkovitost
- Drugih virov hrupa,
- Zmanjšanje hrupa
- Dodajanje Noise Pogoji
- Splošni Hrup in NEP
Temeljna načela
Mikrobolometri je naprava, ki zazna dohodni sevanja, ki ga proizvajajo spremembe v električnem uporu sorazmerna s količino sevanja sevanja received. Incoming se absorbira v goriščni ravnini, kar povzroči povišanje njegove temperature, kar povzroči spremembo v svojem električne upornosti .
Bistveni elementi mikrobolometri so naslednji:
Slika 3.1 - Diagram Bolometric Detector
The mikrobolometri sama sestavljena iz absorpcijski material povezan z toplotnega izmenjevalnika osnovnih Incoming temperature. elektromagnetno (EM), je sevanje absorbira material poveča kinetična energija prosti electrons. trčenja prostih elektronov z atomi v mrežni material vzrok vibracije, ki so opazili kot spremembo temperature.
Tipični materiali za termometer za polprevodnike, kot so dopirane germanium. Odpornost za takšne bistvene spremembe bistveno za majhne spremembe temperature in mogoče opredeliti z enačbo,
| (3.1) |
če 
je stalno imenuje upor parameter (ohmov), 
je upor (Ohm), 
je temperatura upor, in 
(K) je material band vrzel temperature. Vrednost 
se imenuje material parameter in je glede na simbol 
. Temperaturni koeficient upora, je opredeljena s,
| (3.2) |
Poslovanje mikrobolometri detektor so prikazane na sliki 3.1. The mikrobolometri pri temperaturi 
je povezana s hladilno telo osnovnih temperature 
s pomočjo toplotne prevodnosti 
. Dc pristranskosti sedanje 
teče skozi mikrobolometri ustvarja napetost 
. Spremembe v prihodnje moč sevanja 
povzročijo spremembe v odpornosti 
, In zato v izhodno napetost 
. Tipično mikrobolometri vplivanje in odčitavanje vezje je na sliki na sliki 3.2.
|
Slika 3.2 - mikrobolometri vplivanje in odčitavanje vezje |
Sedanji, ki teče skozi upor povzroči razpad moči 
v absorpcijski material. Poleg tega je količina sevalne energije, ki jo absorbira absorber označene z 
. Skupna moč prehaja v Bolometar 
torej, ki jih,
| (3.3) |
Pod pogojev stabilnega stanja se bo energija, ki jo sprejemnikov odstraniti na heatsink s termalno link, je ta, ki jo naslednjega razmerja,
| (3.4) |
Enosmerni napetosti tok (VI) krivulja za mikrobolometri je določen z enačbami,
| (3.5) |
V praksi mikrobolometri je pristranski iz baterije napetosti V 0 in upor R L. Odpornost na obremenitve upor je običajno zasnovana tako, da je veliko večji od upora mikrobolometri za svoje celotno območje delovanja. To je, da trenutno poteka skozi mikrobolometri na stabilni ravni, tako da je moč prehaja v mikrobolometri z uporovnim termometrom ostane nekoliko spremenila.
Operativne točke za mikrobolometri je podan na stičišču krivulja obremenitve in tovorne črte, določene z enačbo,
| (3.6) |
Graf, ki prikazuje tipično VI krivulje in tovorna črta iz rezultatov simulacije program, ki sem proizveden v IDL je podan na sliki 3.3.
|
Slika 3.3 - IDL izhod iz več krivulj VI z tovorna črta čez narisane |
Kot je razvidno s slike 3.3, odpornost mikrobolometri je neverjetno visoka pri majhnih tokov. The mikrobolometri odpornost začne padati, sčasoma ravni off pri višjih tokov, saj je dodatno moč razpršila v absorpcijski material. Če je sevanje je incident na detektor, bo moč prehaja v absorber tudi povečala. To ima za posledico zmečkanja krivulje VI, kot je prikazano na sliki zgoraj. Električna energija lahko prehaja v absorpcijski material, kot izhaja iz [8], je podana s,
| (3.7) |
če 
predstavlja delno povišanje temperature v absorber, kjer 
predstavlja absorber gradivo, ki se pri temperaturi 
. 
je statični toplotna prehodnost toplotne link na 3 je temperatura hladilnika (WK -1), ki je podana z naslednjo zakon moči,
| (3.8) |
če 
je statična toplotne prevodnosti na 300mK (WK -1), in 
in se imenuje toplotne prevodnosti indeks. Izraz 
se imenuje nakladanje parameter in je podana z enačbo,
| (3.9) |
To je nakladanje parameter, ki povzroči zmečkanja učinek krivulje VI, kadar je incident EM sevanja na detektor.
