CN109728121B - 一种宽温大动态范围的中红外光电探测器及探测模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽温大动态范围的中红外光电探测器及探测模块，包括衬底，涂覆在衬底上的光导薄膜，光导薄膜上设置有漏出衬底的分割缝，使得光导薄膜呈包括测量臂、参考臂和底边的U型结构，测量臂的顶端以及底边、参考臂上涂覆有金属膜，使得测量臂上外露部分的光导薄膜形成光敏元；测量臂的顶端、参考臂的顶端以及底边的金属膜上分别设置有测量电极、参考电极和公共电极。通过设计参考暗元，对于探测器元阻抗温度特性进行补偿，大大提高了探测器的温度工作范围。

Description

一种宽温大动态范围的中红外光电探测器及探测模块

技术领域

本发明涉及一种用于中红外光功率测量的光电探测器，尤其是一种适用于连续波中红外激光功率测量的室温工作、大动态范围和宽温度范围光电探测器。

背景技术

光导型中红外探测器如碲镉汞、锑化铟等在测量激光参数时，通常采用如图1所示的电桥加仪表放大器的结构。图中R1为探测臂上偏置电阻，R2为配平臂上偏置电阻，RD为探测器电阻值，R3为配平电阻，G为仪表放大器的放大倍数。其基本原理是激光辐照光导探测器时，RD的电阻变化值与加载激光功率呈线性关系，从而实现激光功率的测量。

受碲镉汞等探测器温度特性的影响，当工作环境温度变化时，RD将随温度单调变化，图2是典型的探测器暗电阻温度特性曲线，而图1电路中的配平电阻随温度阻值基本不变。由电路原理可知，当环境温度变化时，探测器暗电阻的变化将引起探测电路输出本底电压信号的漂移，会大大减小探测器的测量动态范围。比如探测器信号采集单元的采集范围是0-5V，如果受到温度变化影响探测器输出本底为3V，则只有3-5V之间的跨度可用于测量激光响应，因而影响到了系统测量动态范围；更有可能的是，在外界环境温度剧烈变化时，出现探测器输出本底信号达到5V以上的饱和极限值，此时探测器是无法再进行激光功率探测的。传统的方式是采用温度稳定控制的探测器，比如液氮制冷或热电制冷的探测器，由于其体积和功耗都较大，限制了其应用场合，特别是难以用于数百只呈阵列分布的激光探测单元。

申请号为“201110233174.9”的中国专利“一种基于电桥原理的中红外探测电路参数设计方法”公开了上述光导性探测器电路参数的配平方法，但是其局限于需要知道探测器的工作温度范围，并根据这个较窄范围内的温度值进行电阻的参数优化设计，以避免出现探测器基线过高影响测量精度。一旦探测器应用至温度变化剧烈的环境时，这种方法无法满足测量要求的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新型的宽温度范围、大动态范围室温光导中红外激光功率测量光电探测器，通过设计参考暗元，对于探测器元阻抗温度特性进行补偿，大大提高了探测器的温度工作范围；进一步通过在探测器光敏面上设计栅格式窗结构，提高激光入射时探测器芯片温度和载流子分布均匀性，提高了探测器测量线性动态范围。

本发明的技术方案是提供一种宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特殊之处在于：包括衬底，涂覆在衬底上的光导薄膜，光导薄膜上设置有漏出衬底的分割缝，使得光导薄膜呈包括测量臂、参考臂和底边的U型结构，上述的测量臂的顶端以及底边、参考臂上涂覆有金属膜，使得测量臂上外露部分的光导薄膜形成光敏元；上述的测量臂的顶端、参考臂的顶端以及底边的金属膜上分别设置有测量电极、参考电极和公共电极。

进一步地，为了提高激光入射时探测器芯片温度和载流子分布均匀性，上述的测量臂上的金属膜沿测量臂长度方向为栅格结构，使得测量臂上的金属膜和外露的光导薄膜呈周期性间隔设置。

进一步地，上述的衬底为石英或硅。

进一步地，上述的光导薄膜为锑化铟、碲镉汞、硫化铅或硒化铅光导薄膜。

进一步地，上述的金属膜为金膜或银膜。

进一步地，测量电极、参考电极和公共电极焊接在对应的金属膜上。

进一步地，上述的探测器的衬底的厚度为100-500微米，光导薄膜厚度为10微米，金属膜的厚度为0.5微米。

进一步地，上述的衬底为长条形结构，长度为1.5毫米，宽度为1毫米，分割缝宽度为0.2毫米。

本发明还提供一种宽温大动态范围的中红外光电探测模块，其特殊之处在于：包括电桥结构的探测单元和放大器，上述的探测单元包括上述探测器以及上配平电阻和下配平电阻，上述的上配平电阻和下配平电阻之间的公共端和公共电极分别联接至放大器的正输入端、负输入端。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明设计了带有参考暗元的中红外光电探测器结构，参考暗元上镀有对激光高反射的金属膜，工作中参考暗元与光敏元结构一致，并处于相同的温度环境下，通过电桥式驱动电路模块实现了对探测器元阻抗温度特性的补偿，使得测量系统在宽温工作环境下具有较大的动态范围。

