RU2571171C1 - Infrared photodetector array with cooled diaphragm and method of making diaphragm - Google Patents
Infrared photodetector array with cooled diaphragm and method of making diaphragm Download PDFInfo
- Publication number
- RU2571171C1 RU2571171C1 RU2014135802/28A RU2014135802A RU2571171C1 RU 2571171 C1 RU2571171 C1 RU 2571171C1 RU 2014135802/28 A RU2014135802/28 A RU 2014135802/28A RU 2014135802 A RU2014135802 A RU 2014135802A RU 2571171 C1 RU2571171 C1 RU 2571171C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diaphragm
- raster
- parts
- cryostable
- conical part
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретения относятся к конструкции матричных полупроводниковых фотоприемников и могут использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.The invention relates to the design of matrix semiconductor photodetectors and can be used to create multi-element photodetectors for various purposes.
Известно, что для повышения качества приема сигнала ИК-излучения, связанного с увеличением отношения полезного сигнала к шуму за счет отсечения «паразитного излучения», используется охлаждаемая диафрагма. Такая диафрагма, способ ее изготовления и способ сборки известной диафрагмы с охлаждаемым растром описаны в патенте RU 2377694 C1.It is known that to improve the quality of reception of the infrared signal associated with an increase in the ratio of the useful signal to noise due to cutting off "spurious radiation", a cooled diaphragm is used. Such a diaphragm, a method for its manufacture and a method for assembling a known diaphragm with a cooled raster are described in patent RU 2377694 C1.
К достоинствам известной диафрагмы и способа ее изготовления, принятых за прототип, следует отнести то, что «паразитное рассеянное излучение» предотвращается многократным отражением за счет использования n-го количества кольцевых дисковых оснований. В данной конструкции за счет создания шероховатой поверхности химическим травлением (матированием) и чернения внутренних поверхностей цилиндрических деталей и дисковых оснований решены проблемы наличия дополнительных «паразитных фоновых шумов» и недостаточно высоких значений отношения полезного сигнала к шуму из-за вклада в сигнал излучения корпусных деталей и переотраженного излучения. В особенности, эти проблемы актуальны в случае использования диафрагмы с малым углом зрения. В этом случае повышается значимость «паразитного излучения» по сравнению с величиной полезного сигнала.The advantages of the known diaphragm and the method of its manufacture, adopted as a prototype, include the fact that "spurious stray radiation" is prevented by multiple reflection due to the use of the nth number of circular disk bases. In this design, due to the creation of a rough surface by chemical etching (matting) and blackening of the internal surfaces of cylindrical parts and disk bases, the problems of the presence of additional “spurious background noises” and insufficiently high values of the ratio of the useful signal to noise due to the contribution of radiation to the body parts and Reflected radiation. In particular, these problems are relevant when using a diaphragm with a small angle of view. In this case, the importance of "spurious radiation" increases in comparison with the value of the useful signal.
Однако в матричных фотоприемных устройствах (МФПУ) среднего инфракрасного диапазона спектра на основе фотодиодов из антимонида индия наблюдается эффект дополнительного «паразитного излучения». Известное устройство холодной зоны МФПУ, описанное в патенте RU 2377694 C1, выглядит следующим образом. Гибридизированная с МФЧЭ БИС-считывания приклеивается на сапфировый растр; контактные площадки БИС-считывания развариваются на токоведущие дорожки растра. Растр приклеивается на держатель МФПУ и разваривается на контактные площадки керамического кольца вакуумного корпуса МФПУ. Далее, на растр крепится охлаждаемая диафрагма таким образом, что между нижней ее кромкой и растром остаются щели, через которые пропущены платиновые выводы с растра на керамическое кольцо. Путь, по которому паразитное излучение попадает во внутреннюю полость охлаждаемой диафрагмы, проходит через эти щели. Затем, излучение (в зависимости от угла, под которым оно проникает в ограниченную диафрагмой зону) путем внутренних переотражений от стенок диафрагмы и оптического фильтра, установленного вблизи матричного фоточувствительного элемента (МФЧЭ), попадает непосредственно на МФЧЭ. Природа эффекта дополнительного «паразитного излучения» состоит в следующем. Работа входящей в состав МФПУ микрокриогенной системы (МКС) приводит к разогреву деталей внутри вакуумного корпуса МФПУ. Часть излучения от нагретых деталей через растр с тыльной стороны и щели в охлаждаемой диафрагме для платиновых электрических выводов попадает на МФЧЭ, вследствие чего емкости накопления в ячейках БИС-считывания помимо полезного сигнала разряжаются частью паразитного сигнала. В МФПУ с малым относительным отверстием охлаждаемой диафрагмы при наличии холодного оптического фильтра фоновый ток значительно подавлен, и обусловленная «паразитной подсветкой» составляющая вносит существенный вклад в общий сигнал, а следовательно, ухудшает фотоэлектрические параметры МФПУ. Функционирование таких МФПУ в составе тепловизионных систем (особенно без дополнительного охлаждения корпусных деталей) характеризуется низкой долговременной стабильностью. Обусловленный «паразитной подсветкой» неравномерный по площади МФЧЭ дрейф сигнала будет приводить к раскалибровке изображения, а возрастающая по мере нагрева «паразитная составляющая» - к ухудшению эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ).However, in the mid-infrared array photodetector devices (MFPs) based on indium antimonide photodiodes, the effect of