Сенсори температури на основі інтегральної електроніки та оптики

Розраховано розподіл температурного поля в структурі сенсора, конструкція якого змодельована півбезмежною смугою – пластиною з джерелами тепла q, розміщеними на лінії х = 0.

 

 ,

 

де tс – температура зовнішнього середовища; t0 – початкова температура смуги; х, у – координати точки серединної поверхні смуги, віднесені до півтовщини смуги d;   – критерій Фур'є; а – коефіцієнт температуропровідності;  ;   – тета-функція; l – коефіцієнт теплопровідності; Mi=BiF0 – критерій Міхеєва;   – функція похибок Гауса; St (t) = н1, якщо 0 < t; 0, якщо t Ј0 э – асиметрична одинична функція.

Збільшення товщини плівок приводить до незначного зменшення як чутливості, так і інерційності сенсора, що пов'язано зі збільшенням тепловідводу від гарячого спаю сенсора по віткам термобатареї. В той же час товщина підкладки суттєво впливає на інерційність сенсора: зі збільшенням товщини підкладки від 5 до 30 мкм інерційність збільшується в 3 рази, що пов'язано зі збільшенням теплоємності приймальної площадки. В той же час товщина підкладки не впливає суттєво на чутливість сенсора.

Розроблений сенсор діаметром 10 мм з кількістю спаїв 100 і внутрішнім опором термобатареї 20 кОм може використовуватись для вимірювання потоків випромінювання в діапазоні 10-10... 103 Вт, спектральний діапазон 0, 4... 28 мкм.

Для метрологічного забезпечення розроблених термосенсорів та вимірювачів температури створено аналого-цифровий активний імітатор опору та малогабаритну, переносну, багатозначну міру опору, напруги та струму, що забезпечує представлення напруги, опору, струму з приведеною похибкою не більше 0, 02% на границях 10мВ, 10Ом, 1мА відповідно і 0, 01% – на інших границях. Дискретність відтворення опору, напруги, струму – 0, 001Ом, 1мкВ, 0, 1мкА відповідно.

У п'ятому розділі наведені результати розробки рідкокристалічних сенсорів температури. Вивчені температурні залежності кроку спіральної структури, напруги прямого холестерико-нематичного фазового переходу, часу вмикання немато-холестеричних сумішей на основі нематичних матриць (суміш 5 ЦБ і ЖК440) і оптично активних домішок (члени гомологічного ряду ефірів холестерину: холестерилкаприлат, холестерилкапронат, холестерилундецилат).

Зростання кроку з температурою пов'язане зі зменшенням розміру деформації поля директора нематика, спричиненим молекулою ОАД внаслідок погіршення передавання орієнтуючого впливу через кутову орієнтацію молекул нематичної матриці. При цьому даний процес не компенсується температурним зменшенням констант пружності.

Показано, що для хіральних нематичних сумішей на основі ціанобіфенілів та оксиціанобіфенілів з домішкою нематичного рідкого кристала бороксан зростання температури приводить до зменшення величини петлі гістерезису dU при всіх можливих концентраційних варіантах, що пояснюється зменшенням з температурою таких фізичних параметрів суміші, як діелектрична анізотропія De та константи пружності.

Показано доцільність використання в сенсорах температури немато-холестеричних сумішей на основі нематичних матриць з вищим вмістом сильно полярної компоненти і з оптично активними домішками членів ряду ефірів холестерину з вищим порядковим номером і меншою концентрацією.

Виявлено вплив кроку холестеричної фази синтезованих сумішей на ефективність селективного розсіювання бреггівського типу. Для випромінювання видимого діапазону інтенсивність розсіяного світла спадає зі зростанням значення р0 внаслідок зростання порядку дифракційного відбивання падаючого під кутом випромінювання.

Пояснено характер залежності значення мінімальної інтенсивності світла, яке пройшло через зразок у процесі холестерико-нематичного фазового переходу, від співвідношення d/р0, що визначається в основному механізмом розсіювання випромінювання видимого діапазону (І=0, 63мкм) на неоднорідностях (доменах) конфокальної текстури НХС. Описано залежності відношення Іmin/Imax від відношення d/рo для досліджуваних НХС з допомогою функції, в якій введено коефіцієнт А, що враховує дисперсію розмірів та напрямку орієнтації конфокальних доменів.

Розроблено мікроелектронний сенсор температури на основі електрооптичних ефектів у системі оптична призма – рідкий кристал, який забезпечує реєстрацію температури завдяки ефекту селективного відбивання та пропускання довжин хвиль спектра.

Активним середовищем сенсора є індукований холестерик з інтервалом мезофази 253... 333 К. В залежності від значення температури відбувається селективне пропускання певної довжини хвилі, тобто зміна кольору на виході дисперсійної призми. Діапазон вимірюваних температур визначається температурним інтервалом існування мезофази. Точність вимірювання температури ±1К.

Досліджено фазовий перехід з холестеричної до блакитної фази у високохіральних нематиках для побудови рідкокристалічного індикатора температури. Виявлена стрибкоподібна зміна довжини хвилі селективного відбивання (кольору забарвлення термоіндикаторної плівки) в рідкому кристалі, що забезпечує можливість візуальної реєстрації фіксованої температури.

Показано, що вибір рідкокристалічного матеріалу необхідно проводити так, щоб температура фазового переходу з холестеричної до блакитної фази відповідала необхідній фіксованій температурі. Бреггівська довжина хвилі холестеричної фази лежала у видимій області спектра і плавно змінювалася з температурою у холестеричній фазі аж до переходу холестерична фаза – блакитна фаза. Досліджені залежності температури переходу холестерична фаза (ХФ) -блакитна фаза (БФ) від концентрації ХХ (холестерилхлориду) у суміші ХП (холестеринового ефіру пеларгонової кислоти) – ХХ (холестерилхлориду)

Селективне відбивання світла відбувається у вузькій спектральній області (що сприяє чіткості кольору індикації), стала часу термоіндикаторної плівки (0, 1... 0, 2с) повинна бути менша від часу, за який відбувається зміна розподілу теплового поля досліджуваного об'єкта.

У шостому розділі наведені результати дослідження основних властивостей рідких кристалів як активного середовища в сенсорах температури. Досліджено вплив поверхні, що межує з рідким кристалом, на крок