Kot pri večini fizikalnih sistemov mikrobolometri ne odzove takoj, da instant sprememb v svoje vložke. V mnogih primerih je odziv detektorja za korak naprej v vhodni je eksponentno spremembo izhodnega. To je podobno polnjenje in praznjenje kondenzatorja v vezje RC.
Mikrobolometri ima eno zaloge energije v toplotno kapacitivnost absorber. Zato lahko mikrobolometri vzoru z enim samim prvo enačbo da razlike; to pomeni tudi, da mikrobolometri ne trpijo zaradi vpliva na spomin. Odziv je lahko torej značilna časovna konstanta 
ki je za mikrobolometri podana z enačbo,
| (3.10) |
če 
je absorber toplota (JK -1). Statični toplotne prevodnosti 
je povezano z vrednostjo 
na 3 je temperatura hladilnika, ki jih,
| (3.11) |
Ko sevanje je incident na detektor, da poveča svojo temperaturo za majhno količino, to vpliva na sunkov toplota in toplotne prevodnosti povezave. Absorber toplota pri povišani temperaturi se nanaša na znane vrednosti 
na 300mK jih,
| (3.12) |
če 
toplota indeks. Če pogledamo nazaj v enačbo (3.2) in z izrazi, opredeljeni zgoraj, se lahko temperature koeficient upora, predelajo kot,
| (3.13) |
če 
je moč zakon indeks iz uporne in temperaturne zvezi v enačbi (3,1). Vidimo, da 
negativen za polprevodniške Bolometar. To vodi do vrednosti 
ki je manjša od tiste, opisane z enačbo (3.10). To je posledica elektrotermične povratne informacije, ki je opisan v [9]. Definiramo nov mandat 
kar je vrednost 
s korekcijo za elektrotermične povratne informacije,
| (3.14) |
Te nove vrednosti nam omogoča, da opredeli vrednost 
ki spet vsebuje popravek za elektrotermične povratne informacije,
| (3.15) |
Ker je toplotni upor pristranski z napetostjo 
električno razpršila v absorberju se lahko daje 
. Povečanje incident signal EM se bo povečala temperatura toplotne upor in s tem tudi poveča njeno odpornost, to pa bo povzročilo zmanjšanje moči razpršila. Če je upor deluje v strmem delu njegova krivulja bo potem skupna moč prehaja v absorber ostale nespremenjene, saj bo njeno temperaturo. Ta sistem se imenuje negativno elektrotermične povratne informacije. To je prednost skrajšanja časa konstantna od 
termične časovne konstante, kot je navedeno v (3.10).
Odzivnost
Odzivnost je opredeljena kot sprememba izhodne napetosti za spremembe v incident moči, ki je v mikrobolometri je enakovreden spremembam v temperaturi. Napetost odzivnost v goriščni ravnini, kakor je opredeljena,
| (3.16) |
in se spreminja v odvisnosti od delovne točke. Če je signal na detektor modulirane mora spreminjanjem frekvence dovolj nizka, da lahko detektor odzvati na spremembe na oblasti. Izkazalo se je, da
| (3.17) |
če 
frekvence modulacije. Ničelna frekvenca (dc) odzivnost je mogoče neposredno oceniti iz krivulja obremenitve z uporabo izraza,
| (3.18) |
če je nič pogostost dinamične impedance 
(Ohmov) za Bolometar 
na delovne točke. 
lahko dokaže, ki jih izda,
| (3.19) |
Odzivni čas Bolometar
Za večino bolometers je oblika krivulje VI prevladuje ravni ozadja moči. Ko je majhen dodaten signal uporablja za mikrobolometri lahko odhod iz krivulje VI zanemarljiv. To je znano kot mala približevanja signal. V majhni tj signal mejo, pri kateri vir 
ozadje je sprememba v napetosti mikrobolometri zaradi spremembe v incident sevanja moči lahko daje,
| (3.20) |
Sprememba v izhodno napetost ne zgodi v trenutku in s primerjavo mikrobolometri z vezjem RC odgovor lahko ponazorimo z eno od naslednjih dveh enačb,
| (3.21) |
Ko se ti zapiše enačbe so v naslednji obliki (kjer je 
in 
),
|
Slika 3.4 - Plots od V proti Čas je za pozitivne in negativne V |
Ko se štejejo za velike signale, je odstopanje od krivulje VI ni več zanemarljiva. Zato je sprememba izhodne napetosti zaradi spremembe v incident moči, ni mogoče izračunati z uporabo odzivnost je sedaj, ki jo je sprememba v napetosti točko Bolometar. V gibljejo od začetne do končne krivulje VI, časovne konstante sistema spreminja v odvisnosti od delovne točke. Zato mikrobolometri ni več sam časovno konstanto naprave in ga ni mogoče modelirati z uporabo preprostih RC enačb odziv vezja.
