автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация термоэлектрических пленочных преобразователей

ц р да

На правах рукописи

САТИН Валерий Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕИЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЛУЧИСТЫХ ПОТОКОВ

Специальность 05.14.05 - Теоретические основы теплотехники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж

- 1998

Работа выполнена на кафедре промышленной теплоэнергети Воронежского государственного технического университета

Научный руководитель : д-р техн. наук, проф., Заслуженный деятель наукн техники РФ Фалеев В.В.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф.

Пешков В.В. канд. техн. наук Лушникова E.H.

Ведущая организация - ОАО «JIOMO» ( г. Санкт-Петербург)

Защита состоится "/2" ОН . " 1999 г. в 11 час. на заседай диссертационного совета Д.063.081.05 в конференц-зале Воронежскс государственного технического университета по адресу 394 026 , Вороне; Московский пр.,14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежско государственного технического университета.

Автореферат разослан " ^ " / ^_" 1998 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Бараков A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Термоэлектрические преобразователи (ТП) , обла-мющие простотой конструкции и надежностью, находят широкое применена в различных отраслях промышленности. В приборостроении ТП исполь-|уются в качестве чувствительных элементов дистанционных измерителей тепловых потоков. Улучшение теплофизических параметров таких измерителей связано как с уменьшением их габаритно-массовых характеристик, •ак и повышением эффективности термоэлектрических материалов. Это дос--игается применением в качестве ТП пленочных структур. Пленочные ТП южно использовать также в качестве слаботочных термогенераторов в ге-шоэнергетических установках, где возможна большая концентрация энергии 1а малой площадке.

Однако известные в настоящее время пленочные ТП для теплофизиче-кого приборостроения не превосходят еще по своим параметрам характери-тики массивных ТП, что связано, на наш взгляд, с недооценкой современ-[ых достижений микроэлектроники, неправильным выбором материалов и ¡азмеров таких преобразователей. Правильный выбор материалов и размеров вязан прежде всего с анализом тепловых процессов, протекающих в пле-очных структурах ТП, что позволяет полнее использовать ьх преимущест-а. Применение же термоэлектрических пленочных структур для гелиоэнер-етики находится пока в стадии обсуждения и научных экспериментов.

Таким образом, исследование теплофизических параметров исмери-ельных пленочных ТП и пленочных термогенераторов и создание на этой снове эффективных устройств является актуальной задачей.

. Диссертационная работа выполнялась по комплексному плану лаучно-сследовательских работ Воронежского политехнического института чк.рег. № 75028213, гос.рег. № 75065782, гос.рег. № 77038358) в части эздания измерительных пленочных ТП , а также по координационному лану НИР ИКИ АН СССР на основании распоряжения Президиума АН ССР № 00272 от 31.05.1973 г. и по постановлению ГКНТ СМ СССР №119 £31.08.1978 г., (проблема 01.09.).

Целью работы является моделирование и разработка методов тепло-ого расчета оптимальных параметров пленочных ТП лучистых потоков и эздание на их основе устройств для теплофизического приборостроения в гплоэнергетике. |

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи:

1. Разработка математической модели и метода теплового расчета ос-звных параметров пленочных термоэлектрических преобразователей лучи-гых потоков.

2. Разработка методов расчета оптимальных размеров пленочных ТП, рименяемых в теплофизическом приборостроении и для вырабатывания ¡ектрической энергии.

3. Разработка рекомендаций по выбору материалов для изготовлени; высокочувствительных измерителей лучистых потоков.

4. Создание и исследование быстродействующих и высокочувстви тельных измерителей лучистых потоков н слаботочных пленочных термо генераторов.

Научная новизна.

1.Предложены физическая и математическая модели теплопереноса в термоэлектрических пленочных преобразователях энергии и изучены основные особенности течения тепловых процессов.

2. Получены соотношения для расчета оптимальных размеров и теп лофизических параметров пленочных ТП.

3. Установлены критерии оценки качества используемых термоэлектрических материалов.

4. Получены соотношения для определения оптимальных теплофи-зических параметров термоэлектрических материалов, применяемых в ТП.

5. Предложены и исследованы конструкции высокочувствительных и быстродействующих пленочных ТП для теплофизического приборостроения

6. Предложен и исследован слаботочный пленочный термоэлектрический генератор.

Практическая ценность работы. Разработанные методики расчета оп тимальных размеров и параметров пленочных ТП дают возможность сокра тить время для конструкюрско-технологических проработок теплофизиче-ских приборов и пленочных генераторов. Устройства, разработанные на ос нове проведенных исследований, использовались в практике КБ "Энергия' им. академика С.П.'чоролева,. МИЦ "Сгруймепехнология", Воронежского политехническом институте при проведении научных работ по дистанционному измерению интенсивных.тепловых ¡.г, 'оков, а тагже в цехах ряда предприятий г. Воронежа. Результаты используются в учебном процессе кафедрь промышленной теплоэнергетики при выполнении курсового проекта.

За участие в разработке. плёночных ТП для целей ракетно • космической техники а втер-награжден дипломом Федерации космонавтам СССР.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской конференции молодых ученых «Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов» ( Тбилиси, 1977), IV Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену ( Киев, 1978), 1 и II Всесоюзных школах по термоэлектричеству (Яремча, 1976,1978), Ш Всесоюзной конференции по охране трудг (Каунас, 1982), XXVIII семинаре "Теплотехнические основы методов прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (Киев, 1981),IX научных чтениях по космонавтике (Москва , 1985), Всесоюзном семинаре "Современное состояние теплофизического приборостроения "(Киев, 1985), I III, IV и VI Всесоюзных семинарах по тепловым приемникам излучения (Мо-

сква,1977, 1982,1986,1988) межвузовском семинаре «Процессы тепломассообмена в энергомашнностроешш» (Воронеж , 1991), ежегодных научных конференциях Воронежского государственного технического университета с 1976 по 1997 г.

Публикации. По результатам проведенных автором исследований опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объём работы. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка , 3 таблицы и состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня библиографических источников, приложения. Библиографический список включает 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертации, цели и задачи исследования, научная новизна основных результатов, практическая значимость.

Первая глава посвящена описанию особенностей течения тепловых процессов в ТПП. Обзор развития ТПП и методов их расчета показал, что применение ТПП в качестве чувствительных элементов измерителей лучистых тепловых потоков улучшает характеристики таких приборов по сравнению с массивными преобразователями. Однако известные ТПП ещё не достигли своих оптимальных параметров. Известные методы расчета не учитывают некоторые особенности течения тепловых процессов в ТПП.

