RU2642181C2 - Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector - Google Patents
Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2642181C2 RU2642181C2 RU2016127045A RU2016127045A RU2642181C2 RU 2642181 C2 RU2642181 C2 RU 2642181C2 RU 2016127045 A RU2016127045 A RU 2016127045A RU 2016127045 A RU2016127045 A RU 2016127045A RU 2642181 C2 RU2642181 C2 RU 2642181C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elements
- photosensitive
- radiation
- infrared radiation
- tandem
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 37
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 33
- GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N selanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Se] GGYFMLJDMAMTAB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 18
- 238000013461 design Methods 0.000 description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 9
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 7
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000036211 photosensitivity Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);selenium(2-) Chemical compound [Se-2].[Cd+2] UHYPYGJEEGLRJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 239000010408 film Substances 0.000 description 2
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000006862 quantum yield reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000007725 thermal activation Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
- H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к приемникам инфракрасного излучения и может быть использовано в оптоэлектронных контрольно-измерительных приборах, таких как пирометры спектрального отношения и детекторы пламени.The invention relates to infrared radiation receivers and can be used in optoelectronic instrumentation, such as spectral ratio pyrometers and flame detectors.
Заявляемый фотоприемник излучения компонуется в виде тандем-структуры из двух фотогальванических элементов, выполненных по тонкопленочной технологии, и учитывает конструктивно-технологические и фотоэлектрические особенности применяемых элементов. Характеристики предложенного фотоприемника позволяют осуществлять спектральный анализ излучения объекта в двух заданных спектральных участках инфракрасного диапазона от 1 до 5 мкм с единым полем зрения и увеличенной эффективной фоточувствительной площадью за счет применения фокусирующих и концентрирующих оптических систем.The inventive photodetector is arranged in the form of a tandem structure of two photovoltaic cells made by thin-film technology, and takes into account the structural, technological and photoelectric features of the elements used. The characteristics of the proposed photodetector allow spectral analysis of the radiation of an object in two specified spectral regions of the infrared range from 1 to 5 μm with a single field of view and an increased effective photosensitive area due to the use of focusing and concentrating optical systems.
Фотоприемные устройства с чувствительными элементами двух различающихся спектральных диапазонов позволяют обеспечить в сложных условиях эксплуатации получение более полной информации об объекте с помощью селекции полезного сигнала на фоне оптических помех. В то же время наличие пространственно разнесенных чувствительных элементов вносит определенные трудности в реализацию необходимых параметров фотоприемного устройства, в частности единого поля зрения. Указанные трудности особенно заметны при детектировании слабого инфракрасного излучения, для которого требуются большие эффективные фоточувствительные площади фотоприемников.Photodetector devices with sensitive elements of two different spectral ranges make it possible to obtain more complete information about an object in difficult operating conditions by selecting a useful signal against the background of optical noise. At the same time, the presence of spatially separated sensitive elements introduces certain difficulties in the implementation of the necessary parameters of a photodetector, in particular a single field of view. The indicated difficulties are especially noticeable when detecting weak infrared radiation, which requires large effective photosensitive areas of photodetectors.
В настоящее время известны конструктивные решения многоспектральных инфракрасных фотоприемных устройств, обеспечивающих единое поле зрения для спектральных каналов и большую эффективную фоточувствительную площадь за счет матричного расположения фотоэлементов с чередованием спектральных каналов или соосного расположения фотоэлементов «один за другим» (тандем-структура) в сочетании с фокусирующими и концентрирующими излучение оптическими системами.Currently, there are known design solutions for multispectral infrared photodetectors that provide a single field of view for spectral channels and a large effective photosensitive area due to the matrix arrangement of photocells with alternating spectral channels or coaxial arrangement of photocells "one after another" (tandem structure) in combination with focusing and radiation-concentrating optical systems.