2、本发明将光敏元设计为周期性栅格式窗结构，采用金属膜和探测器光导薄膜间隔设置，有利于激光辐照时光生载流子和热扩散平衡，从而改善探测器响应率非线性，进一步提高了探测器测量线性动态范围。

3、本发明的中红外光电探测器在一块基底上实现了参考暗元、电极端子及栅格结构的光敏元制备，并采用U型结构的光导薄膜实现了每个部件的功能及可靠联接，可不改变原有的独元探测器结构，具有结构紧凑、应用方便等特点。

附图说明

图1是基于电桥原理的中红外探测电路图；

图2为典型的碲镉汞探测器暗电阻随温度变化曲线；

图3为本发明双元探测器的主视图；

图4为图3沿A-A方向剖视图；

图5为本发明双元探测器驱动电路模块工作原理图

图6为本发明栅格结构的双元探测器的主视图；

图7为图6沿B-B方向剖视图；

附图标记为：1—衬底；2—探测器；3—金属膜；4—分割缝；5—公共电极；6—参考电极；7—测量电极；8—焊盘；9—光导薄膜；11—底边；12—探测臂；13—参考臂；U—直流电源；R1—参考暗元的暗电阻；R2—光敏元的暗电阻；R3—上配平电阻；R4—下配平电阻；Amp—放大器；Output—信号输出端。

具体实施方式

如图3-4所示，本发明的宽温大动态范围的双元探测器包括衬底1，并在衬底1上涂覆并形成了U型结构的光导薄膜9，该U型结构包括测量臂12、参考臂13和底边11。可采用的制作方式是在衬底1上涂覆长方形的光导薄膜9后，利用机械加工的方案，在衬底1上加工图3中的分割缝4，也可以采用涂覆光导薄膜9时，事先将分割缝4的位置遮挡，最后将遮挡片移走，形成U型结构的光导薄膜9。然后在光导薄膜9上层有选择地涂覆金属膜3，参考臂13和底边11上全部涂覆金属膜3，而测量臂12上只在顶端上涂覆金属膜3，使得测量臂12上外露部分的光导薄膜9形成光敏元，参考臂13上则为参考暗元。测量臂12的顶端、参考臂13的顶端以及底边11的金属膜3上分别焊接有测量电极7、参考电极6和公共电极5。

这样一来，在激光入射至探测器表面时，金属膜对光高反射，因而参考暗元不会发生光电导效应引起的电阻变化，而光敏元上的光导薄膜9接收光信号，产生光电导效应，电阻的阻值变化与光强呈线性关系，实现了激光的参数测量，同时参考暗元和光敏元结构一致，工作时两者产生的暗电阻基本一致，通过电路处理可以实现探测器元阻抗温度特性的补偿，使得测量系统在宽温工作环境下具有较大的动态范围。

上述双元探测器中衬底1为石英或硅，光导薄膜9为锑化铟、碲镉汞、硫化铅或硒化铅光导薄膜，金属膜3为对激光高反射的金膜或银膜。探测器的衬底1为长条形结构，长度为1.5毫米，宽度为1毫米，分割缝4的宽度为0.2毫米。衬底1的厚度为100-500微米，光导薄膜9厚度为10微米，金属膜3的厚度为0.5微米，均采用常规的红外探测器制作工艺制成。

图5给出了该探测器的驱动电路模块，包括电桥结构的探测单元和放大器，其中探测单元包括上述的双元探测器2以及上配平电阻R3和下配平电阻R4，其中上配平电阻R3和下配平电阻R4之间的公共端和公共电极5分别联接至放大器Amp的负输入端、正输入端，光电转换后电信号则由放大器Amp的信号输出端Output输出。使用中按照图5接线，将测量电极7和下配平电阻R4的下端接地GND，参考电极6和上配平电阻R3的上端接直流电源U，R1即为参考暗元的暗电阻，R2即为光敏元的暗电阻。也就是直流电源U产生的电流沿图3中探测器的参考电极6经公共电极5和测量电极7后至地GND。