additional “spurious radiation” is observed. The known device of the cold zone of the MFP, described in patent RU 2377694 C1, is as follows. Hybridized with MFCHE BIS-reading is glued to a sapphire raster; BIS-reading pads are welded onto the current paths of the raster. The raster is glued to the holder of the MFP and is welded to the pads of the ceramic ring of the vacuum housing of the MFP. Further, a cooled diaphragm is attached to the raster in such a way that gaps remain between its lower edge and the raster, through which platinum leads from the raster to the ceramic ring are passed. The path through which spurious radiation enters the internal cavity of the cooled diaphragm passes through these slots. Then, the radiation (depending on the angle at which it penetrates into the area bounded by the diaphragm) by internal re-reflections from the walls of the diaphragm and the optical filter installed near the matrix of the photosensitive element (MFCE), falls directly on the MFCE. The nature of the effect of additional "spurious radiation" is as follows. The operation of the microcryogenic system (MKS) included in the MFPU leads to the heating of parts inside the MFPU vacuum housing. Part of the radiation from heated parts through the raster on the back side and the slit in the cooled diaphragm for platinum electrical leads falls on the MFCE, as a result of which accumulation capacities in the LSI readout cells are discharged in addition to the useful signal by part of the spurious signal. In an MFP with a small relative aperture of the cooled diaphragm, in the presence of a cold optical filter, the background current is significantly suppressed, and the component caused by the "spurious illumination" makes a significant contribution to the overall signal, and therefore degrades the photoelectric parameters of the MFP. The functioning of such MFPs as part of thermal imaging systems (especially without additional cooling of the case parts) is characterized by low long-term stability. The drift of the signal, which is uneven in area of the MFCE due to “parasitic illumination,” will lead to image calibration, and the “parasitic component” that increases with heating will lead to a deterioration in the temperature difference equivalent to noise (ESRT).
К недостаткам известного способа изготовления диафрагмы следует также отнести ее трудоемкость. Сложная точеная форма цилиндрических ступеней диафрагмы на пределе точности работы станка (толщина стенок диафрагмы - 0,2 мм) приводит к усложнению технологического процесса и увеличению трудоемкости. Кроме этого, на пределе точности работы токарного станка трудно обеспечить требуемые допуска в области торцов, что приводит к значительному браку при последующем химическом травлении из-за протравливания деталей насквозь.The disadvantages of the known method of manufacturing a diaphragm should also include its complexity. The complex turned form of the cylindrical steps of the diaphragm at the limit of the accuracy of the machine (the thickness of the walls of the diaphragm is 0.2 mm) leads to the complexity of the process and increase the complexity. In addition, at the limit of the accuracy of the lathe, it is difficult to provide the required tolerances in the region of the ends, which leads to significant rejection during subsequent chemical etching due to etching of the parts through.
Задача предложенных изобретений заключается в создании технологичной, с малой трудоемкостью и с малой тепловой массой конструкции диафрагмы с подавленной величиной дополнительного «паразитного излучения» до уровня существенно меньшего, чем сигнальное излучение, определяемое углом зрения охлаждаемой диафрагмы.The objective of the proposed inventions is to create a technologically advanced, low laborious and low thermal mass diaphragm design with a suppressed value of additional "spurious radiation" to a level significantly lower than the signal radiation, determined by the angle of view of the cooled diaphragm.
Технический результат достигается тем, что фотоприемник ИК-излучения с диафрагмой содержит охлаждаемые держатель, приклеенный на растре фоточувствительный элемент и диафрагму, состоящую из средней конусной детали, расширяющейся по направлению к крышке, где выполнено отверстие, и основания с двумя вырезами для электрических выводов, внутренние стенки деталей матированы и зачернены, а внешние стенки деталей зеркально отполированы. При этом растр с напыленным зеркальным металлическим слоем с тыльной стороны присоединен к держателю криостойким клеем, диафрагма присоединена к растру криостойким клеем, давленые средняя конусная деталь и крышка соединены между собой сваркой, которые присоединены криостойким клеем на давленое основание диафрагмы, и в основании диафрагмы на боковую поверхность средней конусной детали приклеен давленый «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения». «Экран» представляет собой закрепленное на основании диафрагмы кольцо, закрывающее щели и торцы растра. Платиновые выводы пропущены через щели между торцом растра и «экраном» или через выполненные в растре прорези. Диафрагма приклеена к растру двумя посадочными местами, каждое из которых включает выступ, приклеенный на торцевую поверхность растра и участок внутренней поверхности стенки цилиндрической детали приклеенный к боковой поверхности растра. Фильтр присоединен сверху диафрагмы на крышку криостойким клеем, что уменьшает отраженное от фильтра дополнительное «паразитное излучение» по сравнению с приклейкой фильтра на основании диафрагмы. Также, при малых углах зрения фильтр, расположенный наверху, становится меньше в размере, что уменьшает тепловую нагрузку. Чем больше конусность средней части диафрагмы, тем большая часть остаточного, отраженного от средней части