Изобретение относится к неконтактным методам исследования характеристик внешних воздействий на среду, преимущественно биологического происхождения, и/или контактирующей с биологическими объектами среды, параметры которой определяют жизнедеятельность данных биологических объектов.
Известен способ измерения параметров внешнего воздействия на среду или объект, включающий регистрацию посредством соответствующего датчика, например, датчика магнитного или электромагнитного поля, преобразование сигнала с датчика и его визуализацию.
Данным способом регистрируют параметры внешних воздействий в большинстве случаев, однако при этом датчик вносит существенные погрешности в процесс регистрации, которые устраняются только сложными техническими средствами коррекции полученного сигнала.
Также известен способ измерения параметров внешнего воздействия, включающий пропускание потока электромагнитного излучения через среду, например, световод, имеющий частицы, свойства которых зависят от выбранного внешнего воздействия, например однодоменные частицы с векторами намагниченности, параллельными продольной оси световода. После чего по фазовым сдвигам прошедшей оптической волны судят о величине регистрируемого параметра, в частности магнитного поля.
Недостатком указанного способа является то, что для регистрации информации необходимо использовать интерферометр или другую довольно сложную оптическую аппаратуру, что в ряде случаев, например, в полевых или промышленных исследованиях, затрудняет или полностью исключает возможность проведения необходимой регистрации.
Наиболее близким к заявленному является способ измерения параметров внешнего воздействия на среду или объект, включающий задание контрольных зависимостей сигнала отклика от внешнего воздействия на эталонную чувствительную среду, воздействие на одну из сторон структуры, выполненной из металлической пленки, нанесенной на подложку, потоком электромагнитного излучения, с расположением упомянутой среды со стороны металлической пленки упомянутой структуры, возбуждение в металлической пленке поверхностной электромагнитной волны и формирование сигнала отклика от данной структуры, по сравнению которого с контрольными зависимостями судят об измеряемых параметрах.
Данный способ реализуется посредством устройства, содержащего источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны, объем с эталонной чувствительной средой, расположенный со стороны металлической пленки, и блок обработки информации.
Упомянутый способ позволяет осуществлять регистрацию параметров внешнего воздействия посредством указанного устройства бесконтактным методом с высокой точностью, однако в данном случае необходимо применение специального канала регистрации отраженного от металлической пленки потока электромагнитного излучения, включающего соответствующую оптическую схему и фотопреобразователь, что существенно усложняет способ и устройство. Применение же фиксированного либо гибкого расположения элементов упомянутой оптической схемы приводит соответственно к жесткому ограничению диапазона измерений и области применения либо к ее более резкому усложнению и удорожанию способа и устройства и снижению точности измерений.
Целью изобретения является улучшение технических и эксплуатационных параметров как способа, так и устройства, и упрощение в использовании.
Указанная цель достигается в части способа тем, что в твердотельной структуре в качестве подложки, на которую нанесена металлическая пленка (непосредственно либо через промежуточный слой с большим, чем у металла, удельным сопротивлением), используют слой полупроводника, регистрируют электрический сигнал непосредственно в цепи между металлической пленкой и слоем полупроводника, при этом данный электрический сигнал используют в качестве сигнала отклика от упомянутой структуры.
При этом электрический сигнал регистрируют на склоне резонансной кривой зависимости величины упомянутого сигнала, по крайней мере, от одной из координат направления потока и/или частоты электромагнитного излучения, причем используют расходящийся или сходящийся, или коллимированный поток электромагнитного излучения, который может быть как монохроматическим, так и немонохроматическим, а также линейно поляризованным, а подачу этого потока могут осуществлять как непосредственно, так и через оптическое волокно. Для расширения диапазона измерений, изменяют одну из угловых координат направления потока электромагнитного излучения относительно указанной структуры либо частоту электромагнитного излучения.
Указанная цель в части устройства достигается тем, что подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны непосредственно с металлической пленкой и подложкой. Пленка и подложка граничат между собой непосредственно либо через промежуточный слой, удельное сопротивление которого превышает удельное сопротивление упомянутой металлической пленки, причем поверхности раздела в обоих случаях могут быть частично или полностью пространственно модулированными.