由于参考暗元的暗电阻R1和光敏元的暗电阻R2结构一致，因而阻值基本相同，当外界环境的温度变化时，参考暗元的暗电阻R1和光敏元的暗电阻R2几乎同时变化，使得公共电极5的电位始终处于U/2，而上配平电阻R3和下配平电阻R4之间通过选择相同的电阻值，也工作在U/2的电压处，根据放大器的原理，输出信号的基底接近0V，从而确保了探测器的动态范围可接近满量程。一旦光敏元接受激光辐照，R2阻值变化，则输出端Output会产生与光强呈线性的信号幅值变化，实现了激光光强测量。

作为进一步的实施方式，如图6-7所示，双元探测器的测量臂12上的金属膜3沿测量臂12长度方向为栅格结构，使得测量臂12上的金属膜3和外露的光导薄膜9呈周期性间隔设置，这种周期性栅格式窗结构，提高了激光入射时探测器芯片温度和载流子分布均匀性，进一步提高了探测器测量线性动态范围。

其基本原理是：光导型光电探测器是利用半导体材料的光电效应将入射激光转化为非平衡光生载流子，宏观表现为半导体材料电导率的变化，探测器的元阻抗和响应率主要由非平衡载流子浓度、寿命和迁移率所共同决定，故降低本征载流子浓度、提高光生载流子(即非平衡载流子)寿命可以提高探测器的响应率及探测器的动态范围。对于中红外探测器InSb、HgCdTe等材料，激光入射至探测器光敏面时，一部分光会转换为热并产生热效应，在强光探测中只有光生载流子和热尽快扩散并达到平衡，才能不影响后续载流子的产生及运输，否则温度升高也会引起光生载流子寿命下降，最终影响到响应率和动态范围。

传统的探测器采用如图3上部所示的整体光敏元结构，光生载流子只能向衬底扩散，导致探测器响应率随入射功率密度增加而降低，使得不同功率入射时探测器响应呈现固有的非线性，降低了探测器饱和阈值。而本发明实施例中采用了如图6所示的栅格结构，即金属膜3和外露的光导薄膜9呈周期性间隔设置，光生载流子和热除了向衬底扩散外还可以扩散至金属膜3下面的光导材料中，而金属膜3对激光高反射。在假定激光功率密度相同时，后一种结构探测器中的光生载流子和热便于扩散，尽快趋于平衡，温升也会比前一种结构的探测器降低并尽快趋于平衡。很显然，后一种栅格结构的探测器比前一种整体结构的探测器响应率非线性小，探测动态范围提高。

Claims (9)

1.一种宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：包括衬底(1)，涂覆在衬底(1)上的光导薄膜(9)，光导薄膜(9)上设置有漏出衬底(1)的分割缝(4)，使得光导薄膜(9)呈包括测量臂(12)、参考臂(13)和底边(11)的U型结构，所述的测量臂(12)的顶端以及底边(11)、参考臂(13)上涂覆有金属膜(3)，使得测量臂(12)上外露部分的光导薄膜(9)形成光敏元；所述的测量臂(12)的顶端、参考臂(13)的顶端以及底边(11)的金属膜(3)上分别设置有测量电极(7)、参考电极(6)和公共电极(5)。

2.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：所述的测量臂(12)上的金属膜(3)沿测量臂(12)长度方向为栅格结构，使得测量臂(12)上的金属膜(3)和外露的光导薄膜(9)呈周期性间隔设置。

3.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：所述的衬底(1)为石英或硅。

4.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：所述的光导薄膜(9)为锑化铟、碲镉汞、硫化铅或硒化铅光导薄膜。

5.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：所述的金属膜(3)为金膜或银膜。

6.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：测量电极(7)、参考电极(6)和公共电极(5)焊接在对应的金属膜(3)上。

7.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：所述的探测器的衬底(1)的厚度为100-500微米，光导薄膜(9)厚度为10微米，金属膜(3)的厚度为0.5微米。

8.根据权利要求1所述的宽温大动态范围的中红外光电探测器，其特征在于：所述的衬底(1)为长条形结构，长度为1.5毫米，宽度为1毫米，分割缝(4)宽度为0.2毫米。

9.一种宽温大动态范围的中红外光电探测模块，其特征在于：包括电桥结构的探测单元和放大器，所述的探测单元包括如权利要求1-8任意之一的宽温大动态范围的中红外光电探测器以及上配平电阻和下配平电阻，所述的上配平电阻和下配平电阻之间的公共端和公共电极(5)分别联接至放大器的负输入端、正输入端。

Images