J. Jayapandian, K. Prabakar, O.K. Sheela
Electronic Design
Как правило, мощность лазерного излучения измеряют при помощи термопар, термоэлектрических датчиков или фотодиодов. Однако измерители, основанные на принципах термопреобразования, подвержены сильному влиянию генерируемого лазером тепла, к тому же, они очень громоздки и инерционны. Фотодиодные преобразователи невелики по размерам, имеют хорошее быстродействие, но крайне нелинейны. Нам же требовалось альтернативное решение, которое, имея микро- и нано размеры, позволяло бы с очень высокой точностью измерять малые мощности лазерного излучения (мВт и мкВт).
Мы решили исследовать возможность использования для этой цели пьезорезистивного элемента, созданного на кремниевой подложке по технологии микроэлектромеханических систем (МЭМС). Подобный датчик может изготавливаться на общем кристалле с электронными схемами обработки сигнала, и стоит дешевле, чем традиционный фотодиод с усилителем. Чтобы проверить идею, не прибегая к разработке и изготовлению микросхемы, мы использовали выпускаемый промышленностью стандартный пьезорезистивный МЭМС датчик давления.
 |
|
| Рисунок 1. | Эластичная деформация тонкой кремниевой мембраны в МЭМС датчике давления изменяет сопротивление расположенных на ее поверхности пьезорезистивных элементов. |
Датчик имеет тонкую кремниевую мембрану, герметично закрывающую расположенную под ней полость, и четыре сформированных на ее поверхности пьезорезистивных элемента (Рисунок 1). Любое отклонение внешнего давления от давления внутри полости вызывает деформацию мембраны и изменение сопротивления этих элементов. Как правило, пьезорезистивные элементы соединяются по схеме моста Уитстона, в котором резисторы R1 и R4 регистрируют увеличение давления, а R2 и R3 – уменьшение (Рисунок 2). Усилители, сформированные на общей с датчиком кремниевой подложке, нормализуют выходной сигнал.
 |
|
| Рисунок 2. | Чтобы выходной сигнал был пропорционален приложенному давлению, пьезорезистивные элементы МЭМС датчика соединяются по схеме моста Уитстона. |
Сопротивление элемента, как функция давления и температуры, имеет следующий вид:
RP = R(T)[1 ± S(T) P],
где
R(T) – номинальное сопротивление пьезорезистора при опорном давлении,
S(T) – чувствительность резистора к изменениям давления,
P – давление, приложенное к мембране,
T – температура окружающей среды.
Очевидно, что коммерческие пьезорезистивные датчики давления для обеспечения надлежащей точности измерений должны содержать схемы температурной компенсации.
Мы модифицировали стандартный датчик давления с диапазоном измерений до 100 psi (Pounds per Square Inch – 6895 Па), удалив верхнюю часть корпуса и присоединив два тонких вывода к одному из пьезорезистивных элементов моста, исключив, таким образом, схему температурной компенсации (Рисунок 3). Восстановив корпус датчика, мы подвергли его мембрану воздействию лазерного излучения различной интенсивности с длиной волны 488 нм.
 |
|
| Рисунок 3. | Присоединение двух выводов к одному из пьезорезистивных элементов моста позволило измерять его сопротивление, исключив влияние схемы температурной компенсации. |
Облучение лазером вызывало изменение сопротивления выбранного элемента, обусловленное, преимущественно, разогревом мембраны, и, в очень незначительной степени, механической деформацией. После калибровки сопротивление элемента использовалось для непосредственного измерения мощности лазера. Представленные на Рисунке 4 результаты демонстрируют отличную линейность пьезорезистивного элемента в диапазоне мощностей излучения от 0 до 300 мВт.
 |
|
| Рисунок 4. | Облучение модифицированного датчика давления энергией лазера вызывает обусловленное нагревом изменение сопротивления пьезорезистивного элемента, прямо пропорциональное мощности лазера. |
Предложенный метод указывает путь для нового подхода к измерению мощности лазерного излучения, основанного на использовании пьезорезистивных МЭМС мембран. Сконструированные соответствующим образом, такие датчики – сверхминиатюрные, быстродействующие и долговечные – могут измерять уровни лазерного излучения в очень широком диапазоне мощностей.