Тепловые процессы в ТПП сводятся к теплообмену с окружающей средой, накоплению тепла в самом преобразователе и термоэлектрическим эффектам. Для улучшения основных характеристик преобразователя всегда желательно уменьшать тепловые потери в окружающую среду, поэтому в данной работе рассматривается ТПП , работающий в вакууме.

Важной особенностью протекания тепловых процессов в ТПП является наличие в них термоэлектрических эффектов. Показано, что из пяти термоэлектрических эффектов необходимо учитывать эффекты Зеебека и Пельтье. Эффект Томпсона не учитывается, поскольку термоэлектрический материал, применяемый в рассматриваемых ТПП, считается однородным и без наличия градиента термоЭДС. Ввиду малости не учитываются также необратимые потери тепла за счет Джоулева нагрева.

Делается вывод о причинах, по которым ТПП не достигают своих предельных характеристик. К ним относится неверный выбор материалов и размеров подложки и термоэлектрических ветвей, что является следствием недооценки тщательного анализа протекания тепловых процессов в ТПП. Сформулированы основные направления развития ТПП и поставлены задачи исследования.

Во второй главе дано описание работы ТПП, введены их основные ха-

рактеристики. Составлено уравнение теплового баланса для пленочного термоэлектрического измерителя тепловых потоков (ПТЭП). Расчетная схема ПТЭП показана на рис. I. При составлении уравнения теплового баланса было учтено, что важной особенностью ПТЭП являются их малые размеры. В этом случае можно считать свойства термоэлектрических материалов постоянными и независящими от температуры, тогда влиянием эффекта

Томпсона на работу ПТЭП можно пренебречь. Проведенные нами оценки показали, что тепловой поток, выделяемый в ПТЭП за счет эффекта Джоуля мал и составляет к 10"" Вт, поэтому при ^ [ ХХ^-,' £"г КХХД анализе работы ПТЭП влиянием

этого эффекта также можно пренебречь .

Рис.1. Расчетная схема ПТЭП

жн Ч шпч У Тг х

4>

1

В общем случае уравнение теплового баланса для каждой из ветвей будет двумерным, описывающим распространение тепла вдоль и поперек полоски. Однако численные расчеты показали, что при отношениях теплопроводности подложки (Л„) к теплопроводности ветви (А„) : Д„/ Л„< 0,5 и длины ветви к толщине подложки (<5„)://6п> 10, что характерно для рассматриваемых в данной работе ПТЭП, погрешность расчета перепада температур на "горячем" спае термоэлектрических ьсгвей по одномерной модели составляет < 3 % по сравнению с учетом поперечной неравномерности температурного поля.

С учетом принятых допущений уравнение теплопроводности для падающего теплового потока излучения , изменяющегося по гармоническому закону с частотой Г в одномерном случае, будет иметь вид

. зи, . а2ц

(1)

где

с• = с,рД + слрп8„ , X] = + >.„8„ , В, = в +

21]

0 = 4аТ3[ь,(е,-е„) + 2Ь„еп] , А( = V,. , ¡=п,р . Здесь Сп,рп,5„ - удельная теплоёмкость, плотность и площадь сечения подложки соответственно; Я,п,Ьл,еп- коэффициент теплопроводности, ширина и коэффициент излучения подложки соответственно; с- постоянная Стефана-Больцмана; а -суммарная термоЭДС спая; j = Т^Т; со = 2п£; е, \у0 -коэффициент поглощения приемной площадки и плотность падающего теп-

лового потока соответственно, г - время.

Граничными и начальными условиями для (1) являются

= = о . и.(о) = ир(о) = и0 .

сЦ„ Л

д\

В нашей работе были получены решения уравнений (1 ) при условиях (2), которые описывают распределение температуры вдоль термоэлектрических ветвей. При этом гиперболические функции, входящие в решение, разлагались в ряды с ограничением для синуса одним, а для косинуса - двумя членами ряда. Получено выражение для модуля температурного перепада в точке х = О

и„ =

е^'Б.,

(д2 + с:ог)"

(3)

где

Л = 2|Г + Г

/ \ « 1

огТ[ аЯ оЯ,

При этом вольтваттная чувствительность ПТЭП будет определяться по формуле

Ш ! Л Л

г = 77Г~Гп« • (4)

(Л +с ш )

Считая, что шум ПТЭП ограничен Джонсоновским в полосе пропускания Д/, а сопротивление ПТЭП не зависит от частоты , было получено выражение для определения мощности эквивалентной шуму

МЭШ =

41:ТыдгГ е, е \ ,

—;—5— —7Г + —Г- (Л + с"и")

с«2 ил о/ '

(5)

где к - постоянная Больцмана; N - число пар термоэлектрических ветвей.

При измерении периодически изменяющегося теплового потока можно :читать, что ПТЭП работает как частотный фильтр с передаточной характеристикой

Гогда постоянная времени измерителя определяется выражением

т = с / Л

(6

Если падающий на измеритель тепловой поток изменяется по ступе!: чатому закону, то, считая длину ветвей одинаковой, получим для величин; температурного перепада решение в виде ряда. Ограничиваясь первым ела гаемым ряда, находим выражение для величины температурного перепа да в точке X = О

<У0 =

ехр

1 —

1

шу0(А„+Ар)С

в

ВС-

V К + Лр

ВС + -

(7)

Как уже указывалось, ТПП можно использовать в качестве слаботочного генера. ора. При этом тепловые процесс:.:; проходящие в нем, будут описываться уравнением (I) с граничными и начальными условиями (2).Если предположить, что Джоулсв нагрев мал, то температурный перепад на «горячем» спае термоэлектрических ветвей будет определяться формулами (3) или (7). Для упрощения расчетов параметров пленочного генератора можно принять, что длина ветвей одинакова. В этом случае необходимое согласование ветвей по тепловому режиму .можно получить путем изменения площади их сечений. Принимая во внимание паши обоснования, получим выражение для вырабатываемой мощности в форме

(Т1-Т,)шго„5„Ы\Ч)Д

АС

1 +

(8)

(л2 + с;о)2)0'5

где Т.,Т,- температура "горячего" и "холодного" спаев соответственно.