диафрагмы, излучения перенаправляется обратно во входное окно, тем самым уменьшая «паразитное излучение». Зеркальное металлическое напыление на растр с тыльной стороны исключает проникновение излучения нагретых деталей от работающей МКС через прозрачный в видимой или ИК-области спектра материал растра. Все детали диафрагмы изготавливают с помощью серийнопригодного и технологичного способа выдавливания на пресс-форме, обеспечивающего существенно меньшую трудоемкость. Еще большую защиту от «паразитного излучения» дает конструкция фотоприемника ИК-излучения с диафрагмой, где растр выполнен с прорезями под платиновые выводы, а «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения», приближен на минимальное расстояние до боковой поверхности растра.The technical result is achieved by the fact that the infrared photodetector with a diaphragm contains a cooled holder, a photosensitive element glued to the raster and a diaphragm consisting of a middle conical part, expanding towards the cover where the hole is made, and bases with two cutouts for electrical leads, internal the walls of the parts are frosted and blackened, and the outer walls of the parts are mirror polished. In this case, the raster with the sprayed mirror metal layer is attached to the holder with cryostable adhesive on the back side, the diaphragm is connected to the raster with cryostable adhesive, the pressed middle conical part and the cover are connected by welding, which are connected by cryostable adhesive to the pressed base of the diaphragm, and in the base of the diaphragm to the side the surface of the middle conical part is glued with a squeezed "screen" that performs the function of protecting against additional "spurious radiation". The “screen” is a ring fixed on the base of the diaphragm, which covers the slots and ends of the raster. Platinum leads are passed through the slots between the end of the raster and the “screen” or through the slots made in the raster. The diaphragm is glued to the raster with two seats, each of which includes a protrusion glued to the end surface of the raster and a portion of the inner surface of the wall of the cylindrical part glued to the side surface of the raster. The filter is attached on top of the diaphragm to the lid by cryo-resistant adhesive, which reduces the additional “spurious radiation” reflected from the filter compared to gluing the filter on the base of the diaphragm. Also, at low angles of view, the filter located at the top becomes smaller in size, which reduces the heat load. The greater the taper of the middle part of the diaphragm, the greater the part of the residual radiation reflected from the middle part of the diaphragm is redirected back to the input window, thereby reducing the "spurious radiation". Mirror metal spraying on the raster from the back side eliminates the penetration of radiation of heated parts from the operating ISS through the raster material transparent in the visible or infrared region of the spectrum. All parts of the diaphragm are made using a serial suitable and technologically advanced extrusion method on a mold, which provides significantly less laboriousness. Even greater protection against “spurious radiation” is provided by the design of an infrared photodetector with a diaphragm, where the raster is made with slots for platinum leads, and the “screen”, which performs the function of protection from additional “spurious radiation," is approximated to a minimum distance to the side surface of the raster.
Способ изготовления диафрагмы фотоприемника ИК-излучения заключается в том, что все четыре детали охлаждаемой диафрагмы выдавливают на пресс-форме, среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой сваркой, внешние поверхности трех деталей зеркально полируют и защищают герметиком, устойчивым к кислотам, в кислотном травителе проводят матирование [Болтарь К.О., Киселева Л.В., Лопухин А.А., Лукша В.И., Савостин А.В., Поварихина В.В. Технология обработки поверхности диафрагмы для фотоприемников в диапазоне 3-12 мкм, Прикладная физика №3, 2010, с. 116-119] и утоньшение внутренних стенок и дисковых оснований, после чего внутренние поверхности деталей и дисковые основания подвергают электрохимическому чернению, удаляют герметик с внешних поверхностей деталей, и сваренную верхнюю деталь присоединяют криостойким клеем к основанию диафрагмы, а давленую деталь, выполняющую функцию «экрана» от дополнительного «паразитного излучения», присоединяют криостойким клеем на боковую поверхность средней конусной детали диафрагмы. Кроме этого, верхняя часть основания диафрагмы содержит диск с вырезанным прямоугольным отверстием, которое соответствует габаритам фоточувствительной области и служит для предотвращения попадания излучения на кристалл БИС считывания. В случае мощной засветки, например, в импульсе лазерного излучения, вышеуказанная часть диафрагмы защищает БИС считывания от сбоев в работе или при выходе из строя электрической части схемы. Диафрагма изготовлена из заготовок ковара толщиной 0,1 мм, утоньшенных за счет матирования до 0,07 мм, за исключением средней конусной части, которая в одном из способов изготовлена из плоской заготовки ковара толщиной 0,2 мм и утоньшена за счет матирования до 0,1 мм, а затем выдавлена на пресс-форме и соединена в конусную форму точечной контактной сваркой. Такой способ изготовления позволяет существенно уменьшить отражение от средней конусной части за счет создания более глубокой шероховатости при примерном сохранении тепловой массы. Внутренние поверхности деталей диафрагмы подвергают электрохимическому чернению типа «черный» хром [Беленький М.А., Иванов А.