Источник электромагнитного излучения может быть выполнен с возможностью перестройки по частоте излучения и/или с возможностью изменения направления распространения электромагнитной волны от этого источника относительно положения упомянутой твердотельной структуры.
Для обеспечения возбуждения ПЭВ поверхность металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, пространственно модулирована, либо устройство снабжено средством (например призмой) для обеспечения полного внутреннего отражения от его выходной грани. Данная грань может быть установлена с зазором относительно поверхности металлической пленки таким образом, что в упомянутом зазоре расположен слой вещества, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления среды упомянутого средства.
Наряду с этим, устройство может быть снабжено средством для поляризации потока электромагнитного излучения и оптическим волокном для подачи потока электромагнитного излучения.
По сравнению с известными техническими решениями заявленное позволяет осуществлять измерение параметров внешнего воздействия на среду или объект без использования канала регистрации отраженного оптического сигнала, а непосредственно путем регистрации электрического сигнала, соответствующего величинам исследуемых параметров воздействия. Это позволяет не только расширить сферу применения способа и устройства, поскольку в данном случае существенно уменьшаются габариты устройства, но и значительно упростить работу, повысить точность и диапазон измерений, резко снизить стоимость способа и устройства. Устройство в целом (не считая блок регистрации) приобретает вид оптоэлектронной пары - гибридной схемы, части которой, излучаемая и приемная, реализуемы на базе массового промышленного микроэлектронного производства.
Как показал поиск, проведенный по научно-технической и патентной литературе, заявленная совокупность неизвестна, т. е. соответствует критерию "новизна".
На фиг. 1 показана эталонная чувствительная среда, находящаяся в области распространения излучения и ПЭВ; на фиг. 2 - то же, в области распространения излучения и вне области ПЭВ; на фиг. 3 и 4 варианты устройства с решеточным возбуждением ПЭВ (на фиг. 3 - эталонная чувствительная среда находится в области распространения ПЭВ, на фиг. 4 - вне ее); на фиг. 5 и 6 возбуждение ПЭВ реализуется методом нарушенного полного внутреннего отражения от выходной грани призмы (на фиг. 5 такая призма образована самой эталонной чувствительной средой, и, следовательно, эта среда расположена в области ПЭВ; на фиг. 6 эталонная чувствительная среда расположена на пути излучения вне области ПЭВ); на фиг. 7 - пример контрольной зависимости.
Заявленный способ основан на том, что исследуемому воздействию подвергают чувствительную среду 1, откликом которой на это воздействие является изменение параметров распространяющихся в ее объеме электромагнитных волн (излучения и/или ПЭВ). Мера такого изменения известным (эталонным образом соответствует величине параметров исследуемого воздействия. Примерами сред и воздействий такого рода могут служить: материал, изменяющий свою оптическую плотность или тензор диэлектрической проницаемости в зависимости от механического напряжения или теплового воздействия; слой электрооптического материала, изменяющего свой тензор диэлектрической проницаемости под действием электрического поля; слой магнитооптического материала, вращающего направление поляризации падающего излучения под действием магнитного поля и т. д. Таким образом, задача измерения параметров внешнего воздействия сводится к тестированию эталонной чувствительной среды 1.
Для тестирования среды 1 применяют твердотельную структуру 2. Важнейшими ее элементами являются металлическая пленка 3 (например Ag, Au, Al, Cu) и полупроводниковая подложка 4 (например Si, GaAs, InP). Среду 1 располагают по отношению к структуре 2 со стороны пленки 3 так, чтобы обеспечить ее взаимодействие с ПЭВ на поверхности пленки 3 и/или с возбуждающим ПЭВ электромагнитным излучением. Пленка 3 и подложка 4 могут как непосредственно граничить между собой, так и быть разделенными тонким слоем промежуточного материала 5 (например, SiO2). Последний с удельным сопротивлением, превышающим удельное сопротивление пленки 3, иногда специально вводят для задания желаемого омического сопротивления перехода металл 3 - полупроводник 4. Поверхность раздела металла 3 и полупроводника 4 либо хотя бы одна из поверхностей слоя может быть пространственно модулированной (например периодически профилированной) для усиления рассеяния ПЭВ из металла 3 в полупроводник 4. К пленке 3 и подложке 4 через омический контакт 6 присоединяют электрические выводы 7 и 8 соответственно, посредством которых структуру 2 подключают к измерительной цепи как фотоэлемент либо как фотодиод. Регистрируемой величиной служит электрический (вольтовый) сигнал.