Зная величину вырабатываемой мощности, можно определить КПД преобразователя по формуле

А(т,-тх)

а.8

(9)

П

Анализируя полученные зависимости для определения основных

параметров ТПП можно заметить, что все параметры допускают оптимизацию по геометрическим размерам и основным теплофизическим характеристикам.

Третья глава посвящена оптимизации параметров и рациональному выбору конструкции ТПП. Для измерительных ТПП можно оптимизировать величины и „.г варьируя размеры и выбирая соответствующие термоэлектрические материалы.

Анализ выражений (3) и (4) показывает, что для г<„ и г имеется оптимальная длина ветви , при которой эти параметры будут максимальными. При малых частотах модуляции теплового потока выполняется условие Л » си, тогда имеем соотношение для оптимальной длины ветви

/7 = [(27.; + 0.5crTa,S,) / g]°'5 . (10)

Если значения величин Лп и Л , а также а„ и сг близки, то из (10) можно получить /„«/,,, и тогда площади сечения ветвей определяются по выражению

(S„ /Sp) = (ll? + 0,5а2Тар)/(2л„ + 0.5а^Та„) . (11)

Из технологических соображений следует выполнять ветви одинаковой длины, а необходимое тепловое согласование проводить подбором сечения ветвей за счет изменения толщины пленок.

Для больших частот модуляции теплового потока или большой теплоёмкости приемной площадки ТПП выполняется условие л « cm .В этом случае ветви следует изготавливать очень короткими с малым попереилым сечением, воспользовавшись соотношениями

(„=(е - Sn/Sp = (cpPp)/(c„Pli) . (12)

Получены также выражения для определения оптимальной длины вет-зи в случае а « сю и уравнения для определения отношения /„ / / .

Оптимальная длина ветви для минимальной МЭШ будет отличаться от !„„ для максимальной чувствительности. В предельном случае имеем для К » си при !„ / L = у = const

4

—+ Я, У

Ю{у+ 1)

1ри этом, для оптимального значения у имеем

лт~т:1г1у)у>™ "Х7У = 0 •

где

. сгТ X, =2/',+—о^.

"Т

Ъ-Щ+^ар, , у =(аА)/(аЛ,)

При Л « сш необходимо выбирать 1р = /„ таким образом, чтобы длина

ветвей была минимально возможной.

В случае, когда X я ссо, оптимальную длину ветви можно определить по зависимости

з[о:(у + 1)2+с;ог]

4 + 3

С2(у + 1);

(14)

где с, = с;,у + ср .

В отличие от ил для вольтваттной чувствительности и МЭШ имеется оптимальное значение термоЭДС

21 —- + — | +

+ с~со~

I (

(15 )

При выполнении условия (15) соотношения для оптимальных / и у будут несколько иными. В случае Л » со) для оптимального у имеем

( у 1 к у

Отметим ,что в этом случае чем больше длина ветви, тем выше чувствительность. Оптимальная длина ветви для минимизации МЭШ определяется выражением

Г" =

2\ —+■>:,

0(у + 1)

Если X » со, то экстремальное значение г достигается при значении

_,Ч5„с;

У опт

В этом случае длина ветви не оказывает существенного влияния на

чувствительность.

Оптимальное значение г, соответствующее минимальной МЭШ, находится по зависимости

^ опт /

Проведенные нами вычисления показали, что для исследуемых в данной работе Т1Л1 значение »„„„может лежать в диапазоне 800 - 1200 мкВ/град. На наш взгляд, оптимизация параметров по термоЭДС несколько затруднена, поскольку термоэлектрические материалы, применяемые в наших экспериментах, имеют термоЭДС не более 250 мкВ/град.

Отметим, что для вольтваттной чувствительности оптимизированной по длине ветви, экстремального значения термоЭДС не существует. В этом случае с увеличением термоЭДС вольтваттная чувствительность растет.

Для ТПП, вырабатывающих электрическую энергию можно оптимизировать величины и0,\\; иг]. В рассматриваемых нами ТПП оптимальпая длина ветви (для получения максимальной ) определяется выражением

/ =

(4й2 + с,ег) ' I

При этом длины обоих ветвей выбираются одинаковыми. Для вырабатываемой мощности и КПД оптимальная длин:: ветги находится по зависимости

, I 20(х,+?.а)

ЯШ

от |з(4о2 + с,-0)2)

Мощность и КПД экстремальны по отношению к параметру а2а- .зависящему от свойств материала. Проводя согласование ветвей по ус-ловшоа„5„ -ог$г, получим выражение для экстремального а2<тлв виде

В четвертой главе исследовалась проблема выбора материалов для изготовления ТПП. При этом учитывалось влияние теплофизич'.ских характеристик используемых материалов на основные параметры пр-образователей. Анализировался выбор материалов для диэлектрической! прослойки, чувствительных элементов и поглощающего покрытия.

Показано, что наиболее приемлемыми материалами для диэлектрической прослойки являются полимерные пленки, в частности на основе ароматических полиимидов. Приведено описание техпроцесса получения тонких^ 1 \ikmJ полиимидных пленок на основе лака ПМ-1.

Проведен анализ влияния теплофизических характеристик термоэлектрических материалов на величину вольтваттной чувствительности оптимизированных и не оптимизированных ПТЭП. Анализировалось влияние как отдельных величин коэффициентов теплопроводности (Л),теплоёмкости (С),

термоЭДС (с), электропроводности (с),так и критериев а /Л. а2а I Я. а2а и а2 а! ?:. Было установлено, что для всех типов приемников, работающих как на модулированном, так и на смодулированном тепловом потоке ( д « со, л « ссо, Л » сса ) наибольшее влияние на чувствительность оказывает термоЭДС, на величину которой и необходимо ориентироваться при выборе материала. Для ПТЭП, применяемых в метрологии для измерения тепловых потоков в большом диапазоне плотностей поглощенного потока, важен критерий а/Я, который должен быть максимальным и стабильным во всем измеряемом диапазоне. Для быстродействующих ПТЭП необходимо ориентироваться на критерий с/Я , который должен быть минимальным. В ТПП, предназначенных для вырабатывания электрической энергии, необходимо использовать материалы с высоким значением а2а и а2а/Л2 . Приведены данные о теплофизических свойствах ряда термоэлектрических материалов и сделан вывод о перспективности использования в качестве материалов чувствительных элементов ТПП халькогенидов сурьмы и висмута.