|
Slika 3.5 - VI krivulje za velike spremembe signala |
Noise Enakovredne Power
Velikega pomena za vse mikrobolometri je Noise enakovredne moči ali NEP. NEP je koren povprečne kvadratne jakost signala potrebna za enako efektivna vrednost tega detektorja hrupa. Najboljši signal-to-noise "razmerje, dosegljivih z mikrobolometri je podana z enačbo,
| (3.22) |
Na splošno je NEP enote 
.
Photon Shot Hrup in Wave Noise
Če upoštevamo delcev sliko svetlobe in spoznati, da bo glede prispejo na detektor v naključno ali nepovezano način lahko definiramo hrupa fotona strel. Photon shot hrup je upravičeno, pri visokih frekvencah (če je foton slika lahkih najbolj primerna), vendar redkeje val sliko svetlobe je bolj primerno in zato definiramo drug izraz šum valov.
Z uporabo Bose-Einsteinova statistika, in ob predpostavki, da v ozadju za odkrivanje je v obliki črnega telesa smo ugotovili, da je koren povprečne kvadratne nihanja v številu fotonov, ki pride v času , V frekvenčnem intervalu 
V daje,
| (3.23) |
če 
, 
= Sevalnost ozadje, in 
= Skupni izkoristek prenosa moči med ozadjem in detektor. Dodatno 
čas upošteva za val hrupa.
Photon Noise Limited NEP
V najboljšem primeru se bo detektor in nadaljnje sestavine dodamo zanemarljivo količino dodatnega hrupa za signal poleg hrupa foton strel. Zato je foton omejitve hrupa od občutljivosti mikrobolometri meritve, je to zadnji meja se imenuje foton hrup omejen NEP, 
. Ta je podana z enačbo,
| (3.24) |
Photon Detector učinkovitost
V praksi ni mogoče pridobiti foton hrupa omejeno S / N, kot to predvideva, da se uporablja popoln detektor. Real detektorjev se razlikujejo po delovanju v dejstvu, da,
- pravi detektor ne odzivajo na vsak foton
- detektorja in elektronike izdelavo dodatnega hrupa
Dva parametra so določene, da se upoštevajo te na pomanjkljivosti v sistem za odkrivanje in sicer so ti Responsive Quantum učinkovitost in detektiv Quantum učinkovitosti.
Odzivno Quantum učinkovitost (RQE ali 
)
The RQE ali so računovodski izkazi za nepopolno absorpcijo fotonov in opredeljena kot del incident fotonov, ki prispevajo k signal, seveda 
.
Detektiv Quantum učinkovitost (DQE)
| (3.25) |
The DQE je razmerje med dejansko občutljivost za doseganje največjega načelno. Parameter ti vzame obe se absorpcijska učinkovitost in dodatnega hrupa, ustvarjene v detektor upoštevati. Ta parameter se lahko uporabijo za primerjavo različnih vrst detektor s seboj.
V praksi je pristranskost napetost izbran za pridobitev vrha DQE za vsak detektor. V primeru SPIRE, je skupine detektorjev, ki imajo skupno pristranskosti napetosti, ki se lahko prilagodijo za pridobitev optimalne DQE za skupino.
Drugih virov hrupa,
Johnson Noise
V kateri koli del katerega koli materiala, ki opravljajo elektroni so naključno termično predloge, ker ima material končno temperaturo. Bolometric detektor in njegovih komponent - ali se lahko šteje, da je - upor z električni stik na obeh koncih. Če ni električnih potencialov na stikih napetosti v upor bo naključno niha okoli nič voltov, to pa zato, ker pozitivne in negativne nihanja so enako verjetni. Hrupa moči znotraj komponenta pa je sorazmerna nihanje napetosti na kvadrat to pomeni, da je vedno pozitiven. To se imenuje Johnson ali Nyquist Noise.
| (3.26) |
Frekvenčnega spektra hrupa Johnson je ravno to pomeni, da je pogostost neodvisnega. To je razvidno iz zgornje enačbe, kjer ni frekvenčno odvisnost. Hrup je z ravno spektra, imenovana bela hrupa.
