Перестраиваемый фильтр на основе интерферометра фабри-перо

Многослойная структура, наоборот, увеличивает коэффициент пропускания в более широком диапазоне длин волн. В этой конструкции используется только четвертьволновый слой диоксида кремния в качестве первого слоя и тонкие плёнки диоксида кремния и поликристаллического кремния, в которых выполняется условие nd<< λ для обеспечения среднего значения коэффициента отражения [6].Трёхслойное просветляющее покрытие на основе плёнок высокой чистоты имеет средний коэффициент отражения 0,6% во всём спектральном диапазоне 3…5 мкм. Минимальный коэффициент отражения составляет 0.3%. Для достижения оптимальных условий интерференции фильтр Фабри-Перо изготовлен с применением технологии объёмной микрообработки. Держатели обоих зеркал (неподвижного и подвижного) изготовлены из кремниевых пластин толщиной 300 мкм с высоким удельным сопротивлением. Неподвижный отражатель находится в центре и окружён управляющими электродами. Подвижный отражатель удерживается диагонально направленными пружинами, расположенными в углах внешней рамки. Было изготовлено несколько различных подвижных отражателей на пружинах для определения оптимальной конструкции с точки зрения максимального диапазона перестройки фильтра, минимального влияния силы тяжести на центральную длину волны и ширину полосы пропускания, минимального отклонения отражателей от параллельности под действием механических напряжений, а также невысокой сложности изготовления [7]. Конструкция с параллельными пружинами обеспечивает почти идеальное перемещение в вертикальном направлении. Но это только при отсутствии механических напряжений и деформаций в плоскости пластины. Напряжения в продольном направлении не компенсируются пружинами. Они приводят к деформации пружины в вертикальном направлении, как показано на рисунке 10.Рис. 10. Результаты измерения плоскостности в фильтре с параллельными пружинами (для измерений использовался оптический профилометр WYKO NT1100)Сравнение пироэлектрических датчиков с несколькими фильтрами (многоканальных) и с перестраиваемым фильтром Фабри-ПероДатчики обоих типов могут работать в схемах (режимах) с усилением тока, так и напряжения. Соответствующие схемы представлены на рисунке 11. При идентичных основных условиях удельная обнаружительная способность D* пироэлектрических датчиков в обоих режимах одинакова. Тем не менее, режим с усилением тока имеет некоторые преимущества, поэтому для пироэлектрических датчиков с перестраиваемым фильтром данный режим является предпочтительным. Благодаря значительно более короткой электрической постоянной времени по сравнению с тепловой постоянной времени отклик имеет на несколько порядков большую амплитуду. АЧХ достаточно плоская вплоть до частоты среза, которая может лежать в диапазоне от 10 до 1000 Гц [8].Рис. 11. Эквивалентные схемы пироэлектрических датчиков с усилением напряжения и токаВ многоканальных пироэлектрических датчиках поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму, разделяется на две или четыре части. Однако процессы разделения пучка излучения и спектральной фильтрации происходят одновременно. В датчиках с перестраиваемым фильтром спектральная фильтрация происходит последовательно, так как анализу подвергается весь поток излучения, проходящий через апертурную диафрагму. Узкополосные фильтры в многоканальных датчиках также основаны на конструкции фильтра Фабри-Перо. В них также используется резонатор с отражателями на основе четвертьволновых (QWOT) диэлектрических слоёв. В отличие от перестраиваемого фильтра Фабри-Перо, узкополосные фильтры могут содержать несколько связанных резонаторов. Таким образом получается более прямоугольная характеристика пропускания, что в свою очередь обеспечивает лучшее согласование со спектрами поглощения отдельных газов.Многоканальные пироэлектрические датчики лучше подходят для анализа смесей из нескольких известных газов. Типичными примерами успешного применения таких датчиков являются мониторы анестетических газов и аппараты для исследования функции лёгких. Датчики с перестраиваемым фильтром обеспечивают более высокий уровень эксплуатационной гибкости газоанализатора и позволяют проводить анализ сложных газовых смесей со смежными или перекрывающимися спектрами поглощения. При испытаниях датчиков были успешно измерены концентрации отдельных газов, таких как пары этанола и углекислого газа, и проведен анализ газовой смеси, содержащей метан, пропан и анестезирующие газы. Далее приведена сводная таблица сравнения многоканальных и перестраиваемых датчиков.Таблица 1. Сравнение многоканальных и перестраиваемых датчиковХарактеристикаМногоканальный датчикПерестраиваемый датчикОсновной элементДелитель пучкаПерестраиваемый фильтр Фабри-ПероФильтрацияОдновременнаяПоследовательнаяЧасть потока излучения на канал25 или 50 %100 %ФильтрОднорезонаторный или многорезонаторныйОднорезонаторный с регулируемым воздушный зазоромСпектральный диапазон3…25 мкм4.3…3.0 / 5.0…3.7 мкмРежим с усилением токаДаДаРежим с усилением напряженияДаДаТемпературная компенсацияНетДаСписоклитературы1. MolExplorer 3.6, Copyright 2006 PASTECH GmbH2. J. Staab, IndustrielleGasanalyse, Oldenbourg, München und Wien, 1994.3. H.A. Macleod, Thin-Film optical filters, IoP, Bristol and Philadelphia, 2001.4. S. Kurth, K. Hiller, N. Neumann, M. Heinze, W. Dötzel, T. Geßner, “A tunable Fabry-Perot-Interferometer for 3–5 µm wavelength with bulk micromachined reflector carrier”, Proc. SPIE Vol. 4983, 215-226 (2003).5. N. Neumann, K. Hiller and S. Kurth, „Micromachined Mid-Infrared Tunable Fabry-Perot Filter”, Proc. 13th Int. Conf. on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, 1010-1013 (2005) Seoul, Korea, June 5-9, (2005).6. W.H. Stockwell, “Coating design using very thin high- and low-index layers”, Appl. Optics 24(4), 457-460 (1985).7. N. Neumann, M. Ebermann, K. Hiller , S. Kurth, „Tunable infrared detector with integrated micromachined Fabry- Perot filter”, Proc. SPIE Vol. 6466, 646606 1-12; (2007)8. N. Neumann, H.-J. Stegbauer, H. Sänze, M. Gürtner, F. Schneider, „Application of fast response dual-colour pyroelectric detectors with integrated op amp in a low power NDIR gas monitor“, Proc. 8th Int. Conf. for Infrared Sensors and systems, IRS2, 183-188 (2004), Nuremberg, Germany, 25-27 May, 2004.