Ф. Электроосаждение металлических покрытий. Справочник, Москва, «Металлургия», 1985, с. 119, с. 226] для коротко- и средневолнового спектрального диапазона (λ≤5,5 мкм) и оксидированный «черный» хром [там же, в справочнике] для длинноволнового диапазона спектра (λ>5,5 мкм), для получения минимального зеркального отражения в различных спектральных областях работы фотоприемника. На фиг. 8 показаны спектры зеркального отражения, электрохимически нанесенного «черного» и оксидированного «черного» хрома на коваре, откуда видно, что графики пересекаются при λ=5,5 мкм и, следовательно, чернение с помощью электролита «черный» хром оптимально при λ<<5,5 мкм, а чернение с помощью электролита оксидированный «черный» хром оптимально при λ>>5,5 мкм.A method of manufacturing the diaphragm of the infrared photodetector is that all four parts of the cooled diaphragm are extruded on a mold, the middle conical part and the cover are joined together by welding, the outer surfaces of the three parts are mirror polished and protected with an acid-resistant sealant in an acid etchant carry out matting [Boltar K.O., Kiseleva L.V., Lopukhin A.A., Luksha V.I., Savostin A.V., Povarikhina V.V. The technology of processing the surface of the diaphragm for photodetectors in the range of 3-12 microns, Applied Physics No. 3, 2010, p. 116-119] and thinning of the inner walls and disk bases, after which the internal surfaces of the parts and disk bases are subjected to electrochemical blackening, the sealant is removed from the external surfaces of the parts, and the welded upper part is connected with cryostable adhesive to the base of the diaphragm, and the pressed part performing the function of a “screen "From additional" spurious radiation ", attach cryostrong adhesive to the side surface of the middle conical part of the diaphragm. In addition, the upper part of the base of the diaphragm contains a disk with a rectangular hole cut out, which corresponds to the dimensions of the photosensitive region and serves to prevent radiation from entering the LSI chip. In the case of powerful illumination, for example, in a laser pulse, the aforementioned part of the diaphragm protects the readout LSI from malfunctions or in case of failure of the electrical part of the circuit. The diaphragm is made of blanks of a carpet with a thickness of 0.1 mm, thinned by matting to 0.07 mm, with the exception of the middle conical part, which in one of the methods is made of a flat blank of a carpet of thickness 0.2 mm and thinned by matting to 0, 1 mm, and then extruded onto the mold and connected in a conical shape by spot resistance welding. This manufacturing method can significantly reduce the reflection from the middle conical part due to the creation of a deeper roughness with the approximate conservation of thermal mass. The inner surfaces of the parts of the diaphragm are subjected to electrochemical blackening of the “black” chrome type [Belenky MA, Ivanov AF Electrodeposition of metal coatings. Handbook, Moscow, Metallurgy, 1985, p. 119, p. 226] for the short- and medium-wavelength spectral range (λ≤5.5 μm) and oxidized "black" chrome [ibid., In the reference] for the long-wavelength range of the spectrum (λ> 5.5 μm), to obtain a minimum specular reflection in various spectral areas of the photodetector. In FIG. Figure 8 shows the spectra of specular reflection, electrochemically deposited “black” and oxidized “black” chromium on kovar, whence it can be seen that the graphs intersect at λ = 5.5 μm and, therefore, blackening with the electrolyte “black” chromium is optimal at λ << 5.5 microns, and blackening with an electrolyte oxidized “black” chrome is optimal at λ >> 5.5 microns.
Сущность изобретений поясняется фигурами.The invention is illustrated by figures.
На фиг. 1 показан общий вид охлаждаемого матричного фотоприемника, в котором применен растр с прорезями и «экран» приближен на минимальное расстояние до боковой поверхности растра.In FIG. 1 shows a general view of a cooled matrix photodetector in which a raster with slots is applied and the “screen” is approximated to a minimum distance to the side surface of the raster.
На фиг. 2 показано сечение охлаждаемого матричного фотоприемника с диафрагмой, где растр выполнен с прорезями под платиновые выводы, а «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения», приклеен на боковую поверхность конусной части в основании диафрагмы.In FIG. Figure 2 shows a cross section of a cooled matrix photodetector with a diaphragm, where the raster is made with slots for platinum leads, and the "screen", which performs the function of protection from additional "spurious radiation", is glued to the side surface of the conical part at the base of the diaphragm.
На фиг. 3 показан общий вид охлаждаемого матричного фотоприемника, в котором применен «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения».In FIG. 3 shows a general view of a cooled matrix photodetector, in which a “screen” is used, which performs the function of protection against additional “spurious radiation”.
На фиг. 4 показано сечение охлаждаемого матричного фотоприемника с диафрагмой, где применен «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения».In FIG. 4 shows a cross section of a cooled matrix photodetector with a diaphragm, where a "screen" is used, which performs the function of protection against additional "spurious radiation".
На фиг. 5 показан разрез охлаждаемого матричного фотоприемника с диафрагмой, где показан ИК фильтр, который приклеен внизу на основании диафрагмы и показаны пути прохождения «паразитных лучей», отраженных от фильтра и основания диафрагмы.In FIG. 5 shows a section through a cooled matrix photodetector with a diaphragm, which shows an IR filter that is glued below the base of the diaphragm and shows the paths of "spurious rays" reflected from the filter and the base of the diaphragm.