Теплофизические характеристики поглощающего покрытия в значительной мере определяют все характеристики преобразователей. На основании литературных данных и собственных экспериментов было установлено, что наилучшим поглощающим покрытием, являются низковакуумные конденсаты золота, полученные по методике JIOMO.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию 1ПП. Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены ТПП двух видов с прямоугольной и круглой приемными площадками. Измерительные ТПП исследоь шись нескольких типов - с 9 ,11, 17, 22, 44 парами ветвей; с круглой площадкой одного типа с 12 парами. ТПП предназначенные для вырабатывания элект| ической энергии изготавливались с прямоугольной приемной площадкой и имели 12 пар ветвей.

Чувствительные ветви изготавливались из твердых растворов халькогенидов сурьмы и висмута. В работе для отрицательной ветви ( п - тип) использовались материалы^,rejaco,,, для положительной ( р - тип) -Bi0.,,Te¡,Se 3.

Термоэлектрические ветви формировались дискретным испарением в вакууме при конденсации на подогретую подложку. Полученные пленки отжигались в вакууме или в среде аргона. Изолирующей подложкой служила тонкая полиимидная пленка, методика получения которой описана в 4 главе. В качестве поглощающего покрытия использовались низковакуумные конденсаты золота или смеси Bi - Sb.

Поскольку система "теплоотвод - подложка" в значительной мере определяет тепловой баланс прибора, а следовательно, и его рабочие характеристики, то поэтому были сформулированы определенные требования к материалу теплоотвода и его конструкции. В качестве материала для теплоот-вода была выбрана листовая медь марки МБ толщиной 0,4 - 0,3 мм. Описана технология получения теплоотвода и особенности техпроцесса.

Для формирования чувствительных ветвей применялся метод фотолитографии, поскольку этот метод позволяет получать очень высокую плотность монтажа элементов на единицу площади. Это приводит к возможности формирования большого числа последовательно соединенных спаев на приемной площадке ТПП и значительному увеличению выходного сигнала. Причем в работе основное внимание по отработке процесса фотолитографии было направлено не на увеличение разрешающей способности с целыо уменьшения ширины ветвей, а на уменьшение зазора между ветвями. Приведена схема фотолитографического процесса по пленкам чувствительных элементов и рекомендации по технологическому процессу с описанием операции.

Полученные приемные элементы подвергались выходному контролю, а затем термическим испарением в вакууме на них наносились контактные площадки из серебра с подслоем хрома.

В данных исследованиях проводилось измерение чувствительности и постоянной времени ПТЭП. Чувствительность измерялась от стандартного интегрального источника излучения мощностью 3 • 10'4 Вт/мм2 , сигнал ил • нходе ПТЭП "Ь'ксировался цифровым вольтметром. Постоянная времени определялась по стандартной методике из соотношения г = 1 / (2л/'|,,0,), где /с.07- частота модуляции лучистого теплового потока, на которой выходной сигнал составляет 0,707 от первоначального. Модуляция производилась с помощью перфорированного диска. Частота модуляции и ЭДС приемных элементов измерялась на стандартном осциллографе.

Исследована зависимость чувствительности и постоянной времени от степени вакуумирования для ПТЭП с поглощающим покрытием и без покрытия. Согласно полученным результатом эффективный рост чувствительности происходит до разряжения порядка и Ю'2 мм.рт.ст. и дальнейшее понижение давления практически не влияет па параметры прибора. Установлено, что поглощающее покрытие не вносит сущестиенного изменения п характер роста чувствительности и постоянной времени от степени вакуумирования, в то время как уменьшение приемной площадки, а следовательно, и уменьшение интенсивности теплообмена .поверхности ТПП с окружающей ' средой, приводит к значительному снижению чувствительности при вакуу-мировании.

Получен:' частотные характеристики исследуемых ТПП. Для прямоугольного ПТЭП с 17 парами ветвей частотная характеристика показана на рис.2, где кривая (1) соответствует ПТЭП работающему на воздухе, кривая (2) - в вакууме. Лучшие вакуумированные ПТЭП этого типа имели следующие характеристики : г = 125 В/ Вт, г= 5,5 мс, МЭШ (расчет) = 3,5 ■ 10"'° Вт. Предельные характеристики по МЭШ имели ПТЭП с 44 парами ветвей, для прибора с г = 247,8 В/ Вт, внутренним сопротивлением Д = 29 кОм расчетное значение МЭШ = 8,8 • 10"" Вт. В связи с тем, что основной областью

применения ПТЭГТ является регистрация лучистых тепловых потоков малой

Ктн I

Ф

0,5 0,2

__

ч я ___ V*

N к|

X

20

ЬО

¿0

10

¿00

мощности, то, как правило, возникает необходимость в фокусирующей системе. Поэтому форма ТПП в виде диска обеспечивает максимальное использование приемной площади поглощающей части прибора. Кроме того, радиальное расположение термоэлектрических ветвей ПТЭП позволяет сформировать коллектор, который увеличивает сток

Рис. 2.Частотная характеристика ПТЭП.

поглощенного тепла с приемной площадки ПТЭП, выравнивает по площади поглощательную способность приемной части, улучшая зон&тьную чувствительность. В прямоугольных ПТЭП создание коллектора является достаточно сложной задачей. В этом случае коллекторные перемычки не заполняют всю приемную площадку, поэтому не могут выполнить- тепловыравниваю-щую функцию.

Исследовались ПТЭП, выполненные с коллектором из алюминия и серебра. Измерения чувствительности и постоянной времени для ПТЭП с коллектором из алюминия показали, что с увеличением толщины коллектора вначале.(когда слой коллектора имеет островковую структуру) наблюдается уменьшение постоянной времени почти в 1,5 раза при неизменной чувствительности. Затем происходит стабилизация постоянной времени :фи незначительном («20%) повышении чувствительности. Дальнейшее; повышение толщины коллекторного слоя приводит к уменьшению ооопх параметров. Существенно иная картина была получена для коллектора из серебра. Здесь в области сверхтонких слоев коллекторного металла происходит рост постоянной времени при неизменном значении чувствительности. Затем дальнейшее увеличение толщины коллектора приводит к уменьшению обоих параметров. Достаточно приближенные оценки показывают, что наиболее оптимальным является коллектор из алюминия толщиной от 0,005до 0,03 мкм.