Существенной особенностью конструктивного решения компоновки фоточувствительных элементов в виде тандем-структуры является влияние конструктивно-технологических и фотоэлектрических характеристик первого фоточувствительного элемента на характеристики фотоэлемента, расположенного на оптической оси за первым. В результате этого влияния для второго фотоэлемента происходит снижение величины потока излучения, изменение спектрального состава и пространственной конфигурации потока излучения. Для реализации спектрального диапазона чувствительности второго фоточувствительного элемента необходимо, чтобы первый фотоэлемент имел высокий коэффициент пропускания в данном диапазоне. Взаимное влияние характеристик применяемых фоточувствительных элементов вносит конструктивные ограничения по выбору спектральных каналов фотоприемного устройства. Имеющиеся характеристики фоточувствительных элементов определяются используемыми материалами и технологией производства, поэтому известны различные варианты фотоприемных устройств выполненных в виде тандем-структур.An essential feature of the constructive solution of the arrangement of photosensitive elements in the form of a tandem structure is the influence of the structural, technological and photoelectric characteristics of the first photosensitive element on the characteristics of the photocell located on the optical axis behind the first. As a result of this influence, a decrease in the radiation flux, a change in the spectral composition and spatial configuration of the radiation flux, occur for the second photocell. To implement the spectral sensitivity range of the second photosensitive element, it is necessary that the first photocell has a high transmittance in this range. The mutual influence of the characteristics of the applied photosensitive elements introduces design limitations on the choice of spectral channels of the photodetector. The available characteristics of photosensitive elements are determined by the materials used and the production technology, therefore, various versions of photodetector devices made in the form of tandem structures are known.
Известен двухканальный фотоприемник (патент РФ №2290614, кл. G01J 5/60) пирометра спектрального отношения, в котором фоточувствительные элементы расположены на одной оптической оси, один за другим, образуя тандем-структуру, причем первый элемент также выполняет функции оптического фильтра. В приемнике применяются кремниевые фотодиоды, чувствительные в ближней инфракрасной области 600-1200 нм. Недостатком данного варианта можно считать ограниченную сферу применения, так, например, фоточувствительные элементы на основе тонких пленок не могут в полной мере выполнять функции оптических фильтров.Known two-channel photodetector (RF patent No. 2290614,
Известно конструктивно-технологическое решение (патент США №5373182), формирующее многоспектральный фотоприемник на кремниевой подложке. В данном решении фоточувствительный элемент видимого диапазона из кремния и фоточувствительные элементы ближнего, среднего и дальнего инфракрасных диапазонов на основе соединения Hg1-xCdxTe реализованы как тандем-структура матричных фотоэлементов. Производство данного фотоприемника основано на кремниевых технологиях. В качестве фильтра использована кремниевая подложка, что не позволяет формировать заданные спектральные характеристики чувствительности.Known structural and technological solution (US patent No. 5373182), forming a multispectral photodetector on a silicon substrate. In this solution, the photosensitive element of the visible range made of silicon and the photosensitive elements of the near, middle, and far infrared ranges based on the Hg 1-x Cd x Te compound are implemented as a tandem structure of matrix photocells. The production of this photodetector is based on silicon technology. A silicon substrate was used as a filter, which does not allow the formation of specified spectral characteristics of sensitivity.
Известен многоспектральный фотоприемник (патент РФ №2426144, кл. G01S 7/00) представляющий собой тандем-структуру трех фотоэлементов: ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов чувствительности. Первый элемент представляет собой алмазную пленку с нанесенными омическими контактами, второй элемент - пленка сегнетодиэлектрика с омическими контактами, третий элемент - видимого диапазона, например, на кремнии. В данном исполнении при определенных углах падения излучения происходит экранирование омическими контактами первого элемента фоточувствительных площадок второго и третьего элементов, что приводит к снижению их фотосигнала и рассогласованию угловых характеристик чувствительности разных элементов фотоприемника. Кроме того, конструкция не предусматривает использование оптических фильтров, что не позволяет проводить анализ спектра излучения с необходимыми характеристиками.Known multispectral photodetector (RF patent No. 2426144,
Известен матричный многоспектральный приемник (патент РФ №2296370, кл. G08B 17/12) представляющий собой четырехэлементную прямоугольную матрицу фоточувствительных элементов в виде поликристаллических тонких пленок на основе твердых растворов селенида свинца и селенида кадмия, фоточувствительные элементы с соответствующими фильтрами расставлены по квадрату. В приемнике реализованы два спектральных канала - основной и вспомогательный, каждый канал включает по два фотоэлемента. Таким образом, за счет использования матричной компоновки эффективная площадь увеличена в 2 раза.Known matrix multispectral receiver (RF patent No. 2296370, class G08B 17/12) is a four-element rectangular matrix of photosensitive elements in the form of polycrystalline thin films based on solid solutions of lead selenide and cadmium selenide, photosensitive elements with appropriate filters are squared. The receiver implements two spectral channels - the main and auxiliary, each channel includes two photocells. Thus, through the use of the matrix layout, the effective area is doubled.
