RU2570235C1 - Pyroelectric converter of electromagnetic waves - Google Patents

Pyroelectric converter of electromagnetic waves Download PDF

Info

Publication number
RU2570235C1
RU2570235C1 RU2014124078/28A RU2014124078A RU2570235C1 RU 2570235 C1 RU2570235 C1 RU 2570235C1 RU 2014124078/28 A RU2014124078/28 A RU 2014124078/28A RU 2014124078 A RU2014124078 A RU 2014124078A RU 2570235 C1 RU2570235 C1 RU 2570235C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
antenna
pyroelectric
plate
plates
substrate
Prior art date
Application number
RU2014124078/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Владимирович Чесноков
Дмитрий Владимирович Чесноков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ)
Priority to RU2014124078/28A priority Critical patent/RU2570235C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2570235C1 publication Critical patent/RU2570235C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: pyroelectric converter includes heat-insulated plate of pyrodielectric with conductive thin-film coats at opposite surfaces of the plate connected to electric signal meter. At that one coat is an in-series section of the high-frequency current circuit of the antenna receiving electromagnetic waves.
EFFECT: signals in terahertz range may be received.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике, устройствам оптико-электронных приборов, в том числе пироэлектрических приемников излучений.The invention relates to optoelectronics, devices of optoelectronic devices, including pyroelectric radiation receivers.

Решается задача создания пироэлектрических приемников излучений, обычно используемых в видимом и ИК спектре, для более длинноволнового диапазона спектра.The problem of creating pyroelectric radiation receivers, usually used in the visible and IR spectrum, is being solved for the longer wavelength range of the spectrum.

Аналогом устройства выбраны радиоприемные устройства [Физическая энциклопедия / Гл. ред. A.M. Прохоров. Т. 4. Радиоприемные устройства. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - 704 с.], содержащие антенные системы и соединенные с антенной детекторы электромагнитных волн; сигнал с детектора усиливается и измеряется. В качестве детекторов могут быть применены как тепловые типа болометров, так и детекторы на p-n переходах.An analogue device selected radio receivers [Physical Encyclopedia / Ch. ed. A.M. Prokhorov. T. 4. Radio receivers. - M .: Big Russian Encyclopedia, 1994. - 704 p.], Containing antenna systems and electromagnetic wave detectors connected to the antenna; The signal from the detector is amplified and measured. As detectors, both thermal types of bolometers and detectors at p-n junctions can be used.

Недостатком аналога являются значительные габариты антенных систем радиоприемных устройств а также отсутствие очевидного решения проблемы использования пироэлектрических преобразователей для детектирования электромагнитных волн.A disadvantage of the analogue is the significant dimensions of the antenna systems of radio receivers and the lack of an obvious solution to the problem of using pyroelectric converters for detecting electromagnetic waves.

Другим аналогом устройства выбраны полосковые устройства СВЧ [Проектирование полосковых устройств СВЧ: уч. пособие. - Ульяновск: Ульяновский ГТУ, 2001. - 123 с.], в которых антенны устройства выполняются компактными в виде отрезков полосковых волноводов на проводящих или диэлектрических подложках совместно с размещенными на этих же подложках полупроводниковыми или другими детекторами электромагнитных волн.Another analog device selected microwave strip devices [Design of microwave strip devices: uc. allowance. - Ulyanovsk: Ulyanovsk State Technical University, 2001. - 123 p.], In which the device’s antennas are compact in the form of segments of strip waveguides on conductive or dielectric substrates together with semiconductor or other electromagnetic wave detectors placed on the same substrates.

Недостатком аналога является отсутствие очевидного решения проблемы использования пироэлектрических преобразователей для детектирования электромагнитных волн.A disadvantage of the analogue is the lack of an obvious solution to the problem of using pyroelectric converters for detecting electromagnetic waves.