Phonon Noise
Do sedaj smo menili, hrup, ki nastaja iz fotonov in elektronov, zdaj menijo, pretok toplote v ponora toplote, kot kvantizirana v obliki fononi (kvantizirana predalčni vibracije). To vodi do naključnih nihanj temperature Bolometar. The Phonon hrupa NEP, 
, Je,
| (3.27) |
Temperatura Noise
Temperatura hrup je posledica dejstva, da je hladilno telo ni pri stalni temperaturi in nekoliko razlikuje v daljšem časovnem obdobju. Temperatura hrupa NEP, 
je,
| (3.28) |
če 
je spektralno intenzivnosti nihanja temperature ponora toplote (K 2 Hz -1).
1 / f hrupa
Ta vir hrupa je zelo pomembno v praktični uporabi, čeprav so razlogi zanje pogosto ni zelo dobro razume. Za večino naprav, so velike ravni hrupa, so na voljo na nizkih frekvencah.
|
Slika 3.6 - 1 / f hrupa |
Zmanjšanje hrupa
Hrup vpliva na rezultate v poniževalno mode in zato zaposlujemo več tehnik (z namenom zmanjšati njegove učinke.
- Make pasovne širine po odkrivanju čim manjša
- Poskusite se izogniti merjenje signalov (ali frekvenčnega pasu), ki sovpadajo z diskretnimi virov motenj frekvenc
- Poskrbite, da bo signal frekvenco (ali frekvenčnega pasu), je dovolj visoka, da ne bo obremenjeno z večje količine hrupa.
Zaradi 
hrupa ni mogoče opazovati vir za dolgotrajno stalno nadzorovati, kar bi vključevalo delo pri zelo nizkih frekvencah, kjer je 
hrup bi bil znaten. Ena od tehnik, da se prepreči 
hrup, da se spremeni signal s frekvenco, ki je dovolj visoka, da 
ni več pomembna. Modulacije, frekvence, ne more pa biti tako visoka, da detektorji rezultati frekvenčni odziv v izgubi signal. Dodatna prednost za modulacijo tehnika je, da se lahko uporabi za odštevanje ozadja iz signala s preklopom med virom signal in ozadje signal, to je znano kot â € ~ choppingâ € ™ v FIR / sub-mm pripombe.
Skupna hrup v sistemu bo kombinacija vseh posameznih virov hrupa tega, kot je opisano prej. Predpostavljamo, da so vse vire hrupa nepovezano to je vrednost ena ni odvisna od drugih. Ker so nepovezano jih je dodal običajno ne upoštevajo faze hrupa, zato vzamemo srednjo vrednostjo kvadratov hrupa (efektivna vrednost), kot je bilo včasih vire hrupa lahko izničijo.
|
(3.29) |
če 
je hrup napetost spektralne gostote (VHz -1 / 2) iz vsake hrupa prispevkov.
Splošni Hrup in NEP
Možno je, da se opredeli NEP na naslednji način je moč signala, ki daje S / N 1 v integraciji času 0,5 sekunde. Če pustimo 
= Detektor odzivnost (VW -1), 
= Elektromagnetnih moč incident na detektor (W) in, 
= Skupni hrup napetosti spektralne gostote, se lahko signal napetosti zapišemo,
| (3.30) |
Hrup, napetost se bo potem daje,
| (3.31) |
Z opredelitvijo NEP, če 
potem signal napetosti 
. Zato dobimo enačbo za NEP glede napetosti spektralne gostote Hrup in odzivnost,
| (3.32) |
Enote NEP so običajno podana kot WHz -1 / 2, je Hz -1 / 2 pogojev se nanaša na odkrivanje pasovne širine pošti ali obratna od vključevanja časa.
