Двухцветный светодиод со встроенным термохолодильником для средней инфракрасной области спектра
Заявляемая полезная модель относится к устройствам, излучающих электромагнитные волны в среднем инфракрасном диапазоне (1.6-5.0 мкм), и может быть использована в портативных устройствах для оптической спектроскопии газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Основными сферами применения являются экологический мониторинг, медицинская диагностика и непрерывный контроль над технологическими процессами. Задачей заявляемой полезной модели является реализация компактного двухцветного высокоэффективного светодиодного излучателя для средней ИК области спектра с конструкцией позволяющей температурной стабилизацией излучения.
Указанная задача решается посредством разработки двухцветного светодиода со встроенным термохолодильником и терморезистором. Изделие включает в себя два светодиодных чипа с максимумами излучения на разных длинах волн. Чипы изготовлены на основе гетероструктур. выращиваемых на подложках GaSb с четверным твердым раствором GaInAsSb в качестве активной области и широкозонным ограничительным слоем AlGaAsSb для диапазона 1600-2400 нм, или гетероструктур, выращиваемых на подложках InAs с бинарным InAs, тройным InAsSb или четверным InAsSbP слоем в качестве активной области и широкозонным ограничительным слоем InAsSbP для диапазона 2700-5000 нм.
Реализация двухканального термостабилизированнного излучателя для средней ИК области спектра позволить разработчикам портативных анализаторов существенно улучшить компактность, надежность и срок службы своих изделий.
Полезная модель относится к устройствам, излучающим некогерентные электромагнитные волны в среднем инфракрасном диапазоне (1.6-5.0 мкм). и может быть использовано для оптической спектроскопии газов и жидкостей в диапазоне максимальной интенсивности характеристических линий поглощения химических веществ. Основными сферами применения являются экологический мониторинг, медицинская диагностика и непрерывный контроль над технологическими процессами.
Основные характеристические линии поглощения природных и промышленных газов и жидкостей, таких как метан СН4, углекислый газ СО2, вода Н 2О и другие лежат в среднем инфракрасном спектральном диапазоне 1.6-5.0 мкм. Эти полосы поглощения уникальны для каждого химического вещества как отпечатки пальцев и хорошо известны современной молекулярной спектроскопии.
В настоящее время существуют портативные оптические анализаторы, в которых в качестве источника инфракрасного излучения применяются дисперсионные (тепловые) источники (http://www.bhkinc.com). В них проволочка или другой проводящий элемент нагревается за счет протекающего электрического
тока и излучает в широком спектральном диапазоне. Специальные оптические фильтры вырезают нужный спектральный диапазон. Такие ИК излучатели могут рассматриваться в качестве функционального аналога светодиодов для средней ИК области спектра.
Тепловые источники инфракрасного излучения в качестве ключевого элемента портативных оптических сенсоров обладают рядом недостатков:
- Низкая эффективность. Потребляется большая электрическая мощность, а из широкого спектра теплового излучения используется очень небольшая часть.
- Плохое быстродействие. Такой источник реально не может быть модулирован электрически, поэтому для обеспечения селективного усиления сигнала детектора используют механические модуляторы.
- Большие размеры. Компактность такого сенсора ограничивается необходимостью использования дополнительных фильтров, модуляторов, а так же большой рассеиваемой тепловой мощностью.
Существуют и источники среднего ИК излучения на основе переизлучения (фотолюминесценции), которые также могут рассматриваться в качестве аналога. В них поликристаллический слой PbSe нанесен на прозрачном окне. Коротковолновое излучение в районе 0.9 мкм от GaAs светодиода возбуждает фотолюминесценцию в слое селенида свинца с широким спектром и максимумом около 4.3 мкм. Нужный спектральный диапазон излучения вырезается с помощью оптического фильтра, www.optico.ru В целом вышеуказанные недостатки (низкое быстродействие, необходимость использования фильтров и использования малой части общего спектра излучения) остаются в силе и для данного типа ИК излучателей. К недостаткам следует прибавить также существенно более высокую
стоимость излучателей на основе переизлучения по сравнению с тепловыми источниками.