На фиг. 6 показана охлаждаемая диафрагма с ИК фильтром, вид сбоку.In FIG. 6 shows a cooled diaphragm with an IR filter, side view.
На фиг. 7 показана охлаждаемая диафрагма с ИК фильтром, вид снизу.In FIG. 7 shows a cooled diaphragm with an IR filter, bottom view.
На фиг. 8 показаны спектры зеркального отражения нанесенного электрохимически «черного» и оксидированного «черного» хрома на коваре.In FIG. Figure 8 shows the specular reflection spectra of the electrochemically "black" and oxidized "black" chromium deposited on the carpet.
Диафрагма состоит из средней конусной детали (5), расширяющейся по направлению к крышке (6), и дискового основания (7) с двумя вырезами для электрических выводов (фиг. 6, 7). В одном применении (фиг. 1, 2) на дисковом основании (7) присоединен криостойким клеем (3) «экран» (11), представляющий собой кольцо, закрывающее щели и торцы растра с прорезями (4). В другом применении (фиг. 3, 4) на дисковом основании (7) присоединен криостойким клеем «экран» (15), представляющий собой кольцо, закрывающее щели и торцы растра без прорезей (16), внутренняя часть которого приближена на минимальное расстояние до боковой поверхности растра. В крышке (6), дисковом основании (7) и «экране» (11 или 15) выполнено отверстие, при этом все отверстия имеют одну ось, совпадающую с центром фоточувствительного элемента (2). Как видно на фиг. 6 и фиг. 7, верхняя часть основания диафрагмы (7) содержит диск с вырезанным прямоугольным отверстием (18), которое соответствует габаритам фоточувствительной области и предназначено для предотвращения попадания излучения на кристалл БИС считывания. Все детали диафрагмы выполнены из заготовок ковара толщиной 0,1 мм и утоньшены за счет матирования до 0,07 мм, за исключением средней конусной части (5), которая в одном применении изготовлена из плоской заготовки ковара толщиной 0,2 мм и утоньшена за счет матирования до 0,1 мм, а затем выдавлена на пресс-форме и соединена в конусную форму с помощью точечной контактной сварки (9). Внешние поверхности диафрагмы зеркально отполированы. Внутренние поверхности средней конусной детали (5), крышки (6), дискового основания (7) и «экрана» (11 или 15) зачернены. Средняя конусная деталь (5) и крышка (6) соединены между собой электронно-лучевой сваркой (10), которые присоединены криостойким клеем (3) на дисковое основание диафрагмы с двумя вырезами (7) для электрических выводов (фиг. 6). Фильтр (12) присоединен сверху диафрагмы на крышку (6) криостойким клеем (3), что уменьшает отраженное от фильтра «паразитное излучение» (17), как показано на фиг. 5, по сравнению с приклейкой фильтра (12) на основании диафрагмы (7).The diaphragm consists of a middle conical part (5), expanding towards the cover (6), and a disk base (7) with two cutouts for electrical leads (Fig. 6, 7). In one application (Fig. 1, 2), a “screen” (11) is attached to the disk base (7) with a cryostable adhesive (3), which is a ring covering the slots and ends of the raster with slots (4). In another application (Fig. 3, 4), a “screen” (15) is attached to the disk base (7) with a cryostable adhesive, which is a ring covering the slots and ends of the raster without slots (16), the inner part of which is approximated to a minimum distance to the side raster surface. A hole is made in the cover (6), disk base (7) and the “screen” (11 or 15), while all the holes have one axis that coincides with the center of the photosensitive element (2). As seen in FIG. 6 and FIG. 7, the upper part of the base of the diaphragm (7) contains a disk with a rectangular hole cut out (18), which corresponds to the dimensions of the photosensitive region and is designed to prevent radiation from entering the LSI chip. All parts of the diaphragm are made of blanks of the carpet with a thickness of 0.1 mm and are thinned by matting to 0.07 mm, with the exception of the middle conical part (5), which in one application is made of a flat blank of the carpet with a thickness of 0.2 mm and is thinned due to matting up to 0.1 mm, and then extruded onto the mold and connected in a conical shape by spot welding (9). The outer surfaces of the diaphragm are mirror polished. The inner surfaces of the middle conical part (5), the cover (6), the disk base (7) and the “screen” (11 or 15) are blackened. The middle conical part (5) and the cover (6) are interconnected by electron beam welding (10), which are connected by cryostrong adhesive (3) to the disk base of the diaphragm with two cutouts (7) for electrical leads (Fig. 6). The filter (12) is attached on top of the diaphragm to the cover (6) by cryostable adhesive (3), which reduces the “spurious radiation" reflected from the filter (17), as shown in FIG. 5, compared with gluing the filter (12) on the basis of the diaphragm (7).