В качестве прототипа выбран пироэлектрический приемник [Новик В.К. и др. Пироэлектрические преобразователи. - М.: Сов. Радио, 1979. - 176 с.] в виде теплоизолированной пироэлектрической пластины с обкладками по обеим ее сторонам; пластина закреплена на поверхности подложки. Закрепление выполняется теплоизолирующим, иногда элементы преобразователя закрепляются с помощью мостиковой конструкции с малым тепловым контактом с подложкой. Измеряемое излучение падает на поверхность с обкладкой, поглощается и нагревает обкладки и пироэлектрическую пластину; возникшая между обкладками разность потенциалов усиливается и измеряется с помощью операционного усилителя, который своими входами соединен с обкладками.A pyroelectric receiver was selected as a prototype [Novik V.K. and other Pyroelectric converters. - M .: Owls. Radio, 1979. - 176 p.] In the form of a thermally insulated pyroelectric plate with plates on both sides of it; the plate is fixed to the surface of the substrate. The fastening is carried out by heat-insulating, sometimes the elements of the converter are fixed using a bridge structure with low thermal contact with the substrate. The measured radiation falls on the surface with the lining, is absorbed and heats the lining and the pyroelectric plate; the potential difference between the plates is amplified and measured using an operational amplifier, which is connected to the plates by its inputs.

Недостатком прототипа при создании приемников терагерцевого и миллиметрового диапазонов является необходимость иметь поглощающую излучение чувствительную площадку преобразователя больших размеров, не меньшую в поперечнике длины волны падающего излучения, то есть в 102-104 раз большей, чем в видимом диапазоне, площади; чувствительность преобразователя при этом оказывается низкой в связи с большими потерями тепловой энергии принятого светового сигнала, а инерционность - высокой в связи с увеличенной теплоемкостью чувствительных элементов.The disadvantage of the prototype when creating receivers of the terahertz and millimeter ranges is the need to have an absorbing radiation sensitive area of the transducer of large sizes, not less than the incident wavelength across, that is, 10 2 -10 4 times greater than in the visible range, area; In this case, the sensitivity of the converter is low due to large losses of thermal energy of the received light signal, and the inertia is high due to the increased heat capacity of the sensitive elements.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание приемника терагерцевого и миллиметрового диапазонов в виде антенно-связанного пироэлектрического приемника излучений.The problem solved by the invention is the creation of a terahertz and millimeter-wave receiver in the form of an antenna-coupled pyroelectric radiation receiver.

Поставленная задача решается тем, что в пироэлектрическом преобразователе электромагнитных волн, содержащем теплоизолированную пластину пиродиэлектрика с проводящими пленочными обкладками на противоположных поверхностях пластины, подключенными к измерителю электрического сигнала, в соответствии с изобретением, одна обкладка является последовательно включенным участком электрической цепи высокочастотного тока антенны приема электромагнитных волн.The problem is solved in that in a pyroelectric converter of electromagnetic waves containing a thermally insulated pyroelectric plate with conductive film plates on opposite surfaces of the plate connected to an electric signal meter, in accordance with the invention, one plate is a series-connected portion of the high-frequency current circuit of the antenna for receiving electromagnetic waves .

Предлагается также, что пироэлектрический преобразователь с обкладками выполнен как пластина пиродиэлектрика с обкладками, расположенная на теплоизолирующей пленочной диэлектрической мембране, закрепленной краями на подложке, причем антенна планарная и закреплена на структуре мембрана-подложка или подложке или имеет навесную конструкцию, тогда как обкладки подключены к закрепленным на подложке контактным площадкам.It is also proposed that the pyroelectric converter with the plates is made as a pyroelectric plate with plates located on a heat-insulating film dielectric membrane fixed by the edges on the substrate, the antenna being planar and fixed to the membrane-substrate structure or substrate or has a hinged structure, while the plates are connected to the fixed on the substrate contact pads.

Предлагается также, что электрическое сопротивление участка цепи антенны, приходящегося на обкладку, равно входному сопротивлению антенны, приведенному к точкам подключения упомянутого участка к цепи антенны.It is also proposed that the electrical resistance of the portion of the antenna circuit per plate is equal to the input resistance of the antenna, reduced to the points of connection of the said portion to the antenna circuit.

Предлагается также, что подключение обкладок к контактным площадкам выполнено в виде электрического соединения с помощью полосковых волноводов.It is also proposed that the connection of the plates to the contact pads is made in the form of an electrical connection using strip waveguides.

Изобретение поясняется с помощью фиг. 1-3.The invention is illustrated using FIG. 1-3.