На результаты измерения концентрации газа с помощью оптического анализатора оказывают влияние такие факторы как изменение температуры и оптической прозрачности среды. Поэтому оптимальная измерительная схема должна содержать два канала - измерительный (на длине волны максимального поглощения измеряемого газа) и опорный (на длине волны, где поглощение данного газа минимально). Измерение дифференциальной разницы сигналов от измерительного и опорного источника обеспечивает стабильность результатов при изменении основных внешних факторов. Оптимальная надежность и стабильность измерений обеспечивается в случае применения двухлучевой схемы с температурной стабилизации.
Задачей заявляемого технического решения являлось создание нового двухцветного светодиода с встроенным термохолодильником для средней ИК области спектра. Ключевым элементом двухцветного светодиодного модуля являются светодиодные гетроструктуры на основе узкозонных полупроводниковых материалов А 3В5. Конструкции светодиодных гетероструктур представлены на рис.1. Длина волны излучения светодиода определяется шириной запрещенной зоны, то есть составом твердого раствора в активной области. Для светодиодов, излучающих в диапазоне 1700-2400 нм (рис.1 а) в активной области применяется четверной твердый раствор GaInAsSb с содержанием индия 0-25%. Широкозонный твердый раствор AlGaAsSb с содержанием алюминия 64% применяется в качестве электронного ограничения. Структуры выращиваются на подложках GaSb методом жидкофазной эпитаксии (LPE) или газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD). Для светодиодов, излучающих в диапазоне 2700-5000 нм
(рис.16) в активной области применяется четверной или тройной твердый раствор InAsSb(P) с содержанием фосфора 0-15% (2700-3400 нм) или сурьмы 0-20% (3400-5000 нм). Широкозонный твердый раствор InAsSbP с содержанием фосфора 50% применяется в качестве электронного ограничения. Структуры выращиваются на подложках InAs методом газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (MOCVD). Из гетероструктур с помощью фотолитографии формируются светодиодные чипы размером от 0.3×0.3 мм до 1.0×1.0 мм. Затем чип монтируется на керамической или кремниевой подложке размером от 0.8×0.8 мм до 2.0×2.0 мм (рис.2).
Двухцветный светодиодный модуль (рис.3) состоит из:
- корпус - 9
- термохолодильник - 10
- терморезистор - 11
- измерительный светодиодный чип - 12
- опорный светодиодный чип - 13
- рефлектор или крышка с окном - 14
Номера выводов модуля на рис.3 обозначены цифрами 1-8.
Модуль монтируется в 9 мм стандартном корпусе ТО-5 с 6 или 8 выводами (9). Встраевыемый в корпус термохолодильник (элемент Пелтье) размером 3×3 мм (10) обеспечивает тепературный перепад между горячим и холодным концом без нагрузки минимум 60 градусов. К холодному концу термохолодильника приклеивается температурный сенсор - терморезистор (11). На свободную поверхность холодного конца термохолодильника приклеиваются два уже смонтированных на подложках светодиодных чипов, излучающих на разных длинах волн (12 и 13). Анод и катод измерительного светодиода связываются
золотыми проволочками с внешними выводами модуля 1 и 2. Анод и катод опорного светодиода связываются с выводами 3 и 4. Выводы термохолодильника связываются с внешними выводами 5 и 6. Выводы терморезистора связываются с внешними выводами 7 и 8. При использовании 9 мм корпуса с 6 выводами катоды двух чипов припаяны прямо к корпусу. К корпусу приваривается крышка с окном диаметром 9 мм или параболический рефлектор с окном диаметром 15 мм для сужения диаграммы направленности светодиода.
Устройство работает следующим образом.
Выводы 1 и 2 светодиодного модуля подключаются к импульсному блоку питания измерительного канала. Выводы 3 и 4 подключаются к импульсному блоку питания опорного канала. Выводы 5 и 6 подключаются к температурному контроллеру, а точнее к схеме питания термохолодильника. Выводы 7 и 8 подключаются к схеме обратной связи температурного контроллера. Электронная схема, включающая импульсные блоки питания двух светодиодных каналов и температурный контроллер не является частью заявляемой конструкции. Разные варианты такой электронной схемы могут быть реализованы пользователями двухцветного светодиодного модуля для средней ИК области спектра. При этом схема должна обеспечить указанные в техническом паспорте конкретного светодиодного модуля режимы работы.