На охлаждаемом коваровом держателе (1) при помощи криостойкого клея (3) закреплен растр (4 или 16) из сапфира или керамики, на тыльной стороне которого нанесено зеркальное металлическое покрытие (8) (например, из молибдена), которое (фиг. 5) исключает проникновение излучения (17) от нагретых деталей (13) от работающей МКС через прозрачный в видимой или ИК-области спектра материал растра. На растре при помощи криостойкого клея (3) закреплен матричный фоточувствительный элемент (2). Диафрагма закреплена на растре с помощью двух посадочных мест (19) диафрагмы (фиг. 7). Каждое посадочное место представляет собой выступ (19) на внутренней поверхности стенки цилиндрической детали, приклеенный на торцевую поверхность растра и участок внутренней поверхности цилиндрической детали, примерно равный толщине растра и приклеенный к боковой поверхности растра. Диафрагма закреплена на растре с помощью криостойкого клея (3). Через клей, которым диафрагма закреплена на растре, и держатель она охлаждается до -196°С.A raster (4 or 16) made of sapphire or ceramic is fixed on a cooled insidious holder (1) with cryostable glue (3), on the back of which a mirror-like metal coating (8) is applied (for example, from molybdenum), which (Fig. 5) excludes the penetration of radiation (17) from heated parts (13) from the operating ISS through a raster material transparent in the visible or infrared region of the spectrum. A matrix photosensitive element (2) is fixed on the raster using cryostable glue (3). The diaphragm is mounted on the raster using two seats (19) of the diaphragm (Fig. 7). Each seat is a protrusion (19) on the inner surface of the wall of the cylindrical part, glued to the end surface of the raster and a portion of the inner surface of the cylindrical part, approximately equal to the thickness of the raster and glued to the side surface of the raster. The diaphragm is mounted on the raster using cryostable glue (3). Through glue, with which the diaphragm is fixed on the raster, and the holder it is cooled to -196 ° C.
Принцип работы матричного фотоприемника заключается в следующем: ИК-излучение от объекта через просветленное окно фотоприемника поступает в отверстие диафрагмы на матричный фоточувствительный элемент. При этом «паразитное излучение» отражается от матированных почерненных внутренних стенок диафрагмы и почерненных дисковых оснований (ловушки ИК-излучения), в результате чего оно либо поглощается в элементах конструкции диафрагмы, либо выходит наружу через входное отверстие диафрагмы. Дополнительное «паразитное излучение», обусловленное проникновением излучения на МФЧЭ от нагретых частей конструкции через щели для вывода электрических контактов, исключается с помощью металлических экранов, расположенных на растре и основании диафрагмы. Таким образом, матричный фоточувствительный элемент накапливает только полезное ИК-излучение от объекта, увеличивая отношение сигнал/шум.The principle of operation of the matrix photodetector is as follows: IR radiation from the object through the enlightened window of the photodetector enters the aperture on the matrix photosensitive element. In this case, “spurious radiation" is reflected from the matted blackened inner walls of the diaphragm and the blackened disk bases (IR radiation traps), as a result of which it is either absorbed in the structural elements of the diaphragm or goes out through the inlet of the diaphragm. Additional "spurious radiation", due to the penetration of radiation on the MFCE from heated parts of the structure through slots to output electrical contacts, is eliminated using metal screens located on the raster and the base of the diaphragm. Thus, the matrix photosensitive element accumulates only useful infrared radiation from the object, increasing the signal-to-noise ratio.
Способ изготовления диафрагмы заключается в следующем.A method of manufacturing a diaphragm is as follows.
Четыре заготовки из ковара в виде плоских разверток вырезают из листа толщиной 0,1 мм, за исключением средней конусной детали, которую в одном из способов изготавливают из заготовки ковара толщиной 0,2 мм. Все детали охлаждаемой диафрагмы выдавливают на пресс-форме. Среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой электроннолучевой сваркой. На одной из заготовок при этом выдавливанием изготавливают посадочные места для дальнейшего крепления диафрагмы к растру. Внешние поверхности стенок заготовок полируют до зеркального состояния. Затем, внешние поверхности заготовок защищаются герметиком, устойчивым к кислотам. Далее, в кислотном травителе проводят матирование [Болтарь К.О., Киселева Л.В., Лопухин А.А., Лукша В.И., Савостин А.В., Поварихина В.