Проведенные эксперименты показали, что ПТЭП с радиальным расположением ветвей имеют достаточно низкую постоянную времени. Лучшие быстродействующие ПТЭП имели: г = 3,4 В/Вт,т = 1мс, МЭШ (расчет) =3,26 • 10"9 Вт. Лучшим по чувствительности был прибор с г = 47,6 В/Вт (в вакууме), т= 6,4 мс (в вакууме), МЭШ (расчет) = 0,27 • 10'9 Вт.

Проведены исследования по снижению постоянной времени для прямоугольных ПТЭП. Анализ выражения для расчета постоянной времени по-

называет , что увеличить быстродействие прибора можно двумя путями : а) снижением теплоемкости приемной площадки ; б) организацией теплообмена таким образом , чтобы рост теплоотдачи превалировал над ростом теплоёмкости ПТЭП. Первый путь был реализован в нашей работе снижением толщины изолирующей подложки и чувствительных пленок, а также уменьшением длины ветвей (размеров приемной площадки). Систематические исследования по этому вопросу отсутствовали, а в нашем случае в связи с применением при изготовлении ПТЭП фотолитографии, появилась возможность получать ПТЭП с приемной площадкой различных размеров и геометрии.

Исследования проводились на не вакуумированных термоэлементах с 17 ветвями. Длина ветви определялась на микроскопе ПМТ-3 с погрешностью ±10 мкм . Эксперименты показали, что уменьшение длины ветвей приводит к снижению постоянной времени, в то время как чувствительность имеет максимум при оптимальной длине ветви. В целом уменьшение размеров приемной площадки является перспективным направлением в дальнейшем совершенствовании конструкции быстродействующих ПТЭП.

Второй путь увеличения быстродействия ПТЭП за счет повышения те-плосъема с поверхности приемной площадки реализован нами с помощью теплового шунтирования. На верхнюю поверхность термоэлектрических ветвей через изолирующую прослойку наносился слой материала с большой теплопроводностью, что значительно ускоряло сброс тепла с горячих спаев термоэлемента на массивный теплоотвод. В экспериментах исследовались термоэлементы прямоугольной формы с 9 парами ветвей. В качестве шунтирующего материала использовалось серебро. Эксперименты показали, что с увеличением толщины шунтирующей пленки происходит пропорциональное уменьшение постоянной времени и чувствительности ПТЭП. Тепловое шунтирование является эффективным средством повышения быстродействия. Так с помощью теплового шунтирования удалось снизить постоянную времени с 4,8 до 0,66 мс, при одновременном снижении чувствительности с 14 до 2 В/Вт. Шунтирование тонким (5-10 мкм) слоем серебра ПТЭП с 17 ветвями позволило получить постоянную времени 5 мс при одновременном снижении чувствительности с 196 до 35 В/Вт, Кроме того метод теплового шунтирования оказался весьма технологичным и надежным.

На основные параметры ПТЭП (чувствительность и МЭШ) оказывают влияние электрофизические характеристики термоэлектрических материалов и изолирующей прослойки, которые сами зависят сложным образом от температуры. Анализ литературных данных показал, что имеется интервал температур ПТЭП, где г и МЭШ могут быть экстремальны. Были проведены измерения параметров ПТЭП в зависимости от температуры. Измерения проводились в вакуумной камере, а для охлаждения ПТЭП применялась термоэлектрическая термобатарея от серийно выпускаемого малогабаритного холодильника. Температура подложки измерялась термопарой градуировки ХК. Исследовался термоэлемент с 17 парами ветвей. Было установлено, что

постоянная времени в интервале температур до 140° С остается постоянной, а чувствительность имеет максимум в интервале 40° - 60° С. Минимальное значение МЭШ соответствовало 45°С.

При облучении только части приемной площадки чувствительность ПТЭП будет изменяться и зависеть от координаты расположения места облучения относительно «горячего» спая. Проведенные расчеты показали, чтс чувствительность ПТЭП зависит от места облучения по следующей зависимости

е -а.

4?. оиТс 5Т , Л2 с - + -5-Е—+ 20^(1 + К) +

[2сш/:(1 + К)]2

(16)

_Г(1-К) 2С

где К = £ / £0 ; £- длина ветви, - координата места облучения. При выводе (16) принято, что длина и сечение ветвей одинаковы, а их теп-лофизическне характеристики средние. Исследовался термоэлемент с 17 парами ветвей. При этом длина ветви составляла 0,5 мм. Приведенные экспериментальные данные хорошо согласуются с расчетной зависимостью. Введен коэффициент равномерности по чувствительности, который равен отношению длины той части ветви, чувствительность которой не ниже 0,9гтах, ко всей длине приемного элемента (21 ). Из экспериментальных данных следует, что с увеличением частоты падающего излучения чувствительность по длине термоэлектрической полоски несколько выравнивается. Однако коэффициент равномерности по чувствительности изменяется незначительно.

Были приведены исследования ТПП, предназначенного для вырабатывания электрической энергии. Сняты нагрузочная к. вольтамперная характеристики .'Вырабатываемая мощность с площадки 0,5 мм2 составила 4 ■ 10'6 Вт, при КПД 0,02%. Низкие значения КПД объясняются малыми значениями термоЭДС пленок и отклонением размеров' ТПП от оптимальных.

Основные результаты работы

1 .Для бесконтактного измерения лучистых тепловых потоков разработана методика расчета энергетических параметров термоэлектрических пленочных преобразователей и технология изготовления пленочных структур из халькогенидов сурьмы и висмута с применением метода фотолитографии.

2 .Установлен наиболее оптимальный температурный режим работы тер-

моэлектрического пленочного преобразователя, позволяющий получить мак-

симальную чувствительность и минимальную мощность эквивалентную шу-

му.

3. Для разработанного измерителя лучистых тепловых потоков с чувствительностью 247 В/ Вт получены соотношения для определения оптимальных размеров преобразователей. Разработаны рекомендации по выбору ма-

териалов чувствительных элементов преобразователей, подложки и поглощающего покрытия. Наиболее перспективными для высокочувствительных преобразователей являются материалы с высоким значением термоЭДС.

4. Предложен способ теплового шунтирования пленочных термоэлектрических преобразователей для измерения лучистых тепловых потоков с постоянной времени менее 1 мс.

5. Основные результаты работы используются в практике КБ РКК «Энергия» им. С. П. Королева (г.Королев, Московской обл.).

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Малоинерционный термоэлектрический приемник ИК-излучения на основе халькогенидов висмута / А.П.Иванюк, Е.А.Малыгин, В.П.Милонов,

A.С.Охотин, В.А.Сатин //Космическое материаловедение и технология. - М.: Наука, 1977.-С. 168-171.