Конструкция данного приемника излучения является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению и взята в качестве прототипа. В случае использования прототипа для создания фотоприемного устройства ему присущи следующие недостатки:The design of this radiation receiver is the closest analogue to the claimed invention and is taken as a prototype. In the case of using the prototype to create a photodetector, it has the following disadvantages:
1. Оптические оси отдельных фоточувствительных элементов разнесены в пространстве, что приводит к рассогласованию угловых характеристик чувствительности.1. The optical axes of individual photosensitive elements are spaced in space, which leads to a mismatch in the angular characteristics of sensitivity.
2. Небольшая размерность матрицы элементов 2×2 не позволяет в полной мере реализовать единое поле зрение, данная конструкция чувствительна к краевым эффектам (неполной засветке апертуры).2. The small dimension of the matrix of
3. Применяемые фокусирующие и концентрирующие оптические системы представляют собой сложные технические задачи из-за большой дискретности фоточувствительной площади.3. The applied focusing and concentrating optical systems represent complex technical problems due to the large discreteness of the photosensitive area.
4. Увеличение размерности матрицы значительно усложняет и удорожает технологию изготовления.4. The increase in the dimension of the matrix significantly complicates and increases the cost of manufacturing technology.
Техническим результатом заявляемого изобретения является экономичное увеличение эффективной фоточувствительной площади двухканального приемника инфракрасного излучения, выполненного из двух тонкопленочных фотоэлементов на основе селенида свинца и его твердых растворов, при сохранении единого поля зрения разных спектральных каналов. Предлагаемая конструкция позволяет корректно реализовать метод спектрального анализа излучения и обеспечить высокую фоточувствительность за счет применения фокусирующих и концентрирующих излучение оптических систем. Для пирометров это означает осуществление дистанционного измерения температуры на большем расстоянии, для детекторов пламени - увеличение дальности обнаружения пламени.The technical result of the claimed invention is a cost-effective increase in the effective photosensitive area of a two-channel infrared radiation detector made of two thin-film photocells based on lead selenide and its solid solutions, while maintaining a single field of view of different spectral channels. The proposed design allows to correctly implement the method of spectral analysis of radiation and to provide high photosensitivity due to the use of optical systems focusing and concentrating radiation. For pyrometers, this means performing remote temperature measurements at a greater distance; for flame detectors, an increase in the flame detection range.
Для достижения данного технического результата автором проведено исследование конструктивно-технологических и фотоэлектрических характеристик тонкопленочных фотогальванических структур из селенида свинца и его твердых растворов, выявлены неиспользуемые ранее возможности по созданию на их основе двухспектральных приемников излучения.To achieve this technical result, the author conducted a study of the structural, technological and photovoltaic characteristics of thin-film photovoltaic structures from lead selenide and its solid solutions, revealed previously unused opportunities to create dual-spectrum radiation detectors based on them.
Фотогальванический элемент на основе селенида свинца представляет собой тонкий поликристаллический слой, в котором потенциальный барьер создается МОП структурой. Оптимальная ширина фоточувствительной области между токоведущими электродами, обеспечивающая наилучший квантовый выход, составляет около 50 мкм, поэтому для увеличения фоточувствительной площади топология чувствительной области выполнена в виде меандра.A lead selenide photovoltaic cell is a thin polycrystalline layer in which a MOS structure creates a potential barrier. The optimal width of the photosensitive region between the current-carrying electrodes, providing the best quantum yield, is about 50 μm, therefore, to increase the photosensitive area, the topology of the sensitive region is made in the form of a meander.
