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微热辐射仪工作过程分析

时间: 2024-05-21

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在实际中,微热辐射仪吸收的辐射通过一个电路来检测。当传感器吸收入射辐射,器件温度升高,电阻变化。同时,为了检测该电阻的变化,热敏电阻受到一个电信号的激励。本章节,使用Potential Surface BC边界条件在传感器热敏电阻两端施加一个电势差。这样,流过电阻的电流为传感器的输出。当辐射散去,移除偏置电压时,传感器冷却,冷却时间跟时间常数相关。

流过电阻的电流会产生焦耳热。本章节,通过联合施加瞬态的偏置电压以及瞬态的热通量作为输入来模拟微热辐射仪的实际工作过程。电压脉冲的时间设置到足够小以避免过大的焦耳热对像素造成损害。电压及热通量的输入具体如下图所示。

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图1 偏置电压及热通量输入

热通量输入曲线旨在模拟1μW的恒定功率输入,但可以调制入射辐射输入。初始热通量是最大功率的10%,以帮助求解器收敛;最终的热通量值为0W。初始和最终电压值非零,这也有助于求解器收敛。电压脉冲峰值0.5V持续时间0.0004秒,这足以在最小化自发热的同时实现温度测量。

采用MemMech求解器进行瞬态电热分析,得到温度随时间变化的曲线如下图所示。

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图2 温度Vs. 时间

微热辐射仪首先对热通量边界条件响应,模拟吸收辐射的功率输入。根据本方案的前述的稳态分析,我们预计温度将达到322.2K。传感器温度达到稳态温度后,施加短电压脉冲,因焦耳热温度瞬间升高到323.4K的最高温度。电压关闭,焦耳热的影响消除,温度下降到对应于热通量输入的局部最大值。当热通量关闭时,由散热器定义,温度降至300K。

利用后处理的Custom Query功能,得到电阻值随时间变化曲线。

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图3 电阻Vs. 时间

随着传感器温度升高,电阻降低。这与非晶硅热敏电阻层电导率值一致。当施加电压脉冲时,在0.015秒时刻,因焦耳热对电阻产生的影响是明显的。由入射辐射引起温度升高的准稳态值和由于自发热引起的附加电阻之间的电阻差是测量中的误差,应该被最小化。

电流随时间变化曲线如下图。

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图4 电流Vs. 时间

因微热辐射仪的压降是通过Potential Surface BCs来施加的,所以流过电阻的电流为感兴趣的输出。流过AnchorLeft和AnchorRight Patches的电流等值相反。除电压脉冲处的电流外的电流实际上是可以忽略的。在这一点上,流过微热辐射计的电流峰值由准稳态温度下的热敏电阻值决定,该准稳态温度因施加热通量边界条件达到。最大电流值可由外部电路记录。因电压脉冲持续时间非常短,焦耳热实现最小化。




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