Источником электромагнитного излучения 9 (как правило, видимого или инфракрасного диапазона) на поверхности пленки 3, обращенной к среде 1, возбуждают поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ). Возбуждение ПЭВ сопровождается резонансным усилением электрического сигнала. Регистрируя этот сигнал и сопоставляя его отличительные особенности (например, величину, положение максимума в зависимости от угла падения либо частоты излучения) с контрольными зависимостями от исследуемого параметра внешнего воздействия (определяющего некоторый параметр эталонной среды 1), определяют величину последнего.
Для реализации указанного способа предлагается устройство, некоторые из возможных схем исполнения которого даны на фиг. 3 - 6.
Устройства состоит из измерительной головки 10 и блока 11 обработки и индикации информации, соединенных проводами 7 и 8.
Измерительная головка выполнена по принципу оптоэлектронной пары - источника и приемника излучения.
В качестве источника 9 электромагнитного излучения предпочтительно применять встроенный полупроводниковый излучатель или выходной торец оптического волокна, что обеспечивает компактность измерительной головки. Источник 9 излучения может быть регулируемым по частоте и (или) по направлению излучения относительно структуры 2. На фиг. 3-6 схематически показана возможность углового перемещения и отсчета угла посредством угловой шкалы 12 с нониусом 13. Посредством сканирования по частоте и перемещения по угловой координате источника излучения могут осуществляться регулировка и настройка устройства, сниматься контрольные зависимости. Вместо угловой шкалы и нониуса целесообразно применять потенциометрический датчик углового положения источника 9 излучения. Он позволяет преобразовать значение угла в вольтовый сигнал и, к примеру, на двухкоординатном самописце или в памяти компьютера сразу получить зависимость информационного сигнала от угла при любом способе сканирования по углу. Для достижения высокой точности сканирования по углу, может применяться электромеханический сканер, управляемый от блока 11. На выходе излучения из источника 9 могут быть предусмотрены поляризатор и микрообъектив. Соответственно, целесообразно использовать потенциометрический датчик угла поворота поляризатора для снятия зависимости сигнала от направления поляризации.
В качестве приемника излучения используется описанная выше твердотельная структура 2.
Для возбуждения ПЭВ решеточным методом на поверхности металлической пленки 3, не обращенной к полупроводнику 4, эта поверхность выполнена пространственно модулированной, например, в виде синусоидальной решетки (фиг. 3 и 4). Для возбуждения ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения в схемах фиг. 5 и 6 используется призма 14, которая жестко крепится относительно структуры 2 согласно стандартной методике Отто возбуждения ПЭВ, образуя зазор 15, заполненный воздухом или иным диэлектриком с меньшим, чем у призмы 14, показателем преломления. В схеме фиг. 5 роль призмы 14 выполняет расположенный на пути пучка излучения клиновидный слой эталонной среды 1, показатель преломления у которой заведомо больше, чем у вещества в зазоре 15.
Устройство работает следующим образом.
В схемах фиг. 4 и 6 изменение эталонной среды 1, подвергаемой исследуемому внешнему воздействию, приводит к изменению направления падения излучения на структуру 2 либо к изменению направления поляризации этого излучения. В схемах фиг. 3 и 5 исследуемое воздействие может изменять, кроме того, также и величину волнового вектора ПЭВ. Каждый из этих факторов изменяет характеристики сигнала, снимаемого с измерительной головки 10, соответственно внешнему воздействию.
В основе предлагаемого способа и принципа работы устройства лежат следующие физические явления.