Физический принцип работы предлагаемого конструктивного исполнения основан на способности фотогальванического элемента на основе тонких пленок селенида свинца быть частично прозрачным для излучения в областях, где отсутствуют токоведущие металлические электроды. Фоточувствительная область поглощает часть излучения и вызывает появление фотоЭДС на элементе, другая часть излучения проходит через фоточувствительную область и стеклянную подложку. Автором предложено сформировать тандем-структуру с наложением двух фотогальванических элементов под прямым углом в плане, при этом электроды первого элемента формируют экран в виде решетки с пропускающими излучение ячейками шириной порядка 50 мкм. На нижнем элементе формируются зоны засветки чувствительной области излучением, проходящим через верхний элемент, в форме прямоугольной матрицы чувствительных площадок с размерами около 50 мкм. Соосное расположение чувствительных элементов фотоприемника формирует единое поле зрения для обоих элементов. Чувствительность второго элемента за счет экранирования первым элементом снижается примерно в 6 раз, что вполне допустимо в ряде практических применений и может быть компенсировано увеличением чувствительных площадок обоих элементов фотоприемника, выбором для второго элемента материала с большей интегральной фоточувствительностью (твердого раствора селенида свинца и кадмия с содержанием кадмия 4…20%) или применением фокусирующих и концентрирующих оптических систем.The physical principle of the proposed design is based on the ability of a photovoltaic cell based on thin films of lead selenide to be partially transparent to radiation in areas where there are no current-carrying metal electrodes. The photosensitive region absorbs part of the radiation and causes the appearance of photo-emf on the element, the other part of the radiation passes through the photosensitive region and the glass substrate. The author proposed to form a tandem structure with the superposition of two photovoltaic cells at right angles to the plan, while the electrodes of the first cell form a screen in the form of a lattice with radiation transmitting cells with a width of about 50 μm. On the lower element, zones of illumination of the sensitive region by radiation passing through the upper element are formed in the form of a rectangular matrix of sensitive areas with dimensions of about 50 μm. The coaxial arrangement of the sensitive elements of the photodetector forms a single field of view for both elements. The sensitivity of the second element due to shielding of the first element decreases by about 6 times, which is quite acceptable in a number of practical applications and can be compensated by an increase in the sensitive areas of both elements of the photodetector, by choosing a material with a higher integrated photosensitivity (solid solution of lead and cadmium selenide with the
Заявляемое конструктивное исполнение вносит следующие изменения в конструктивное исполнение прототипа:The inventive design makes the following changes to the design of the prototype:
1. Два фотогальванических элемента на основе тонких пленок селенида свинца размещаются соосно, в виде тандем-структуры, как можно ближе друг к другу таким образом, чтобы в плане фоточувствительные площадки элементов совпадали и токоведущие электроды одного элемента имели прямой угол с токоведущими электродами второго элемента.1. Two photovoltaic cells based on thin films of lead selenide are placed coaxially, in the form of a tandem structure, as close as possible to each other so that the photosensitive areas of the cells coincide and the current-carrying electrodes of one element have a right angle with the current-carrying electrodes of the second element.
2. Формирование спектральных характеристик чувствительности осуществляется общим оптическим фильтром для первого и второго фотогальванических элементов. Дополнительно для второго элемента может быть использован корректирующий оптический фильтр.2. The formation of the spectral characteristics of sensitivity is carried out by a common optical filter for the first and second photovoltaic cells. Additionally, a correction optical filter may be used for the second element.
3. Увеличение эффективной фоточувствительной площади фотоприемника осуществляется увеличением чувствительных площадок каждого элемента фотоприемника или применением фокусирующих оптических систем. Оптические фокусирующие элементы могут выполнять функции оптического фильтра.3. The increase in the effective photosensitive area of the photodetector is carried out by increasing the sensitive areas of each element of the photodetector or by using focusing optical systems. Optical focusing elements can act as an optical filter.