2. Малыгин Е. А., Милонов В. П., Сатин В. А. Пленочный термоэлемент для контроля тепловых режимов микроэлектронных при-боров//Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов: Тез. докл.-Тбилиси. 1977.-С. 107.

3. Разработка и исследование быстродействующих радиационных термоэлектрических приемников / М.П.Козорезов, Е.А.Малыгин, В.П.Милонов,

B.А.Сатин //Тез. докл.IV Всесоюзной конференции по радиационному, теплообмену. - Киев.: Наукова Думка, 1978.-С. 54.

■. • -.А. Пленочный термоэлектрический приемник ИК-излучения длм кон-,, троля"тепловых..режимов микроэлектронных приборов / Е.А.Малыгин,-В.П.Милонов, В.А.С-тин, ТОаЛ.Урывский //Электронная техника. Сер. S> «Метрология управление качеством и стандартизация». - М.: ЦНИИ "Электроника", 1979, №6гС.78 - 81.

. 5. Быстродействующий термоэлектрический приемник ИК-излучения /■ М.П.Козорезов, В.П.Милонов, В.А.Сатин, Г.А.Ракова // "Материалы I и II Всесоюзных школ по термоэлектричеству 1976,1978г.г.":Сб.науч.тр. - М.: ВИНИТИ, 1981. № 5559 - 81тС.175-177.

6. Сатин В. А. О выборе материалов чувствительных элементов пленочных термоэлектрических приемников лучистых потоков. Деп. в ЦНИИТЭИ, 1981, № 2448. 14 с.

7. Сатин В.А. О зональной чувствительности пленочных термоэлектрических приемников излучения // Тепловые приемники излучения - 82 : Тез. докл. III Всесоюзного семинара по тепловым приемникам излучения. -Л.:ГОИ, 1981гС.53-54.

8. Сатин В.А. О пленочных термоэлементах для измерения лучистых потоков // Проблемы охраны труда : Тез. докл. III Всесоюз. конф. по охране труда. - Каунас: КПИ, 1982 гС.461-462.

9. Тонкопленочные термоэлектрические приемники ИК-излучения / А.П.Иванюк , Е.А.Малыгин , В.П.Милонов , А.С.Охотин , В.А.Сатин // Материалы и процессы космической технологии. - М.: Наука,] 980.-С.211 - 214.

10. Сатин В.А. Выбор оптимальных размеров ветвей пленочных термоэлектрических приемников излучения/ТТепловые приемники излучения -86 : Тез. докл. V Всесоюзного семинара по тепловым приемникам излучения,- Л.: ГОИ, 1986гС,55 - 56.

11. Сатин В.А. Оптимизация параметров пленочных термоэлектрических измерителей тепловых потоков // Промышленная теплотехника 1986. № 5.-С. 65 - 69.

12. Козорезов М.П. , Милонов В.П., Сатин В.А. Тепловые приемники излучения на пленках халькогенидов сурьмы и висмута // Тепловые приемники излучения - 88: Тез.докл.\/2 Всесоюзного семинара по тепловым приемникам излучения. - Л.: ГОИ, 1988.-С.59 - 60.

13. Козорезов М.П., Милонов В.П., Сатин В.А. Дистанционный измеритель тепловых потоков биологических объектов// Измерения в медицине и их метрологическое обеспечение: Тез. докл. 9-ой Всесоюз. конф. - М.: ВНИИОФИ.1989.-С. 102.

14. Фалеев В.В., Сатин В.А. О тепловой эффективности пленочных термоэлектрических преобразователей энергии//Теплообмен в энергетических установках и повышение эффективности их работы. Межвуз. Сб. Нау >. тр. Воронеж, ВПИ.1992гС.113-117.

/V.'

?.'(rr К- ■!•■ тф

Воронежский Государственный Технический Университет

на правах рукописи

САТИН Валерий Александрович

Моделирование и оптимизация термоэлектрических пленочных преобразователей

Специальность 05.14.05. - теоретические основы теплотехники

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук,

профессор Фалеев В.В.

}

Воронеж - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1.Особенности течения тепловых процессов в термоэлектрических пленочных преобразователях.

1.1 .Обзор развития термоэлектрических пленочных преобразователей и методов их расчета 11

1.2.0 тепловых процессах в термоэлектрических пленочных преобразователях 20

1.3.Выводы и задачи исследования 25

2. Моделирование тепловых процессов в термоэлектрических пленочных преобразователях.

2.1 .Уравнение теплового баланса для пленочного термоэлектрического измерителя тепловых потоков 28

2.2.Расчет температурного перепада и основных характеристик в пленочном термоэлектрическом измерителе тепловых потоков 38

2.3.Расчет энергетических характеристик пленочного термоэлектрического генератора слабых токов 50

2.4.Выводы 52

3. Оптимизация температурных параметров и рациональный выбор конструкции пленочных термоэлектрических преобразователей (ТПП).

3.1. Расчет оптимальных параметров ТПП для измерения периодически изменяющихся тепловых потоков 53

3.2. Влияние различных факторов на оптимальную длину ветви ТПП 63

3.3. Расчет оптимальных параметров пленочных термоэлектрических генераторов 75

3.4. Выводы 77

4. Выбор материалов для изготовления ТПП.

4.1. Выбор материалов изолирующей прослойки 79

4.2. Выбор термоэлектрических материалов 86

4.3. Влияние свойств термоэлектрических материалов на величину вольтваттной чувствительности 87

4.4. Выбор материалов для поглощающих покрытий 106

4.5. Выводы 108

5. Экспериментальные исследования пленочных термоэлектрических преобразователей.

5.1. Методика изготовления экспериментальных образцов пленочных преобразователей 109

5.2. Экспериментальные исследования пленочных термоэлектрических измерителей лучистых потоков 129

5.3. Исследования по снижению постоянной времени 140

5.4. Экспериментальное исследование температурного режима работы ПТЭП 148

5.5. Исследование зональной чувствительности ПТЭП 157

5.6. Экспериментальные исследования пленочного термогенератора слабых токов 163

5.7. Выводы 166

Заключение

Список использованных источников Приложение

167 169 176

ВВЕДЕН ИЕ

Актуальность темы. Термоэлектрические преобразователи (ТП) , обладающие простотой конструкции и надежностью, находят широкое применение в различных отраслях промышленности. В приборостроении ТП используются в качестве чувствительных элементов дистанционных измерителей тепловых потоков. Улучшение теплофизических параметров таких измерителей связано как с уменьшением их габаритно-массовых характеристик, так и повышением эффективности термоэлектрических материалов. Это достигается применением в качестве ТП пленочных структур. Пленочные ТП можно использовать также в качестве слаботочных термогенераторов в гелиоэнергетических установках, где возможна большая концентрация энергии на малой площадке.