На фиг. 1 схематически представлено устройство пироэлектрического преобразователя электромагнитных волн. Здесь 1 - пластина пиродиэлектрика, 2 и 3 - проводящие пленочные обкладки, 4 - теплоизолирующие столбики, с помощью которых пластина с обкладками закреплена на основании 5, 6 - антенна (четвертьволновый вибратор), 7 - электрическое подсоединение антенны к электроду, 8 - проводник подсоединения электрода к входу измерителя 10 электрического сигнала, 9 - проводник подсоединения электрода 2 к другому входу измерителя 10, L - элемент индуктивной развязки высокочастотной цепи антенны и низкочастотной цепи измерителя сигнала, включенный последовательно в цепь линии 9, С - электрическая емкость, замыкающая высокочастотный ток ~i антенны на «землю».In FIG. 1 schematically shows a device of a pyroelectric converter of electromagnetic waves. Here 1 is a pyrodielectric plate, 2 and 3 are conductive film plates, 4 are heat-insulating columns, with which plates with plates are fixed on the base 5, 6 is an antenna (quarter-wave vibrator), 7 is an electrical connection of the antenna to the electrode, 8 is a connection conductor the electrode to the input of the meter 10 of the electric signal, 9 - the conductor connecting the electrode 2 to the other input of the meter 10, L is the element of inductive isolation of the high-frequency circuit of the antenna and the low-frequency circuit of the signal meter, connected in series circuit of line 9, C — electric capacitance that closes the high-frequency current ~ i of the antenna to ground.

На фиг. 2 схематически представлено устройство пироэлектрического преобразователя электромагнитных волн с полуволновым вибратором в качестве антенны. Здесь 11 - одно из двух плеч полуволновой антенны, 12 - электрический проводник, соединяющий среднюю точку обкладки 3 с входом измерителя 10 электрического сигнала; остальные обозначения совпадают с обозначениями фиг. 1.In FIG. 2 schematically shows a device of a pyroelectric converter of electromagnetic waves with a half-wave vibrator as an antenna. Here 11 is one of the two arms of the half-wave antenna, 12 is an electrical conductor connecting the midpoint of the lining 3 with the input of the meter 10 of the electrical signal; the remaining symbols coincide with the symbols of FIG. one.

На фиг. 3 показан вариант конструкции пироэлектрического преобразователя с обкладками в виде пластины пиродиэлектрика с обкладками, расположенной на теплоизолирующей мембране. Здесь 13 - подложка, выполняющая функцию основания преобразователя, выполненная в виде пластины с центральным отверстием, перекрытым мембраной 14, края отверстия показаны пунктирной окружностью, 15 и 16 - плечи планарной антенны в виде полуволнового вибратора, закрепленной на структуре «мембрана - подложка», 17 - пироэлектрическая пластина в виде квадратного участка тонкой пленки из пиродиэлектрика, 18 - нижняя обкладка пластины пиродиэлектрика -пироэлектрического преобразователя, 19 - полосковый волновод, электрически соединяющий обкладку 18 и контактную площадку 23, 20 - верхняя обкладка пластины пиродиэлектрика - пироэлектрического преобразователя, электрически соединенная с плечами 15 и 16 антенны, 21 - полосковый волновод, электрически соединяющий верхнюю обкладку 20 и контактную площадку 22, С - электрическая емкость, замыкающая высокочастотный ток ~i антенны, текущий через нижнюю обкладку 18 на «землю».In FIG. Figure 3 shows a design variant of a pyroelectric converter with plates in the form of a pyroelectric plate with plates located on a heat-insulating membrane. Here 13 is a substrate that performs the function of the base of the transducer, made in the form of a plate with a central hole overlapped by a membrane 14, the edges of the holes are shown with a dashed circle, 15 and 16 are the arms of a planar antenna in the form of a half-wave vibrator mounted on a membrane-substrate structure, 17 a pyroelectric plate in the form of a square portion of a thin film of pyroelectric, 18 is the lower lining of the pyroelectric plate of the pyroelectric converter, 19 is a strip waveguide electrically connecting the plate 18 and the contact pad 23, 20 - the upper lining of the plate of the pyrodielectric - pyroelectric converter, electrically connected to the arms 15 and 16 of the antenna, 21 - the strip waveguide, electrically connecting the upper plate 20 and the contact pad 22, C - electric capacitance that closes the high-frequency current ~ i of the antenna, flowing through the bottom plate 18 to the "ground".

Устройство на фиг. 1 работает следующим образом. The device of FIG. 1 works as follows.