Фоточувствительные элементы формируются на стеклянной диэлектрической подложке с помощью последовательно осуществляемых операций:Photosensitive elements are formed on a glass dielectric substrate using sequentially performed operations:
- вакуумного термического напыления и активации тонких поликристаллических фоточувствительных слоев селенида свинца или его твердых растворов.- vacuum thermal spraying and activation of thin polycrystalline photosensitive layers of lead selenide or its solid solutions.
- фотолитографии для выделения фоточувствительных площадок с топологией в виде меандра, обеспечивающей наилучшую квантовую эффективность.- photolithography for the allocation of photosensitive sites with a topology in the form of a meander, providing the best quantum efficiency.
- ионно-плазменного напыления токоведущих электродов с целью создания невыпрямляющих омических контактов.- ion-plasma spraying of current-carrying electrodes in order to create non-rectifying ohmic contacts.
В качестве оптических фильтров могут использоваться абсорбционные материалы (монокристаллические, поликристаллические или аморфные пластины) или интерференционные фильтры. Фокусирующие оптические системы изготавливаются из материалов, имеющих высокий коэффициент пропускания в рабочем спектральном диапазоне.As optical filters, absorption materials (monocrystalline, polycrystalline or amorphous plates) or interference filters can be used. Focusing optical systems are made of materials having a high transmittance in the working spectral range.
Рассмотрим подробнее сущность заявляемого технического решения и конкретные примеры исполнения приемника излучения.Let us consider in more detail the essence of the claimed technical solution and specific examples of the implementation of the radiation receiver.
На Фиг. 1 показаны два фотогальванических элемента (1), выполненные из селенида свинца по тонкопленочной технологии на одинаковых стеклянных подложках с фоточувствительными площадками одинакового размера. Топология фоточувствительных областей обоих фотоэлементов (2) выполнена в виде меандра и окружающих его токоведущих электродов (3). Меандр состоит из нескольких параллельных сегментов (от 10 и более) и максимально заполняет фоточувствительную площадку элемента. Для подключения внешних цепей предназначены контактные электроды, электрически связанные с токоведущими электродами.In FIG. 1 shows two photovoltaic cells (1) made of lead selenide using thin-film technology on the same glass substrates with photosensitive sites of the same size. The topology of the photosensitive regions of both photocells (2) is made in the form of a meander and current-carrying electrodes surrounding it (3). The meander consists of several parallel segments (10 or more) and fills the photosensitive area of the element as much as possible. To connect external circuits, contact electrodes are used, electrically connected to current-carrying electrodes.
На Фиг. 2 показана матричная структура, представляющая собой совокупность фоточувствительных областей и токоведущих электродов двух фоточувствительных элементов, полученная при их соосном наложении под углом 90°. Размерность матричной структуры определяется количеством сегментов в меандре и составляет от 10×10 и больше. Фоточувствительные области имеют максимальное перекрытие, а токоведущие электроды взаимно перпендикулярны.In FIG. 2 shows a matrix structure, which is a combination of photosensitive regions and current-carrying electrodes of two photosensitive elements, obtained by their coaxial application at an angle of 90 °. The dimension of the matrix structure is determined by the number of segments in the meander and ranges from 10 × 10 or more. Photosensitive regions have maximum overlap, and current-carrying electrodes are mutually perpendicular.
На Фиг. 3 представлен один из вариантов исполнения заявляемого приемника излучения. Два фотогальванических элемента (1) расположены в виде тандем-структуры соосно вместе с общим оптическим фильтром (4), корректирующим фильтром (5) для второго фотогальванического элемента (если требуется) и диафрагмой (6). Оптические фильтры формируют необходимые спектральные характеристики чувствительности двух каналов приемника излучения, диафрагма формирует общую апертуру обоих каналов во всем поле зрения.In FIG. 3 presents one of the embodiments of the inventive radiation receiver. Two photovoltaic cells (1) are arranged in the form of a tandem structure coaxially with a common optical filter (4), a correction filter (5) for the second photovoltaic cell (if required) and a diaphragm (6). Optical filters form the necessary spectral characteristics of the sensitivity of the two channels of the radiation receiver, the diaphragm forms the common aperture of both channels in the entire field of view.