- Teorija hrupa enakovredno moč temperature superprevodnik daleč infrardeče visoko mikrobolometri v foto-... y Theor hrupa enakovredno moč temperature superprevodnik daleč infrardeče visoko mikrobolometri v foto-termoelektrični način delovanja Teorija hrupa enakovredno moč visokotemperaturni superprevodnik daleč infraredbolometer na fotografiji
- 1 Uvod (PDF) ... popravljeno različico Griffin & Holland ideal polprevodniških Bolometar. model je predstavljen in njeno uporabo v ... temelji na teoriji mikrobolometri ne-ravnovesja. Mather [10], ampak je ... astro.cf.ac.uk / skupin / ... / Sudiwala_et_al_IJMM_ Bolometar _paper.pdf
- Preprosta teorija za trdne zavarovanih bolometers preprosta teorija za trdne zavarovanih bolometers preprosta teorija za trdne zavarovanih bolometers preprosta teorija je predlagal, da pojasni frekvenčni odziv solid-backed bolometers. Predpostavlja, enodimenzionalna tok toplote skozi Bolometar
- HIGH PRECISION ZNAČILNOSTI SEMICONDUCTOR BOLOMETERS (PDF) ... metrov, z uporabo mikrobolometri model predstavljen v Sudiwala et ... SUF? izdatno enotne ravni doping. Ideal mikrobolometri teorijo mogoče [1, 2, 7], ki se uporabljajo za ... astro.cf.ac.uk / skupin / ... / Woodcraft_et_al_IJMM_ Bolometar _paper.pdf
- DOE Document - Neravnovesna teorija elektroni mikrobolometri vroče z normalnim-izolator-superprevodnik tunel kovine ... Delovanje elektroni mikrobolometri vroče z normalnim kovina-izolator-superprevodnik (NIS) predor stičišča kot temperaturni senzor je teoretično analizirati. The odzivnost in hrupa enakovredno moč (NEP) na goriščni ravnini so pridobljeni
- Image Processing in najmanjših kvadratov Rekonstrukcije (PDF) ... doseči z upoštevanjem standarda slike. vzorčenje teorije pri oblikovanju problem najmanjših kvadratov ... razprševanja, ker zvežejo mikrobolometri nič točk za tok v
- Microcalorimeter in mikrobolometri Model Microcalorimeter in mikrobolometri Model Microcalorimeter in mikrobolometri model standard-ravnovesje teorija ne hrupa v idealnih bolometers in microcalorimeters ne napoved delovanja resničnih naprav zaradi dodatnih učinkov
Ki Toy Johnson Pic ...
I googled za nekaj povsem drugega, vendar je bilo ugotovljeno svojo stran ... in reči hvala. lepo brati ....
Dobro opravljeno Steven. Nekaj zelo pomembno, da se spomnim, je, da vsakdo potrebuje dober uvodni sklicevanje razumeti osnove pred uresničevanje napredne teme posebnost, ki temelji na temelju osnove. Razumevanje osnov je dovolj za večino ljudi, da bi bila uspešna.
Vaša spletna stran je odličen uvodni reference. Če je vaša poklicna pot vas vodi do raziskovalnih več naprednih odtenke bolometers in si na koncu objavi, prosimo, ohranijo in objavi te sedanje telo dela ter da bi služil kot uvodni material za prvi-ura. Strinjam se s Ki. Vaša spletna stran o teoriji mikrobolometri je dobro prebrati.
J
Sem našel svoje predavanje najbolj pomagali pri razvoju razumevanja mikrobolometri parametrov in lastnosti. Jaz sem 4. semester študent elektrotehnike in sem se trenutno ukvarjajo s projektom, ki vključujejo Mikrobolometri. V zvezi s tem bom greteful če lahko objavljajo ustrezne literature.
Našel sem leto lucture da je zelo koristno za moj raziskovalni del, ker ne vem ničesar o goriščni ravnini. Ampak jaz še vedno problem za prikaz slike v svojo spletno stran. Kaj naj naredim? Sem poskusil, da prenesete na svoj pdf.file, vendar to ne dela prav.
Prosimo, ne oklevajte, da bi nekaj predlog. Moj e-mail: jiku_jung9@hotmail.com
Saj ne, da sem želite kopirati vašo spletno stran, vendar sem resnično ljubezen videz. Mi lahko poveste, kateri temo uporabljate? Ali je bila izdelana po meri?
Tema se navezuje na dnu te strani (v nogi).
Slike in PDF obnovljena, oprostite za težave
dragi steven
Sem našel svoje predavanje tako uporaben, ampak jaz ne vidim slike ali najti pdf.
bi vas prosim pomagajte mi, kaj jaz shoud storiti?
S spoštovanjem
Dragi steven
Najlepša hvala za vaše čudovito predavanje, vendar ne morem prenesti "Simulacijo SPIRE uporabo IDL" Bi lahko pošljete z mano? Hvala vnaprej.
E-pošta: lhfsemail@gmail.com
Ali lahko prosimo, pošljite mi mail. Res mi je všeč vaš design.