Электромагнитная волна поглощается антенной 6. Высокочастотный ток антенны замыкается на землю, проходя последовательно обкладку 3, линию 8 и емкость С, которая может быть образована емкостью специального конденсатора или входной емкостью измерителя 10. Проходя обкладку, указанный ток ее нагревает; оптимальное согласование антенны с обкладкой достигается при равенстве активного сопротивления обкладки волновому сопротивлению антенны, пересчитанному на точку контакта соединительной линии с обкладкой. Выделившееся в обкладке тепло нагревает пироэлектрик 1, между обкладками возникает разность электрических потенциалов, пропорциональная мощности принятой электромагнитной волны, возникает избыточный электрический заряд. Величина потенциала или заряда измеряется измерителем 10, входные клеммы которого подсоединены к верхней обкладки соединительной линией 8, к нижней обкладке соединительной линией 9. Через соединительную линию 9 может протекать часть высокочастотного тока антенны благодаря межобкладочной электрической емкости, для уменьшения этого тока можно в цепь линии последовательно включить элемент L с индуктивным сопротивлением.The electromagnetic wave is absorbed by the antenna 6. The high-frequency current of the antenna closes to the ground, passing sequentially the lining 3, line 8 and capacitance C, which can be formed by the capacity of a special capacitor or the input capacitance of the meter 10. Passing the lining, the specified current heats it; optimal matching of the antenna with the plate is achieved when the resistance of the plate is equal to the wave impedance of the antenna, calculated at the contact point of the connecting line with the plate. The heat released in the plate heats the pyroelectric 1, between the plates there is a difference in electric potentials, proportional to the power of the received electromagnetic wave, there is an excess electric charge. The magnitude of the potential or charge is measured by a meter 10, the input terminals of which are connected to the upper plate by the connecting line 8, to the lower plate of the connecting line 9. A part of the high-frequency antenna current can flow through the connecting line 9 due to the interplanar capacitance, to reduce this current it is possible to series turn on the inductance element L.

Таким образом, отклик пироэлектрического преобразователя возникает за счет нагревания обкладки высокочастотным током антенны, а не путем непосредственного поглощения попадающего излучения обкладкой.Thus, the response of the pyroelectric converter arises due to the heating of the plate by the high-frequency current of the antenna, and not by direct absorption of the incident radiation by the plate.

Устройство на фиг. 2 работает следующим образом. The device of FIG. 2 works as follows.

Электромагнитная волна поглощается симметричной антенной с плечами 11. Высокочастотный ток антенны замыкается, проходя обкладку 3. Средняя точка обкладки является точкой симметрии антенны и заземляется с помощью соединительной электрической линии 12 через емкость С, которая может быть образована емкостью специального конденсатора или входной емкостью измерителя 10. Проходя обкладку, указанный ток ее нагревает; оптимальное согласование антенны с обкладкой достигается при равенстве активного сопротивления обкладки волновому сопротивлению антенны, пересчитанному на точки контакта соединительных линий с обкладкой. Выделившееся в обкладке тепло нагревает пироэлектрик 1, между обкладками возникает разность электрических потенциалов, пропорциональная мощности принятой электромагнитной волны, возникает избыточный электрический заряд. Величина потенциала или заряда измеряется измерителем 10, входные клеммы которого подсоединены к верхней обкладки соединительной линией 8, к нижней обкладке соединительной линией 9. Через соединительную линию 9 может протекать часть высокочастотного тока антенны благодаря межобкладочной электрической емкости, для уменьшения этого тока можно в цепь линии последовательно включить элемент L с индуктивным сопротивлением.The electromagnetic wave is absorbed by a symmetrical antenna with shoulders 11. The high-frequency current of the antenna closes, passing the lining 3. The middle point of the lining is the symmetry point of the antenna and is grounded using a connecting line 12 through the capacitance C, which can be formed by the capacity of a special capacitor or the input capacitance of the meter 10. Passing the lining, the specified current heats it; optimal matching of the antenna with the casing is achieved if the active resistance of the casing is equal to the wave impedance of the antenna, calculated on the contact points of the connecting lines with the casing. The heat released in the plate heats the pyroelectric 1, between the plates there is a difference in electric potentials, proportional to the power of the received electromagnetic wave, there is an excess electric charge. The magnitude of the potential or charge is measured by a meter 10, the input terminals of which are connected to the upper plate by the connecting line 8, to the lower plate of the connecting line 9. A part of the high-frequency antenna current can flow through the connecting line 9 due to the interplanar capacitance, to reduce this current it is possible to series turn on the inductance element L.

Устройство на фиг. 3 работает следующим образом.The device of FIG. 3 works as follows.