Однако известные в настоящее время пленочные ТП для теплофизического приборостроения не превосходят еще по своим параметрам характеристики массивных ТП, что связано, на наш взгляд, с недооценкой современных достижений микроэлектроники, неправильным выбором материалов и размеров таких преобразователей. Правильный выбор материалов и размеров связан прежде всего с анализом тепловых процессов, протекающих в пленочных структурах ТП, что позволяет полнее использовать их преимущества. Применение же термоэлектрических пленочных структур для гелиоэнергетики находится пока в стадии обсуждения и научных экспериментов.

Таким образом, исследование теплофизических параметров измерительных пленочных ТП и пленочных термогенераторов и создание на этой основе эффективных устройств является актуальной задачей.

Диссертационная работа выполнялась по комплексному плану научно-исследовательских работ Воронежского политехнического

института (гос.рег. № 75028213, гос.рег. № 75065782, гос.рег. № 77038358) в части создания измерительных пленочных ТП , а также по координационному плану НИР ИКИ АН СССР на основании распоряжения Президиума АН СССР № 00272 от 31.05.1973 г. и по постановлению ГКНТ СМ СССР №119 от 31.08.1978 г., (проблема 01.09.).

Целью работы является моделирование и разработка методов теплового расчета оптимальных параметров пленочных ТП лучистых потоков и создание на их основе устройств для теплофизического приборостроения в теплоэнергетике.

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи: 1. Разработка математической модели и метода теплового расчета основных параметров пленочных термоэлектрических преобразователей лучистых потоков.

2. Разработка методов расчета оптимальных размеров пленочных ТП, применяемых в теплофизическом приборостроении и для вырабатывания электрической энергии.

3. Разработка рекомендаций по выбору материалов для изготовления высокочувствительных измерителей лучистых потоков.

4. Создание и исследование быстродействующих и высокочувствительных измерителей лучистых потоков и слаботочных пленочных термогенераторов.

Научная новизна основных положений, выносимых на защиту.

1.Предложены физическая и математическая модели теплопереноса в термоэлектрических пленочных преобразователях энергии и изучены основные особенности течения тепловых процессов.

2. Получены соотношения для расчета оптимальных размеров и теплофизических параметров пленочных ТП..

3. Установлены критерии оценки качества используемых термоэлектрических материалов.

4. Получены соотношения для определения оптимальных теплофи-зических параметров термоэлектрических материалов, применяемых в ТП.

5. Предложены и исследованы конструкции высокочувствительных и быстродействующих пленочных ТП для теплофизического приборостроения.

6. Предложен и исследован слаботочный пленочный термоэлектрический генератор.

Практическая ценность работы. Разработанные методики расчета оптимальных размеров и параметров пленочных ТП дают возможность сократить время для конструкторско-технологических проработок теплофизических приборов и пленочных генераторов. Устройства, разработанные на основе проведенных исследований, использовались в практике КБ "Энергия" им. академика С.П.Королева, МИЦ "Струйметтехнология", Воронежском политехническом институте при проведении научных работ по дистанционному измерению интенсивных тепловых потоков, а также в цехах ряда предприятий г. Воронежа. Результаты используются в учебном процессе кафедры промышленной теплоэнергетики при выполнении курсового проекта.

За участие в разработке плёночных ТП для целей ракетно -космической техники автор награжден дипломом Федерации космонавтики СССР.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Республиканской конференции молодых ученых «Вопросы микроэлектроники и физики полупроводниковых приборов» ( Тбилиси, 1977), IV Всесоюзной конференции по радиационному теплообмену ( Киев, 1978) , 1 и II Всесоюзных школах по термоэлектричеству (Яремча, 1976,1978), Ш Всесоюзной конференции по охране труда (Каунас, 1982), ХХУШ семинаре "Теплотехнические основы методов прямого

преобразования тепловой энергии в электрическую (Киев, 1981),IX научных чтениях по космонавтике (Москва, 1985), Всесоюзном семинаре "Современное состояние теплофизического приборостроения "(Киев, 1985), I, III, IV и VI Всесоюзных семинарах по тепловым приемникам излучения (Москва, 1977, 1982,1986,1988) ,межвузовском семинаре «Процессы тепломассообмена в энергомашиностроении» (Воронеж, 1991), ежегодных научных конференциях Воронежского государственного технического университета с 1976 по 1997 г.

Публикации. По результатам проведенных автором исследований опубликовано 14 печатных работ.

Структура и объём работы. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 54 рисунка , 3 таблицы и состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня библиографических источников, приложения. Библиографический список включает 67 наименований.

Краткое содержание работы

В первой главе проведен обзор развития термоэлектрических пленочных преобразователей и методов их расчета. Установлено , что известные ТПП ещё не достигли своих предельно возможных параметров, а известные методы расчета не учитывают некоторые особенности протекающих в них тепловых процессов. Важной особенностью протекания тепловых процессов в ТПП является наличие в них термоэлектрических эффектов. Показано, что из пяти термоэлектрических эффектов необходимо учитывать эффекты Зеебека и Пельтье.

Сделан вывод о возможных причинах по которым ТПП не достигают своих предельных характеристик. К ним относится неверный выбор материалов и размеров подложки и термоэлектрических ветвей, что является следствием недооценки тщательного анализа протекающих

в ТПП тепловых процессов. Сформулированы основные направления развития ТПП и поставлены задачи исследования.

Во второй главе дано описание работы ТПП, введены их основные характеристики. Составлено уравнение теплового баланса для пленочного термоэлектрического измерителя тепловых потоков (ПТЭП) работающего на переменном тепловом потоке. Показано, что уравнения теплового баланса для каждой из ветвей , которые в общем случае будут двумерными , можно свести к одномерным.

Получено выражение для модуля температурного перепада в точке стыковки ветвей, и далее выражения для определения вольтваттной чувствительности и мощности эквивалентной шуму (МЭШ).