Как известно, ПЭВ на границе раздела сред, в частности металла 3 и диэлектрической среды 1, возбуждаются путем преобразования падающего p-поляризованного электромагнитного излучения от источника 9 посредством призмы 14 в условиях нарушенного полного внутреннего отражения от ее выходной грани Rnпризмы sinθ=Rпэв (1), или решетки на поверхности металла 3 Rnsin θ+ mG = Rпэв, (2) где R = 
= 
- волновой вектор падающего излучения частотой ω и длиной волны λв вакууме;
n - показатель преломления диэлектрической среды 1;
nпризмы - показатель преломления призмы 14;
θ - угол падения излучения на решетку или на выходную грань призмы;
m - целое число m≠0).
G = 
- обратный вектор решетки периода Λ; а
Rпэв= ± 
(3) представляет собой волновой вектор ПЭВ. Здесь, в свою очередь, εMe' - действительная часть диэлектрической проницаемости металла 3 на частоте ω (обычно εMe'<0 |εMe'|>>1 ).
Равенства (1) и (2) описывают положение резонансного максимума эффективности преобразования (доли энергии излучения, преобразованной в энергию ПЭВ) в зависимости от R, n, и θ . При изменении какого-либо из этих параметров (например n изменяется положение резонанса (резонансные значения R и θ ); при изменении же данного параметра в пределах ширины резонансной кривой резко изменяется величина эффективности преобразования. Отсюда следует способ определения n, граничащей с пленкой металла 3 среды 1, а на его основе - и способ измерения параметров внешнего воздействия на среду 1, проявляющегося в изменении n.
Во-первых, показатель преломления n среды 1 и соответственно величину параметра внешнего воздействия можно определять на основе измерения значений θ и ω , при которых наблюдается резонанс эффективности преобразования излучения в ПЭВ на границе среда 1 - металл 32. Сопоставляя эти значения с расчетными или экспериментальными контрольными зависимостями резонансных значений θ и ω от параметра внешнего воздействия на среду 1, можно найти значение последнего.
Во-вторых, можно выставить θ и ω так, чтобы величина эффективности преобразования соответствовала склону резонансной кривой для среды 1 с известным значением n= nо и соответственно для некоторой известной (начальной) величины внешнего воздействия на нее. Измерения параметров воздействия ведутся относительно такой начальной величины на основе измерения разности соответствующих значений эффективности преобразования в пределах резонансной кривой и сопоставления величины этой разности с контрольной зависимостью.
На практике удобнее измерять не саму эффективность преобразования, а какой-либо зависящий от нее сигнал.
Такой сигнал легко получить, если металлическая пленка 3 совмещена с подложкой 4 из полупроводникового материала. В этом случае, величина эффективности преобразования излучения в ПЭВ определяет величину электрического сигнала, снимаемого с выводов 7 и 8, присоединенных непосредственно к пленке 3 и подложке 4. При этом пленка 3 и подложка 4 образуют структуру 2, аналогичную обычному фотоприемнику Шоттки. Структура 2, как и фотоприемник, может подключаться через указанные выводы 7 и 8 в качестве фотодиода либо фотоэлемента. Отличается же она тем, что сигнал с нее имеет резонансный максимум в условиях возбуждения ПЭВ на границе раздела среда 1 - металл 3.
Природа связи между ПЭВ и электрическим сигналом здесь может быть различной. Механизм, основанный на поглощении ПЭВ в пленке металла 3, генерации в ней горячих носителей заряда и эмиссии последних в полупроводник 4 через барьер Шоттки, известен. Такие носители увлекаются полем барьера Шоттки и обусловливают электрический отклик структуры 2. При этом энергия кванта излучения была меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. Отмечалось, что излучение для возбуждения ПЭВ может подаваться на пленку металла как через воздух, так и через полупроводник. В случае, когда энергия кванта излучения больше ширины запрещенной зоны полупроводника 4, возможно образование электронно-дырочных пар в полупроводнике 4 либо непосредственно за счет проникновения ПЭВ в полупроводник 4, либо за счет обратного преобразования ПЭВ в излучение на границе металл 3 - полупроводник 4 и поглощения последнего полупроводником. Электронно-дырочные пары разделяются полем барьера Шоттки и обусловливают фотоотклик, как в обычном фотоприемнике. Очевидно, излучение для возбуждения ПЭВ здесь может подаваться только со стороны, противоположной полупроводнику.