Электромагнитная волна поглощается симметричной планарной антенной с плечами 15 и 16, антенна может быть полуволновым вибратором или быть более сложным устройством. Высокочастотный ток антенны замыкается через обкладку 20 и нагревает ее; условия согласования антенны с обкладкой, которая является нагрузкой антенны, аналогичны указанным выше. Антенна расположена поверх мембраны 14 и подложки 13, только частично располагаясь на мембране, однако такое положение не является обязательным. Мембрана и подложка могут быть диэлектрическими или проводящими, в последнем случае плечи антенны должна быть отделены от мембраны и подложки зазором, сравнимым по величине с длиной волны принимаемого излучения, или диэлектрическими прокладками от проводящих поверхностей.An electromagnetic wave is absorbed by a symmetrical planar antenna with arms 15 and 16, the antenna can be a half-wave vibrator or be a more complex device. The high-frequency current of the antenna closes through the lining 20 and heats it; The conditions for matching the antenna with the plate, which is the antenna load, are similar to those indicated above. The antenna is located on top of the membrane 14 and the substrate 13, only partially located on the membrane, however, this position is not required. The membrane and the substrate can be dielectric or conductive, in the latter case, the arms of the antenna should be separated from the membrane and the substrate by a gap comparable in magnitude with the wavelength of the received radiation, or dielectric spacers from the conductive surfaces.

Тепловыделяющим элементом в пироэлектрическом преобразователе является верхняя обкладка 20. Мембрана 14 обеспечивает механическую поддержку элементов преобразователя и тепловую изоляцию преобразователя от подложки за счет ее изготовления достаточно тонкой - толщиной до долей микрометра - и из материала с малой теплоемкостью и теплопроводностью, например, из стеклянной или полимерной пленки. Нижняя обкладка 18 преобразователя расположена в виде проводящей пленки между мембраной и пироэлектрическим элементом.The heat-generating element in the pyroelectric transducer is the upper cover 20. The membrane 14 provides mechanical support for the transducer elements and thermal insulation of the transducer from the substrate due to its manufacture quite thin - with a thickness of up to a fraction of a micrometer - and from a material with low heat capacity and thermal conductivity, for example, from glass or polymer films. The bottom plate 18 of the Converter is located in the form of a conductive film between the membrane and the pyroelectric element.

Пироэлектрический элемент 17, например, в виде участка тонкой пленки, предпочтительно, должен быть по габаритам близок к габаритам обкладок, хотя может занимать весь проем отверстия в подложке; пленка пироэлемента может при таком размере выполнять роль мембраны, и специальная пленка мембраны не требуется. Допускается выполнять пироэлектрический преобразователь и без специальной мембраны, заполняющей проем отверстия в подложке, например, использовать антенну в качестве опоры для размещения в ее центральной части обкладок и пироэлектрической пластины или пленки и закрепить плечи антенны на краях отверстия.The pyroelectric element 17, for example, in the form of a portion of a thin film, should preferably be close in size to the dimensions of the plates, although it may occupy the entire opening of the hole in the substrate; a pyroelement film can at this size act as a membrane, and a special membrane film is not required. It is allowed to perform a pyroelectric converter without a special membrane filling the opening of the hole in the substrate, for example, to use the antenna as a support for placing in its central part the plates and the pyroelectric plate or film and fix the antenna shoulders to the edges of the hole.

Обкладки электрически соединены с измерителем 10 с помощью полосковых волноводов 19 и 21 и контактных площадок 22 и 23. Ширина полоски волновода выбирается меньше длины волны принимаемого излучения. Полосковый волновод 19 обеспечивает электрическое разделение высокочастотной цепи тока в антенне от низкочастотной цепи тока через измеритель, поэтому его необходимо выполнить или имеющим большое значение индуктивности, например, в виде «змейки», или в и виде четвертьволнового трансформатора сопротивлений с длиной, равной четверти длины электромагнитной волны в нем.The plates are electrically connected to the meter 10 using strip waveguides 19 and 21 and pads 22 and 23. The width of the waveguide strip is selected less than the wavelength of the received radiation. Strip waveguide 19 provides electrical separation of the high-frequency current circuit in the antenna from the low-frequency current circuit through the meter, so it must be performed either with a large inductance value, for example, in the form of a “snake”, or in the form of a quarter-wave resistance transformer with a length equal to a quarter of the electromagnetic length waves in it.