В. Технология обработки поверхности диафрагмы для фотоприемников в диапазоне 3-12 мкм, Прикладная физика №3, 2010, с. 116-119] внутренних стенок заготовок и дискового основания с целью увеличения шероховатости и, одновременно, утоньшают стенки с целью облегчения конструкции. При этом среднюю конусную деталь в одном из способов утоньшают за счет матирования до 0,1 мм, выдавливают на пресс-форме и формируют точечной контактной сваркой, крышку утоньшают за счет матирования до 0,07 мм, среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой электронно-лучевой сваркой. После этого производят электрохимическое чернение развитых после матирования поверхностей при помощи электролита «черный» хром для коротко- и средневолнового спектрального диапазона (λ≤5,5 мкм) и оксидированный «черный» хром для длинноволнового диапазона спектра (λ>5,5 мкм). Далее, удаляют защитный герметик с внешних поверхностей кипячением в ацетоне. Среднюю конусную деталь с приваренной крышкой и «экран» соединяют между собой криостойким клеем. На верхнюю часть крышки криостойким клеем присоединяют фильтр. Основание диафрагмы присоединяют криостойким клеем к растру с помощью посадочных мест так, что посадочные выступы приклеены на торцевую поверхность растра, а участки внутренних стенок цилиндрической детали приклеены к боковой поверхности растра. Окончательно, верхнюю часть собранной диафрагмы присоединяют криостойким клеем к основанию диафрагмы.Four blanks from Kovar in the form of flat reamers are cut from a sheet with a thickness of 0.1 mm, with the exception of the middle conical part, which in one of the methods is made from a blank of a Kovar with a thickness of 0.2 mm. All parts of the cooled diaphragm are extruded onto the mold. The middle conical part and the cover are interconnected by electron beam welding. In this case, by squeezing, one of the blanks makes seats for further fastening the diaphragm to the raster. The external surfaces of the walls of the workpieces are polished to a mirror state. Then, the outer surfaces of the workpieces are protected by an acid resistant sealant. Further, matting is carried out in an acid etchant [Boltar K.O., Kiseleva L.V., Lopukhin A.A., Luksha V.I., Savostin A.V., Povarikhina V.V. The technology of processing the surface of the diaphragm for photodetectors in the range of 3-12 microns, Applied Physics No. 3, 2010, p. 116-119] the inner walls of the workpieces and the disk base in order to increase the roughness and, at the same time, thin the walls in order to facilitate the design. In this case, the middle conical part in one of the methods is thinned by matting to 0.1 mm, squeezed out on the mold and formed by spot welding, the cover is thinned by matting to 0.07 mm, the middle conical part and the cover are electronically connected beam welding. After that, electrochemical blackening of the surfaces developed after matting with the electrolyte “black” chrome is performed for the short- and medium-wavelength spectral range (λ≤5.5 μm) and oxidized “black” chrome for the long-wavelength range of the spectrum (λ> 5.5 μm). Next, remove the protective sealant from the external surfaces by boiling in acetone. The middle conical part with the welded-on lid and the “screen” are connected together by cryo-resistant adhesive. A filter is attached to the top of the lid with a cryostatic adhesive. The base of the diaphragm is attached with cryostrong adhesive to the raster using the seats so that the landing protrusions are glued to the end surface of the raster, and the sections of the inner walls of the cylindrical part are glued to the side surface of the raster. Finally, the upper part of the assembled diaphragm is attached with cryo-resistant adhesive to the base of the diaphragm.
Предлагаемая конструкция была опробована на предприятии-изготовителе при создании экспериментальных и опытных образцов матричного фоточувствительного элемента на основе антимонида индия. Однако, предлагаемая конструкция применима и к другим полупроводниковым материалам.The proposed design was tested at the manufacturer when creating experimental and experimental samples of a matrix photosensitive element based on indium antimonide. However, the proposed design is applicable to other semiconductor materials.
Пример фотоприемника ИК-излучения.An example of a infrared photodetector.
На держатель высотой 47 мм и диаметром 8 мм последовательно наклеивались при помощи криостойкого клея марки «Орион-22» растр с прорезями из лейкосапфира диаметром 16,6 мм с разводкой из золотых дорожек и напылением с тыльной стороны молибдена, и матричный фоточувствительный элемент на основе антимонида индия с количеством элементов 81920. Далее, после разварки контактов к растру с этим же клеем приклеивалась диафрагма из ковара высотой 26,6 мм и диаметром «экрана» 17 мм с прямоугольным отверстием 10,2×8,5 мм в верхней части основания и диаметром крышки 21,2 мм с круглым отверстием 6 мм, а сверху диафрагмы на крышку приклеивался фильтр диаметром 10 мм на спектральный диапазон 3,6-4,8 мкм.On a holder 47 mm high and 8 mm in diameter, a raster with 16.6 mm diameter leucosapphire slots with gold paths and dusting on the back of the molybdenum and an antimonide matrix photosensitive element were sequentially glued using Orion-22 cryostable adhesive; indium with the number of elements 81920. Further, after the contacts were welded to the raster, the diaphragm from Kovar with a height of 26.6 mm and a diameter of the “screen” of 17 mm with a rectangular hole of 10.2 × 8.5 mm in the upper part of the base and diameter was glued to the raster with the same glue. roofs 21.2 mm with a round hole of 6 mm, and a filter with a diameter of 10 mm was glued onto the lid on top of the diaphragm over a spectral range of 3.6–4.8 μm.
Пример изготовления диафрагмы.An example of the manufacture of the diaphragm.