Таким образом, величину параметра внешнего воздействия на среду 1, влияющего на ее показатель преломления, можно определить, регистрируя и сравнивая с контрольной величиной положение максимума фотоэлектрического сигнала, снимаемого со структуры 2 металл 3 - полупроводник 4 в условиях возбуждения ПЭВ, при сканировании по угловой координате направления излучения относительно структуры 2 либо по частоте излучения. Для измерений в пределах ширины резонансной кривой предпочтительнее иной режим работы. Если направление и частоту излучения выбрать на склоне резонансной кривой соответствующей зависимости фотоэлектрического сигнала, то структура 2 будет работать как непосредственный преобразователь величины параметра внешнего воздействия в фотоэлектрический сигнал. Соответственно, регистрируя сигнал и используя предварительно снятую контрольную зависимость его от параметра внешнего воздействия, можно измерить величину последнего. В этом режиме чувствительность к внешнему воздействию пропорциональна крутизне склона резонансной кривой. Ширина же динамического диапазона по величине этого воздействия, наоборот, пропорциональна ширине резонансной кривой. В ширину резонансной кривой вносят вклад расходимость излучения и спектральная ширина источника 9 излучения. Очевидно, для достижения максимальной чувствительности следует использовать монохроматическое и коллимированное излучение. Для расширения же динамического диапазона можно использовать расходящееся (сходящееся) либо спектрально уширенное излучение.
В рамках рассмотренного принципа может применяться также оптически анизотропная среда 1. В таком случае условия измерения должны выбирать так, чтобы внешнее воздействие влияло на те компоненты тензора диэлектрической проницаемости среды 1, которые описывают распространение в среде 1 ПЭВ и излучения соответствующей поляризации.
Для измерения параметров внешнего воздействия на эталонную чувствительную среду 1 предлагаемым способом не обязательно, чтобы среда 1 непосредственно граничила с пленкой металла 3. На поверхность металла 3 может быть нанесен слой 16 (см. фиг. 1-4) для вспомогательных целей, например, улучшения адгезии, защиты пленки 3 от возможных химических воздействий и пр. Волновой вектор ПЭВ в такой многослойной системе уже не описывается простым выражением (3). Зависимость Rпэв от n среды 1 и соответственно от внешнего воздействия для не слишком большой толщины слоя 16 продолжает иметь место, хотя и становится слабее по мере ее возрастания.
Среда 1 не обязательно должна быть смещена со структурой 2. Свойства среды 1, удаленной от структуры 2 на расстояние, превышающее глубину проникновения ПЭВ, и подвергаемой внешнему воздействию, могут влиять на возбуждение ПЭВ через направление проходящего через нее излучения. Очевидно, слой среды 1 на пути пучка излучения должен иметь форму клина, если показатель преломления в пространстве до и после этого слоя один и тот же.
Во всех случаях, все вышесказанное относительно способа измерения и принципа работы устройства продолжает иметь силу.
В основе предлагаемого принципа измерения может лежать зависимость фотоэлектрического сигнала, являющегося откликом на возбуждение ПЭВ, не только от показателя преломления, но и от поляризационных характеристик среды 1, изменяющихся эталонным образом под влиянием внешнего воздействия. Так, если величина вращения плоскости поляризации излучения при прохождении его через среду 1 зависит от измеряемого параметра внешнего воздействия (пример - фарадеевское вращение плоскости поляризации в магнитном поле), то составляющая вектора поляризации излучения, которая вносит вклад в возбуждение ПЭВ, и, следовательно, величина сигнала также зависят от измеряемого параметра. Эта зависимость, в отличие от тех, что основаны на изменении преломляющих свойств среды 1, не является резонансной, а имеет вид cos2 ( Φ - Φo) , где Φ - величина угла вращения направления поляризации. Для регистрации такой зависимости необходимо применение линейно поляризационного излучения.