Полосковый волновод 21 подсоединен к середине длины обкладки 20 как к точке симметрии полуволнового вибратора и заземляет эту точку; волновод электрически соединяет верхнюю обкладку 20 с измерителем 10. Требования к величине активного (омического) сопротивления волноводов 19 и 21 могут быть различными в зависимости от типа операционного усилителя, который используется в измерителе 10; если используется схема измерения пироэлектрического заряда или тока, сопротивление волноводов должно быть минимальным.The strip waveguide 21 is connected to the middle of the length of the plate 20 as to the point of symmetry of the half-wave vibrator and ground this point; the waveguide electrically connects the upper plate 20 to the meter 10. The requirements for the active (ohmic) resistance of the waveguides 19 and 21 may be different depending on the type of operational amplifier that is used in the meter 10; if a pyroelectric charge or current measurement circuit is used, the resistance of the waveguides should be minimal.

Контактные площадки 22 и 23 могут быть тонкопленочными и иметь малое электрическое сопротивление. Если создается преобразователь с навесной антенной, то контактные площадки служат также для присоединения к ним электрических соединительных линий от антенны.Contact pads 22 and 23 can be thin-film and have low electrical resistance. If a transducer with a mounted antenna is created, then the contact pads also serve to connect electrical connecting lines from the antenna to them.

Планарная антенна не обязательно должна быть симметричной, может иметь форму несимметричного вибратора, плоского вибратора с питанием в одной точке, быть рамочной и др. В этом случае антенна также может располагаться на структуре «мембрана - подложка» или без мембраны на подложке.A planar antenna does not have to be symmetrical; it can take the form of an asymmetric vibrator, a flat vibrator with power at one point, be a frame vibrator, etc. In this case, the antenna can also be located on a membrane-substrate structure or without a membrane on the substrate.

Мембрана не обязательно имеет форму плоской закрепленной по периметру перепонки, она может иметь форму микромостика, закрепленного концами на поверхности пластины с зазором между пластиной и пролетом мостика, как в прототипе.The membrane does not necessarily have the shape of a flat membrane fixed around the perimeter, it can take the form of a microbridge fixed with its ends on the surface of the plate with a gap between the plate and the span of the bridge, as in the prototype.

Выигрыш в чувствительности приема излучения и в инерционности приемника в случае антенно-связанного пироприемника в сравнении с пироприемником, непосредственно поглощающим падающее излучение своей площадью, становится заметным при изготовлении обкладок преобразователя с размерами меньше длины волны детектируемого излучения. Чувствительность определяется при прочих равных факторах балансом между поглощаемой энергией электромагнитных волн и теплоотводом из пиропреобразователя в окружающее пространство и через теплоотводящие элементы в подложку (на фиг. 1 через элементы 4, на фиг. 3 - через мембрану 14). При меньшем теплоотводе равенство потоков поглощаемой энергии и теплоотвода устанавливается при более высокой температуре пиродиэлектрика, что увеличивает электрический отклик.The gain in the sensitivity of radiation reception and inertia of the receiver in the case of an antenna-coupled pyrodetector in comparison with a pyrodetector that directly absorbs incident radiation with its area becomes noticeable in the manufacture of converter plates with dimensions less than the wavelength of the detected radiation. The sensitivity is determined, ceteris paribus, by the balance between the absorbed energy of electromagnetic waves and the heat sink from the pyroelectric converter to the surrounding space and through the heat sink elements to the substrate (in Fig. 1 through elements 4, in Fig. 3 - through the membrane 14). With a lower heat sink, the equality of the fluxes of absorbed energy and heat sink is established at a higher temperature of the pyrodielectric, which increases the electrical response.

В случае мембранной конструкции преобразователя поглощение пропорционально площади преобразователя a 2 (a - его сторона) при непосредственном поглощении излучения, теплоотвод за счет теплопроводности пропорционален периметру преобразователя, то есть величине a; выигрыш в чувствительности оказывается пропорционален уменьшению линейного размера преобразователя. При поглощающем излучение преобразователе, как в прототипе, поперечник преобразователя не может быть меньше длины волны излучения, поэтому a 2≥λ2 (λ - длина волны принимаемого излучения). В антенно-связанном преобразователе поперечник может быть много меньше длины волны, и чувствительность может быть многократно больше (пропорционально уменьшению поперечника).In the case of the membrane design of the converter, the absorption is proportional to the area of the converter a 2 ( a is its side) with direct absorption of radiation, the heat sink due to thermal conductivity is proportional to the perimeter of the converter, that is, to the value of a ; the gain in sensitivity is proportional to the decrease in the linear size of the converter. When the radiation-absorbing transducer, as in the prototype, the transducer diameter cannot be less than the radiation wavelength, therefore a 2 ≥λ 2 (λ is the wavelength of the received radiation). In an antenna-coupled converter, the diameter can be much less than the wavelength, and the sensitivity can be many times greater (proportional to the decrease in diameter).

