RU2515417C2 - Приемник ик-излучения болометрического типа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок. Функции (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде 2N периодических решеток, ориентированных взаимно перпендикулярно друг к другу. Решетки состоят из n тонкопленочных монокристальных полосок, изготовленных из Bi_1-xSb_x (0<x<12), и представляют собой n фазированных антенн с периодом L=λ/2. Параметры болометра удовлетворяют следующим соотношениям: Δλ≤(λ/n+λR₀/2Z), τ<20a×b/χ, R₀/2Z<0,5, где Δλ - интервал регистрируемых длин волн на основной длине волны λ, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной, а - ширина, b - длина полосок, R_o - сопротивление квадратного участка поверхности полоски, τ - время выхода на стационарное состояние при воздействии прямоугольного импульса электромагнитной энергии. Технический результат заключается в повышении быстродействия устройства. 1 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ.

Настоящее изобретение относится к болометрическому детектору и устройству для детектирования инфракрасного излучения, использующему такой детектор. Изобретение может применяться, в частности, в тепловизионной технике и может быть использовано в тепловизорах смотрящего типа в качестве чувствительного элемента матричных приемников и, в основном, предназначено для работы в интервале длин волн Δλ от 7 до 14 мкм (основная длина волны 10 мкм) для создания тепловых изображений предметов в ночное время суток.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.

Аналоги предлагаемого изобретения: Филачев A.M., Андрюшин С.Я. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион». Прикладная физика, №5, 2000, с.5-17. Патент РФ на изобретение №2383875 от 15.03.2006.

В области техники, относящейся к инфракрасным детекторам, известны болометрические приемники, которые, как правило, включают в себя: средство поглощения инфракрасного излучения и преобразования его в тепло (поглотитель); средство термоизоляции детектора, обеспечивающее возможность максимального возрастания его температуры в результате воздействия инфракрасного излучения; термометрическое средство, в котором в случае болометрического детектора используют резистивный элемент.

Обычно болометр состоит из мембраны, на которой расположен термочувствительный элемент (ТЧЕ) и поглотитель электромагнитной энергии (ПЭЭ). Часто функции ТЧЭ и ПЭЭ совмещаются в одном элементе, например, в случае болометров, изготовленных на основе VO_x. Если в качестве (ТЧЭ) применяется полупроводник типа аморфного кремния, то ПЭЭ изготавливают обычно нанесением пленки металла, которая имеет небольшой коэффициент поглощения: обычно всего несколько процентов. Иногда ограничиваются тем, что роль ПЭЭ выполняет мембрана, изготовленная из окиси кремния и нитрида кремния. Чтобы получить низкую теплопроводность между болометром и его окружением, болометр помещается на длинных шинках с небольшой площадью поперечного сечения, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью, как правило, покрытых тонким слоем металла, который обеспечивает электрический контакт между болометром и электронной схемой считывания сигнала. Тепловая проводимость между чувствительным элементом (ЧЭ) болометра и его контактной областью может быть на уровне 3,5·10^-8 Вт/K.

Фактор заполнения пикселя определяет долю занимаемой болометрами площади пикселя, которая используется для поглощения падающего инфракрасного излучения. Остальные области пикселей занимают контактные области болометра, интервалы между болометрами и соседними мембранами болометров и переходными окнами, которые соединяют болометр и пластину с интегральной схемой считывания. Обычные одноуровневые инфракрасные матричные болометры, как правило, имеют коэффициент заполнения от 60% до 70%.

К недостаткам таких болометров относится то, что при низкой обнаружительной способности D* они обладают невысоким быстродействием τ, так как тонкопленочные поликристаллические материалы, которые применяются в (ТЧЭ), обладают высоким уровнем шумов типа 1/f (f - рабочая частота) и заниженным коэффициентом поглощения (Филачев A.M., Андрюшин С.Я. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион». Прикладная физика, №5, 2000, с.5-17). Применение матричных приемников такого типа в тепловизорах малоэффективно из-за невозможности реализовать режим накопления заряда при обработке и считывании сигналов.

Низкое быстродействие (время выхода на стационарное состояние при воздействии прямоугольного импульса электромагнитной энергии) τ обусловлено медленным оттоком тепла в окружающее пространство с площадки приемника величины S. Оценка для величины τ при оттоке тепла в телесный угол 2π с площадки S дает τ~20S/χ, где χ - температуропроводность окружающего пространства обычно воздух и при размерах мембраны с S~50×50 мкм² и величине χ~0,1 см²/с τ получается ~10 мс. (А.М.Прохоров, К.А.Валиев, А.А.Шиляев и др. А.С. №1394883, 08.01.1988. СССР).

Задача известных изобретений заключается в максимизации полезной площади поверхности болометрического материала независимо от его сопротивления без получающегося в результате влияния на характеристики детектора избыточного шума, связанного, в частности, с эффектами истечения заряда с межкристаллитных острий в поликристаллических пленках. Максимизация достигается за счет более рационального использования площади проводящих шинок, соединяющих болометр со схемой считывания. Отсутствуют технические решения, позволяющие увеличить величину D* и быстродействие болометров.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предлагаемой конструкции болометра эффект повышения быстродействия достигается тем, что при заданной величине D*, рабочей полосе длин волн Δλ и с основной длиной волны λ электромагнитная энергия, поглощенная с площади S, выделяется в ТЧЭ и отводится в пространство с площадки s<S.