Составлено уравнение теплового баланса для ПТЭП измеряющего постоянный тепловой поток. Определена величина температурного перепада для такого преобразователя.

На основании полученных выражений для определения температурного перепада получены выражения для определения мощности вырабатываемой пленочным термогенератором, определено значение КПД. Установлено, что полученные зависимости для определения основных параметров ТПГ1 позволяют оптимизировать размеры преобразователей и их основные теплофизические характеристики.

Третья глава посвящена оптимизации параметров и рациональному выбору конструкции ТПП. Показано, что для ПТЭП можно оптимизировать величину температурного перепада и чувствительность, варьируя размеры и выбирая соответствующие материалы. Приведены выражения для определения оптимальной длины термоэлектрических ветвей и площадей их сечений ПТЭП предназначенных для измерения переменных или постоянных тепловых потоков.

В отличие от чувствительности МЭШ можно оптимизировать и по величине термоЭДС, приведены формулы для определения

оптимального значения термоЭДС. Установлено, что для ТПП вырабатывающих электрическую энергию можно оптимизировать величину температурного перепада, величину вырабатываемой мощности и КПД. Приведены выражения для определения оптимальных значений длины термоэлектрических ветвей преобразователей и величины термоЭДС.

В четвертой главе исследовалась проблема выбора материалов для изготовления ТПП. При этом учитывалось влияние тепло физических характеристик используемых материалов на основные параметры преобразователей. Анализировался выбор материалов для диэлектрической прослойки, чувствительных элементов и поглощающего покрытия.

Показано, что для диэлектрической прослойки наиболее приемлемыми являются полимерные пленки на основе ароматических полиимидов. Проведен анализ влияния теплофизических характеристик термоэлектрических материалов на величину чувствительности оптимизированных и не оптимизированных ПТЭП.

Установлено, что для всех типов приемников работающих как на модулированном так и не модулированном тепловом потоке наибольшее влияние на чувствительность оказывает термоЭДС. Показано, что для поглощающего покрытия наилучшими материалами являются низковакуумные конденсаты золота.

Пятая глава посвящена экспериментальному исследованию ТПП. Описан технологический процесс получения термоэлектрических пленок и прибора для измерения тепловых потоков. Исследовались приборы двух типов - с прямоугольной и круглой приемными площадками. При исследовании ПТЭП проводились измерения чувствительности и постоянной времени. Получены частотные зависимости ПТЭП и исследовано влияние вакуума на параметры приборов.

Были исследованы ПТЭП с коллектором из алюминия и серебра.

Проведены исследования по снижению постоянной времени ПТЭП , показано, что применение теплового шунтирования с помощью тонких пленок металлов позволяет снизить постоянную времени ПТЭП до 1 мс.

Исследовалась температурная зависимость чувствительности и постоянной времени. Установлено, что при температурах преобразователя 40° - 45° С , МЭШ и чувствительность имеют экстремум.

Исследовалась зональная чувствительность ПТЭП. Приведена расчетная формула для определения зональной чувствительности, а , также, экспериментальные данные.

Исследовался пленочный ТЭГ, для которого сняты нагрузочная и вольтамперная характеристики. Полученные экспериментальные результаты хорошо совпадают с приведенными расчетными зависимостями.

В заключении приведены основные результаты диссертации.

За поддержку и содействие в выполнении работы автор искренне признателен научному руководителю профессору Фалееву В.В.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ТЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ.

1.1. Обзор развития термоэлектрических пленочных преобразователей и методов их расчета.

Применение ТПП в качестве измерителей изучалось в [1,2,3], применение же ТПП в качестве генераторов электрической энергии в известной нам литературе не исследовалось. Поэтому методы расчета пленочных термоэлектрических генераторов пока еще разработаны недостаточно. В 1992 г. нами была предпринята попытка восполнить этот пробел [4].

Основные результаты наших исследований излагаются в настоящей работе.

За время прошедшее с первых применений ТПП в качестве измерителей тепловых потоков [1] накоплен большой опыт практических исследований и разработаны различные методики расчета основных параметров.

Во всех первых ТПП [1,2,3] в качестве материалов чувствительных элементов использовались висмут, сурьма, теллур. Лучшим пленочным приемником этого периода следует считать термоэлемент Гарриса [5]. Приемник имел 50 ветвей на площади 10 мм2. В качестве чувствительных элементов использовались висмут и сурьма, подложкой служила пленка нитроцелюлозы. Толщина пленок сурьмы составляла 0,6, а висмута 1,07 мкм. Сопротивление приемника было 50-^-80 Ом. Приемник не вакуумировался и его постоянная времени была порядка 10 мс, а интегральная чувствительность 0,4-4-0,52 В/Вт. Мощность эквивалентная шуму, согласно расчету, составляла единицы Ю-11 Вт в полосе пропускания 1 Гц.

Приемник работы [3] имел измеренное значение МЭШ 2-10"10 Вт для полосы 1 Гц с постоянной времени 50 мс. Омическое сопротивление пленок составляло 204-50 Ом.

Отметим, что разработчики вышеуказанных приемников, для получения малых значений МЭШ, шли по пути уменьшения собственного шума приемника, уменьшая его омическое сопротивление. На наш взгляд этот путь не является перспективным, поскольку шумы реализуемых усилителей могут превышать шумы приемников и МЭШ будет определяться в этом случае шумом усилителя.

Для дальнейшего периода развития характерно применение в ТПП новых материалов, по тем или иным причина; разработка оригинальных конструкций с целью уменьшения постоянной времени; разработка приемников с максимальной чувствительностью.

В работе [6] описан ТПП, используемый в космонавтике. С целью обеспечения стабильности параметров, в качестве материалов чувствительных элементов использовались металлы - золото и никель. Термоэлемент изготавливался на майларовой пленке, толщиной 3,5 мкм. Термоэлектрические пленки получались напылением в вакууме через металлическую маску. Поглощающим покрытием служила пленка золотой черни, получаемая напылением в низком вакууме (менее 1 мм. рт. ст.). Для увеличения теплосъема с холодных спаев термопары на диэлектрическую пленку - подложку наносился толстый слой меди. Интегральная чувствительность, описанного приемника, составляла 0,5-И ,5 В/Вт с постоянной времени 48ч-85 мс.

В работе [7] в качестве материала чувствительных элементов использовались, также, висмут и сурьма. Пленки получались термическим испарением в вакууме с последующей конденсацией на хол