На Фиг. 4 заявляемая тандем-структура приемника излучения дополнительно содержит концентрирующую оптическую систему (7), в которой дополнительный поток излучения создается отражением и диффузным рассеянием от поверхности системы.In FIG. 4, the claimed tandem structure of the radiation receiver further comprises a concentrating optical system (7), in which an additional radiation flux is created by reflection and diffuse scattering from the surface of the system.
На Фиг. 5 представлен вариант исполнения заявляемого приемника излучения, в котором вместо общего оптического фильтра использована фокусирующая оптическая система (8), данный вариант позволяет формировать узкое поле зрения приемника излучения.In FIG. 5 shows an embodiment of the inventive radiation receiver, in which a focusing optical system (8) is used instead of a common optical filter, this option allows you to form a narrow field of view of the radiation receiver.
Заявляемое конструктивное исполнение двухканального инфракрасного приемника излучения обладает характеристиками, предпочтительными для создания пирометров спектрального отношения с небольшим показателем визирования и для детекторов пламени общего применения.The inventive design of a two-channel infrared radiation detector has characteristics that are preferable for the creation of spectrometer pyrometers with a small sighting index and for flame detectors for general use.
В таблице 1 приведено сравнение существенных признаков заявляемого конструктивного исполнения с конструктивным исполнением прототипа.Table 1 shows a comparison of the essential features of the claimed design with the design of the prototype.
Как видно из таблицы, отличительные признаки заявляемого технического решения свидетельствуют о новизне и изобретательском уровне. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными и образуют устойчивую совокупность признаков, достаточную для получения требуемого технического результата.As can be seen from the table, the distinguishing features of the proposed technical solution indicate novelty and inventive step. These signs are significant and interrelated and form a stable set of signs sufficient to obtain the desired technical result.
В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого конструктивного исполнения приводим конкретный пример разработанного двухканального приемника инфракрасного излучения с тандем-структурой и фокусирующей линзой, предназначенного для изготовления пирометра спектрального отношения.As a proof of the industrial applicability of the claimed design, we give a specific example of the developed two-channel infrared radiation detector with a tandem structure and a focusing lens, intended for the manufacture of a spectral ratio pyrometer.
Фотогальванический элемент на основе твердого раствора Pb0,8Cd0,2Se расположен за фотогальваническим элементом на основе чистого селенида свинца PbSe. Размеры фоточувствительных площадок элементов составляют 1×1 мм2, для формирования общей апертуры использована диафрагма с круглым отверстием. Германиевая линза, предназначенная для фокусирования излучения, формирует угол поля зрения 6° и одновременно выполняет функции оптического фильтра. Фоточувствительные элементы и германиевая линза формируют два спектральных канала фотоприемника с чувствительностью в диапазонах 1,8…3,2 мкм и 1,8…4,3 мкм - данные диапазоны выбраны с использованием методики изложенной в статье автора заявляемого изобретения «Оптимизация спектральных характеристик фотоприемников пирометра спектрального отношения» (журнал «Датчики и системы» №2, 2001 г.). Таким образом, двухканальный фотоприемник с разными диапазонами фоточувствительности характеризуется единым полем зрения для обоих каналов и увеличенной эффективной фоточувствительной площадью за счет использования фокусирующей оптической системы. Разработанный пирометр спектрального отношения на основе данного приемника излучения позволил проводить дистанционное измерение температуры объектов от 250 до 1100°С и успешно прошел испытания на сталелитейном предприятии «Северсталь», г. Череповец. Таким образом, были подтверждены конструктивная реализуемость и высокие технические характеристики инфракрасных двухканальных приемников излучения на основе тонкопленочных структур из селенида свинца, выполненных в виде тандем-структуры.A photovoltaic cell based on a Pb 0.8 Cd 0.2 Se solid solution is located behind a photovoltaic cell based on pure PbSe lead selenide. The sizes of the photosensitive areas of the elements are 1 × 1 mm 2 ; a diaphragm with a round hole was used to form a common aperture. A germanium lens intended for focusing radiation forms an angle of field of view of 6 ° and simultaneously functions as an optical filter. Photosensitive elements and a germanium lens form two spectral channels of a photodetector with sensitivity in the ranges of 1.8 ... 