Задачу увеличения быстродействия τ болометров предлагается решить следующим образом. В известном болометре, который состоит из мембраны площади S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к твердой подложке с помощью токопроводящих шинок, с целью увеличения быстродействия регистрации ИК-излучения в интервале длин волн Δλ на основной длине волны λ, при заданной величине D*, в предлагаемом техническом решении функции (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен на мембране из протяженных полосок тонкопленочного монокристального материала Bi_1-xSb_x, образующих узкополосные периодические решетки в количестве 2N с шагом расположения полосок в решетке, равным λ/2 (N - целое число). Необходимым является наличие двух типов решеток, которые ориентированы взаимно перпендикулярно друг к другу для обеспечения регистрации излучения любой поляризации. Поглощение энергии излучения происходит со всей площади S мембраны каждой из n полосок решетки, представляющей собой набор n фазированных антенн, а выделение и отток тепла осуществляется от площадки с площадью, равной s=a×b<S, где а - ширина полоски, b - ее длина. Рабочий интервал длин волн Δλ болометра зависит от числа полосок n в одной решетке и величины поверхностного сопротивления R_o полоски (R_o - сопротивление квадратного участка поверхности полоски). Экспериментально установлено, что величина Δλ≤(λ/n+λR₀/2Z), где Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, a R₀/2Z<0,5.

В такой конструкции происходит уменьшение вольт/ваттной чувствительности за счет интенсивного оттока тепла от ТЧЭ, но при этом уменьшается величина шума за счет применения в качестве ТЧЭ монокристальных пленок, шум которых снижен до предельного уровня шумов Найквиста-Джонсона. В результате параметр D* не уменьшается.

Для изготовления болометров с необходимым быстродействием τ геометрические и теплофизические параметры болометра должны удовлетворять условию τ<20a×b/χ, где χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен схематичный план вида детектора в аксонометрической проекции: к подложке 1 (обычно кремний) прикреплена диэлектрическая мембрана 2, на которой расположен термочувствительный и одновременно поглощающий электромагнитную энергию элемент 3, выполненный в виде набора двух типов последовательно соединенных полосковых структур (решеток, ориентированных перпендикулярно друг к другу). Мембрана крепится к подложке шинками 4, на которой расположены токопроводящие шинки 5, которые соединяют ТЧЭ 3 с контактами 6, необходимыми для подключения болометра в измерительную схему.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для практического осуществления предложенного изобретения болометрический детектор был изготовлен на пластине из кремния, на который было нанесено четырехслойное тонкопленочное покрытие, имеющее такой же коэффициент линейного расширения как и у кремния (SiO₂+Si₃N₄+SiO₂+Si₃N₄), под которым была вытравлена полость глубиной 2,5 мкм и площадью 120×120 мкм². Таким образом с помощью фотолитографии была изготовлена теплоизолированная от подложки из кремния мембрана 2, на которую наносился ТЧЭ 3 из монокристального тонкопленочного Bi_1-xSb_x, где x=8%. Этот материал относится к классу полуметаллов с концентрацией свободных электронов 10^-5 на атом. Температурный коэффициент сопротивления ТЧЭ равен 0,7%/K, а монокристальное исполнение пленок обеспечивает предельно низкий уровень шумов $$U_{ш}^2~4kT{R}_0\Delta f$$

, где k = постоянная Больцмана, R - полное сопротивление ТЧЭ. Элементы ТЧЭ имеют следующие геометрические параметры: ширина полосок 1 мкм, длина 20 мкм, толщина пленок ~100 нм, полная приемная площадь ~100×100 мкм². R~100 кОм.

Измерение уровня шума и вольт/ваттной чувствительности проводилось при напряжении смещения U на ТЧЭ~8 В. Не обнаружено зависимости напряжения шумов U_ш от величины приложенного напряжения смещения, и в полосе 1 Гц U_ш оказалось равным 42 нВ.

Устройство работает следующим образом. При воздействии на болометрический приемник импульсом прямоугольной формы электромагнитной волны происходит интенсивное поглощение энергии решеточными структурами ТЧЭ, что приводит к нагреву ТЧЭ и изменению его эффективного сопротивления на величину ΔR=RαΔT, где ΔТ - изменение температуры, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления. Наличие двух типов решеток из ленточных тонкопленочных полуметаллических структур дает возможность регистрировать ИК-излучение любой поляризации.

Измерения вольт/ваттной чувствительности W проводилось с использованием излучающего черного тела при температуре 500 K, светофильтра из InSb и механического модулятора. Получены оценочные значения W~4000 В/Вт и D*~10⁹ Вт^-1·см·Гц, τ~10^-4 с.

Claims (1)

1. Болометрический детектор, состоящий из мембраны площади S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к твердой подложке с помощью токопроводящих шинок, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия регистрации ИК-излучения в интервале длин волн Δλ на основной длине волны λ при заданной величине D*, функции (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде 2N периодических решеток, ориентированных взаимно перпендикулярно друг к другу и состоящих из n тонкопленочных монокристальных полосок каждая, изготовленных из Bi_1-xSb_x (0<x<12) и представляющих собой n фазированных антенн с периодом L=λ/2, а физические и геометрические параметры болометра удовлетворяют экспериментально полученным соотношениям: Δλ≤(λ/n+λR₀/2Z), τ<20a×b/χ, R₀/2Z<0,5, где Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух), а - ширина, b - длина полосок, R_o - сопротивление квадратного участка поверхности полоски, τ - время выхода на стационарное состояние при воздействии прямоугольного импульса электромагнитной энергии.