Конкретный пример применения предлагаемого способа. Измерялась величина составляющей индукции магнитного поля катушки по схеме фиг. 2. В качестве эталонной тестируемой среды 1 применялся полумагнитный полупроводник Cd0,55Mn0,45Te, характеризующийся гигантским фарадеевским вращением. Плоскопараллельная пластина Cd0,55Mn0,45Te в форме диска толщиной 5,8 мм помещалась внутри катушки перпендикулярно ее оси. Излучение He-Ne лазера ЛГН-203 (длина волны 0,6328 мкм, мода ТЕМоо, расходимость 0,65о, мощность 1,65 мВт) направлялось вдоль оси катушки и проходило сквозь пластину. Направление поляризации падающего на пластину излучения задавалось поляризатором, Излучение принималось периодически профилированной структурой 2, образованной нанесением тонкой пленки 3 Ag на подложку 4 n-GaAs с периодом синусоидального гофра 0,46 мкм. Структура 2 размещалась в оправе, позволяющей регулировать угловое положение структуры 2 относительно направления падения излучения, причем плоскость падения излучения была перпендикулярна направлению гофра. На структуру 2 подавалось отрицательное смещение величиной 1,4 В ("+" на n=GaAs, "-" на Ag) от источника питания ВИП-010. Сигнал с нагрузки 40 кОм регистрировался на экране цифрового осциллографа С9-8 с входным сопротивлением 1 МОм. Катушка питалась от источника постоянного тока Б5-49. При снятии контрольной зависимости использовался стандартный тесламетр на основе датчика Холла для измерения магнитной индукции в направлении, перпендикулярном плоскости его щупа.
Для проведения измерений угол падения излучения на твердотельную структуру 2 был выставлен вблизи резонансного максимума фотоэлектрического сигала. Направление поляризации фиксировалось и составляло угол около 45о с плоскостью падения излучения. Контрольная зависимость сигнала отклика от магнитного поля катушки приведена на фиг. 7. Зависимость представляет собой участок синусоиды. Несимметричность ее положения относительно нуля по оси B (синусоида сдвинута примерно на 10 mT влево) соответствует отстройке направления поляризации излучения от 45о. Очевидно, заданием величины этой отстройки можно сдвигать линейный участок контрольной зависимости в диапазон интересующих значений B.
При помещении измерительного устройства в область тестируемого магнитного поля был зарегистрирован сигнал V=40±0,1 mV. По контрольной зависимости фиг. 7 была определена величина продольной составляющей магнитного поля B=5,8 ±0,02 mT.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет проводить измерения параметров внешнего воздействия с высокой точностью без явных ограничений на ширину динамического диапазона. Предлагаемый способ отличается от других, основанных на ПЭВ резонансе тем, что не подразумевает сложных оптических схем с необходимостью юстировки двух пучков излучения. Более того, данный способ позволяет реализовать режим непосредственного преобразования измеряемой величины в электрический сигнал. Обеспечивается возможность быстрого проведения измерений не только в лабораторных, но и в бытовых, производственных и полевых условиях. Измерения могут проводиться недорогими средствами, производство которых реализуемо на базе промышленной технологии микроэлектроники.
Использование: неконтактные методы исследования характеристик внешних воздействий на среду, преимущественно биологического происхождения, и/или контактирующую с биологическими объектами среду, определяющую жизнедеятельность данных объектов. Сущность изобретения: поток электромагнитного излучения возбуждает поверхностную электромагнитную волну в металлической пленке. При этом в зоне распространения электромагнитного излучения и/или поверхностной электромагнитной волны находится эталонная чувствительная среда. Электрический сигнал между металлической пленкой и полупроводниковой подложкой несет в себе информацию о внешних воздействиях, которые изменяют параметры эталонной среды. 2 с. и 20 з.п.ф-лы, 7 ил.
| Способ размножения копий рисунков, текста и т.п. | 1921 |
|
SU89A1 |
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