Четыре заготовки из ковара в виде плоских разверток вырезали из листа толщиной 0,1 мм. Все детали охлаждаемой диафрагмы выдавливали на пресс-форме. Затем внешние поверхности деталей зеркально отполировали. Среднюю конусную деталь сформировали точечной контактной сваркой. Среднюю конусную деталь и крышку соединили между собой электронно-лучевой сваркой. Внешние поверхности заготовок защищали герметиком - лаком ХСЛ - устойчивым к кислотам. Далее, в кислотном травителе проведено матирование внутренних стенок и кольцевых элементов заготовок диафрагмы с целью создания шероховатости (глубина протравливания 30 мкм) и, одновременно, утоньшение стенок заготовок до 0,07 мм с целью облегчения конструкции. После этого производили электрохимическое чернение этих развитых поверхностей при помощи электролита «черный» хром. Далее, защитный герметик удалили с внешних поверхностей кипячением в ацетоне. После этого, для получения готовой диафрагмы заготовки были соединены по чертежу криостойким клеем и полученная диафрагма присоединена к растру при помощи криостойкого клея марки «Орион-22».Four blanks from Kovar in the form of flat reamers were cut from a sheet 0.1 mm thick. All parts of the cooled diaphragm were extruded on a mold. Then, the outer surfaces of the parts are mirror polished. The middle conical part was formed by spot welding. The middle conical part and the cover were interconnected by electron beam welding. The outer surfaces of the workpieces were protected with a sealant - KHL varnish - resistant to acids. Further, in the acid etchant, the inner walls and annular elements of the diaphragm blanks were matted to create a roughness (
Далее конструкция монтировалась в корпус и охлаждалась при помощи холодильной машины типа «Интегральный Стирлинг» до -196°С. При этом скорость охлаждения увеличилась в 1,3 раза. Эквивалентная шуму разность температур улучшилась в 2,4 раза.Further, the structure was mounted in the housing and cooled with the help of a chiller of the Integral Stirling type to -196 ° С. At the same time, the cooling rate increased by 1.3 times. The noise-equivalent temperature difference improved 2.4 times.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014135802/28A RU2571171C1 (en) | 2014-09-02 | 2014-09-02 | Infrared photodetector array with cooled diaphragm and method of making diaphragm |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014135802/28A RU2571171C1 (en) | 2014-09-02 | 2014-09-02 | Infrared photodetector array with cooled diaphragm and method of making diaphragm |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2571171C1 true RU2571171C1 (en) | 2015-12-20 |
Family
ID=54871271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014135802/28A RU2571171C1 (en) | 2014-09-02 | 2014-09-02 | Infrared photodetector array with cooled diaphragm and method of making diaphragm |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2571171C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655464C1 (en) * | 2017-03-03 | 2018-05-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Интегрированные электронно-оптические системы" | Thermal imaging module |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1092966A2 (en) * | 1999-09-23 | 2001-04-18 | State Of Israel - Ministry Of Defence | Infrared detector |
| US6455774B1 (en) * | 1999-12-08 | 2002-09-24 | Amkor Technology, Inc. | Molded image sensor package |
| RU2377694C1 (en) * | 2008-09-29 | 2009-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" | Cooled infrared radiation detector array with diaphragm and method of making said diaphragm |
-
2014
- 2014-09-02 RU RU2014135802/28A patent/RU2571171C1/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1092966A2 (en) * | 1999-09-23 | 2001-04-18 | State Of Israel - Ministry Of Defence | Infrared detector |
| US6455774B1 (en) * | 1999-12-08 | 2002-09-24 | Amkor Technology, Inc. | Molded image sensor package |
| RU2377694C1 (en) * | 2008-09-29 | 2009-12-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "НПО "ОРИОН" | Cooled infrared radiation detector array with diaphragm and method of making said diaphragm |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2655464C1 (en) * | 2017-03-03 | 2018-05-28 | Общество с ограниченной ответственностью "Интегрированные электронно-оптические системы" | Thermal imaging module |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101313202B (en) | Infrared detection unit using a semiconductor optical lens | |
| US8900906B2 (en) | Atomic layer deposition strengthening members and method of manufacture | |
| US8350215B2 (en) | Thermopile sensor and method of manufacturing same | |
| CA3021613C (en) | Multispectral imaging device | |
| EP2786105B1 (en) | Infrared detector made up of suspended bolometric micro-plates | |
| WO2017184420A1 (en) | Optical system for reference switching | |
| JP4944590B2 (en) | Method for manufacturing thermal infrared detector | |
| EP2743679B1 (en) | Infrared detection device | |
| CN103199097B (en) | A kind of pixel structure and the no-refrigeration infrared focal plane detector based on pixel structure | |
| CN105129717A (en) | Micro-bridge structure of broadband high-absorption terahertz wave and fabrication method thereof | |
| US20190195602A1 (en) | Infra-Red Device | |
| CN102998725A (en) | Rough black metal film for absorbing terahertz radiation and preparation method of rough black metal film | |
| RU2571171C1 (en) | Infrared photodetector array with cooled diaphragm and method of making diaphragm | |
| KR20220031999A (en) | Low heat capacity microbolometers and related manufacturing methods | |
| US20160290870A1 (en) | Infrared sensor and infrared sensor array | |
| US6852976B2 (en) | Infrared detector array with improved spectral range and method for making the same | |
| US20150138547A1 (en) | Apparatus for selectively transmitting the spectrum of electromagnetic radiation within a predefined wavelength range | |
| US20020081760A1 (en) | Individual detector performance in radiation detector arrays | |
| JP3979440B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor lens | |
| US20190323890A1 (en) | Imaging sensor with filter and lens array | |
| CN113196021A (en) | Spectrometer device and method for manufacturing a spectrometer device | |
| RU2377694C1 (en) | Cooled infrared radiation detector array with diaphragm and method of making said diaphragm | |
| EP3830535A1 (en) | Multispectral imaging sensor provided with means for limiting crosstalk | |
| CN104882492A (en) | Terahertz detection array chip-level packaging structure | |
| US20060104319A1 (en) | Device for reflecting and detecting electromagnetic radiation |