Сперва необходимо выбрать и установить необходимую температуру. Для этого плавно увеличивается ток термохолодильника (выводы 5 и 6) при одновременном контроле температуры через измерения сопротивления терморезистора (выводы 7 и 8). Конкретная калибровочная кривая терморезистора прилагается к индивидуальному техническому паспорту модуля. При достижении выбранной температуры необходимо включить режим стабилизации данной
температуры с помощью схемы отрицательной обратной связи. Когда процесс стабилизации температуры завершен, необходимо включить импульсное питание измерительного и опорного светодиодных чипов. Длительность импульсов и амплитуда тока выбираются в соостветствии с заявленными в техническом паспорте интервалами допустимых значений. Целесообразно выбрать такое соотношение токов измерительного и опорного канала, которое обеспечивает нулевой дифференциальный сигнал на приемнике при нулевой концентрации измеряемого вещества. Тогда увеличение концентрации вещества в среде приведет к превышению сигнала от опорного канала над сигналом от измерительного канала. Дифференциальная разница будет пропорциональна концентрации измеряемого вещества.
Был изготовлен опытный образец заявляемого устройства и проведены его испытания. Данный двухцветный светодиодный модуль со встроенным термохолодильником для средней ИК области спектра характеризуется компактностью и единством конструкции. В 9 мм размере размещены два разных (измерительный и опорный) светодиодных излучателей, термохолодильник и термосенсор. В этом плане заявляемое устройство не имеет прямых аналогов в средней ИК области спектра, где для реализации двухканальной схемы на основе тепловых или переизлучающих источников используются существенно более габаритные оптические системы. Малое расстояние между чипами обеспечивает одинаковые условия работы для двух каналов, что дает важное преимущество данной конструкции перед обычными двухканальными схемами. Максимум длины волны излучения и полуширина спектра излучения определяется параметрами самой гетероструктуры, а не внешним оптическим фильтром. Время жизни светодиодов 80000-100000 часов существенно превышает времени жизни других
типов источников ИК излучения. Известный процесс медленной деградации мощности полупроводниковых светодиодов происходит одинаково для двух одинаковых по типу структуры чипов, что обеспечивает стабильность дифференциального сигнала на протяжении 8-10 лет. Конструкция позволяет выбрать общую температуру для двух излучателей в диапазоне -10÷20°С и поддерживать ее постоянно с минимальными затратами электрического питания. Малый размер и высокая эффективность термохолодильника позволяет поддерживать температуру близкую к комнатной при постоянном токе порядка 10 мА. Двухцветный светодиодный модуль со встроенным термохолодильником для средней ИК области спектра выполняет все требования портативного оптического газоанализа.
Положительный эффект заявляемой полезной модели по сравнению с тепловыми источниками и источниками на основе переизлучения для средней ИК области состоит в увеличенном сроке службы до 10 лет непрерывной работы (80000-100000 часов), повышенном быстродействии (время возрастания и спада менее 50 нc), отсутствием необходимости использования дополнительных оптических фильтров. Гибкость технологии гетероэпитаксии и миниатюрные размеры светодиодных чипов позволили реализовать уникальную конструкцию, где в одном стандартном 9 мм корпусе совмещены термохолодильник, термосенсор и два излучателя. Для рассматриваемых в качестве аналогов тепловых источников и источников на основе переизлучения для средней ИК области, реализация такой миниатюрной конструкции в принципе невозможна. Заявляемая полезная модель позволить разработчикам портативных газоанализаторов существенно улучшить компактность, надежность и срок службы своих изделий.
1. Двухцветный светодиод со встроенным термохолодильником для средней ИК области спектра (1600-5000 нм), включающий в себя два светодиодных чипа с максимумами излучения на разных длинах волн на основе гетероструктур, выращиваемых на подложках GaSb с четверным твердым раствором GaInAsSb в качестве активной области и широкозонным ограничительным слоем AlGaAsSb для диапазона 1600-2400 нм, или гетероструктур, выращиваемых на подложках InAs с бинарным InAs, тройным InAsSb или четверным InAsSbP слоем в качестве активной области и широкозонным ограничительным слоем InAsSbP для диапазона 2700-5000 нм, помещенный в едином светодиодном корпусе со встроенным термохолодильником и терморезистором.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый двухцветный светодиод в едином корпусе включает двухканальную термостабилизированную схему.