Инерционность зависит от теплоемкости преобразователя, которая пропорциональна его объему, поэтому выигрыш в уменьшении инерционности антенно-связанного преобразователя может быть пропорционален отношению (λ/a)2 при равенстве толщин структурных элементов в сравниваемых случаях.The inertia depends on the specific heat of the transducer, which is proportional to its volume; therefore, the gain in reducing the inertia of the antenna-coupled transducer can be proportional to the ratio (λ / a ) 2 with equal thicknesses of structural elements in the cases being compared.

Пироэлектрический преобразователь может быть многоэлементным, например иметь структуру матрицы пиропреобразователей с выводами от каждого элементарного преобразователя, коммутируемыми с помощью микроэлектронных ключей, которые могут располагаться на подложке с микроантеннами и пиропреобразователями.The pyroelectric transducer can be multi-element, for example, have a pyroelectric transducer matrix structure with leads from each elementary transducer, switched using microelectronic keys, which can be located on a substrate with micro-antennas and pyroelectric converters.

Таким образом доказана обоснованность и целесообразность предложений по данному изобретению.Thus, the validity and feasibility of the proposals of this invention are proved.

Для изготовления устройства могут быть использованы материалы: для подложки - стекло или полупроводниковые пластины; для пиропреобразователя обкладки - металлическая напыляемая в вакууме пленка, пироэлектрическая пластина - тонкая пленка пироэлектрической керамики или пироэлектрической полимерной пленки; мембрана может быть стеклянной или полимерной.For the manufacture of the device can be used materials: for the substrate - glass or semiconductor wafers; for the pyro-converter of the lining - a metal film sprayed in vacuum, a pyroelectric plate - a thin film of pyroelectric ceramics or a pyroelectric polymer film; the membrane may be glass or polymer.

Технология изготовления может быть разработана на основе технологий микроэлектронных приборов и микромеханических устройств.Manufacturing technology can be developed based on the technologies of microelectronic devices and micromechanical devices.

Пироэлектрический преобразователь может быть применен в качестве чувствительного детектора электромагнитных волн в широком диапазоне спектра - от ПК до субмиллиметровых волн (терагерцевом диапазоне). Преимуществом предложенной системы может быть ее более высокая чувствительность и лучшее быстродействие в сравнении с применяемыми в настоящее время в этом диапазоне неохлаждаемыми приемниками излучений.The pyroelectric converter can be used as a sensitive detector of electromagnetic waves in a wide range of the spectrum - from PC to submillimeter waves (terahertz range). An advantage of the proposed system may be its higher sensitivity and better performance in comparison with the uncooled radiation receivers currently used in this range.

Техническим результатом изобретения может стать создание неохлаждаемых пироэлектрических приемников сигналов и приемников изображений в терагерцевом диапазоне спектра.The technical result of the invention may be the creation of uncooled pyroelectric signal receivers and image receivers in the terahertz range of the spectrum.

Claims (4)

1. Пироэлектрический преобразователь электромагнитных волн, содержащий теплоизолированную пластину пиродиэлектрика с проводящими тонкопленочными обкладками на противоположных поверхностях пластины, подключенными к измерителю электрического сигнала, отличающийся тем, что одна обкладка является последовательно включенным участком электрической цепи высокочастотного тока антенны приема электромагнитных волн.1. Pyroelectric converter of electromagnetic waves containing a thermally insulated pyroelectric plate with conductive thin-film plates on opposite surfaces of the plate connected to an electric signal meter, characterized in that one plate is a series-connected portion of the high-frequency current circuit of the antenna for receiving electromagnetic waves. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пироэлектрический преобразователь с обкладками выполнен как пластина пиродиэлектрика с обкладками, расположенная на теплоизолирующей пленочной диэлектрической мембране, закрепленной краями на подложке, причем антенна планарная и закреплена на структуре «мембрана - подложка» или подложке, или имеет навесную конструкцию, тогда как обкладки подключены к закрепленным на подложке контактным площадкам.2. The device according to claim 1, characterized in that the pyroelectric converter with plates is made as a pyroelectric plate with plates located on a heat-insulating film dielectric membrane fixed by the edges to the substrate, the antenna being planar and fixed to the membrane-substrate structure or substrate, or has a hinged structure, while the plates are connected to pads fixed to the substrate. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что электрическое сопротивление участка цепи антенны, приходящегося на обкладку, равно входному сопротивлению антенны, приведенному к точкам подключения упомянутого участка к цепи антенны.3. The device according to claim 1, characterized in that the electrical resistance of the portion of the antenna circuit falling on the lining is equal to the input resistance of the antenna reduced to the points of connection of the said portion to the antenna circuit. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что подключение обкладок к контактным площадкам выполнено в виде электрического соединения с помощью полосковых волноводов. 4. The device according to claim 2, characterized in that the connection of the plates to the contact pads is made in the form of an electrical connection using strip waveguides.
RU2014124078/28A 2014-06-11 2014-06-11 Pyroelectric converter of electromagnetic waves RU2570235C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014124078/28A RU2570235C1 (en) 2014-06-11 2014-06-11 Pyroelectric converter of electromagnetic waves

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014124078/28A RU2570235C1 (en) 2014-06-11 2014-06-11 Pyroelectric converter of electromagnetic waves

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2570235C1 true RU2570235C1 (en) 2015-12-10

Family

ID=54846508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014124078/28A RU2570235C1 (en) 2014-06-11 2014-06-11 Pyroelectric converter of electromagnetic waves

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2570235C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2027155C1 (en) * 1994-05-05 1995-01-20 Головной институт Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" Method of measuring the radiative power and device for its realization
RU5472U1 (en) * 1996-09-24 1997-11-16 Юрий Никитович Долганин PYROELECTRIC RADIATION RECEIVER

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2027155C1 (en) * 1994-05-05 1995-01-20 Головной институт Всероссийского научного центра "Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова" Method of measuring the radiative power and device for its realization
RU5472U1 (en) * 1996-09-24 1997-11-16 Юрий Никитович Долганин PYROELECTRIC RADIATION RECEIVER

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.К. Новик и др. "Пироэлектрические преобразователи", М., Советское радио, 1979 г., стр.54-55. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7442934B2 (en) Bolometric detector, device for detecting submillimetric and millimetric electromagnetic waves that uses such a detector
JP5684487B2 (en) Bolometer detector for detecting electromagnetic radiation in the infrared to terahertz frequency band, and array detection apparatus having such a detector
CN111947787B (en) Infrared detector and preparation method thereof
CN111525023A (en) Infrared detector and preparation method thereof
US9217674B2 (en) Bolometric detector of an electromagnetic radiation in the terahertz range and array detection device comprising such detectors
JP2013152213A (en) Bolometric detector of electromagnetic radiation in terahertz range and detector array device comprising the same
US20150226612A1 (en) Bolometric detector with a mim structure including a thermometer element
US3075386A (en) Radiation detectors
JP6099950B2 (en) Bolometer detector for terahertz electromagnetic radiation
Li et al. A new RF MEMS power sensor based on double-deck thermocouples with high sensitivity and large dynamic range
Xiong et al. A metamaterial energy power detector based on electromagnetic energy harvesting technology
US9360375B2 (en) Photon radiation detector comprising an array of antennas and a spiral resistive support
RU2570235C1 (en) Pyroelectric converter of electromagnetic waves
Szentpáli et al. Thermopile antennas for detection of millimeter waves
Hiromoto et al. Room-temperature THz antenna-coupled microbolometer with a Joule-heating resistor at the center of a half-wave antenna
US3405271A (en) Detector having radiation collector supported on electrically insulating thermally conducting film
Ling et al. A wide-band monolithic quasi-optical power meter for millimeter-and submillimeter-wave applications
US9052234B2 (en) Dipole antenna with reflectors having low thermal mass for detection of Terahertz radiation
US3405272A (en) Film supported detector with low heat transfer impedance path from cold junctions tothermal sink
RU2606516C2 (en) Pyroelectric millimeter radiation detector (versions)
RU2650430C1 (en) RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS
CN206412369U (en) Terahertz alignment detection device
US3054977A (en) Flake thermistor
Kaminski et al. Wideband planar skirt antenna and its application for the detection of terahertz radiation
Middleton et al. Passive millimeter-wave focal plane array

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190612