3.2 μm and 1.8 ... 4.3 μm - these ranges are selected using the methodology described in the article by the author of the claimed invention "Optimization of the spectral characteristics of the pyrometer photodetectors spectral ratio ”(magazine“ Sensors and Systems ”No. 2, 2001). Thus, a two-channel photodetector with different ranges of photosensitivity is characterized by a single field of view for both channels and an increased effective photosensitive area due to the use of a focusing optical system. The developed spectral-ratio pyrometer based on this radiation receiver allowed remote sensing of the temperature of objects from 250 to 1100 ° C and successfully passed tests at the Severstal steel plant, Cherepovets. Thus, the constructive feasibility and high technical characteristics of infrared two-channel radiation detectors based on thin-film structures of lead selenide made in the form of a tandem structure were confirmed.
Прилагаемые чертежиAccompanying drawings
Фиг. 1 - топология фотогальванического элемента на основе селенида свинца и его твердых растворов.FIG. 1 - the topology of a photovoltaic cell based on lead selenide and its solid solutions.
Фиг. 2 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения, вид сверху.FIG. 2 - patentable tandem structure of the inventive IR radiation receiver, top view.
Фиг. 3 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения, вид в разрезе.FIG. 3 - patentable tandem structure of the inventive IR radiation receiver, sectional view.
Фиг. 4 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения с концентрирующей оптической системой.FIG. 4 - patentable tandem structure of the inventive IR radiation receiver with a concentrating optical system.
Фиг. 5 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения с фокусирующей оптической системой.FIG. 5 is a patentable tandem structure of the inventive IR radiation receiver with a focusing optical system.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127045A RU2642181C2 (en) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016127045A RU2642181C2 (en) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2642181C2 true RU2642181C2 (en) | 2018-01-24 |
Family
ID=60998991
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016127045A RU2642181C2 (en) | 2016-07-05 | 2016-07-05 | Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2642181C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2281585C1 (en) * | 2005-06-30 | 2006-08-10 | Петр Валентинович Афанасьев | Optical radiation sensor and optical radiation monitoring system using this sensor |
| RU2296370C2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-03-27 | Николай Иванович Горбунов | Infrared multirange flame and burst detector |
| RU166459U1 (en) * | 2016-07-05 | 2016-11-27 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | TANDEM STRUCTURE OF A TWO-CHANNEL INFRARED RADIATION RECEIVER |
-
2016
- 2016-07-05 RU RU2016127045A patent/RU2642181C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2296370C2 (en) * | 2005-05-27 | 2007-03-27 | Николай Иванович Горбунов | Infrared multirange flame and burst detector |
| RU2281585C1 (en) * | 2005-06-30 | 2006-08-10 | Петр Валентинович Афанасьев | Optical radiation sensor and optical radiation monitoring system using this sensor |
| RU166459U1 (en) * | 2016-07-05 | 2016-11-27 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | TANDEM STRUCTURE OF A TWO-CHANNEL INFRARED RADIATION RECEIVER |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102304894B1 (en) | Light detector, multi-cell light detection unit, optical light sensor, optical sensing array and display device | |
| TWI410703B (en) | Photo sensor, method of forming the same, and optical touch device | |
| US7329871B2 (en) | Plasmonic enhanced infrared detector element | |
| CN105489693B (en) | Based on the sub- device of two-dimensional layer thin-film material p g n heterojunction photovoltaics | |
| US6320189B1 (en) | Device for the detection of multispectral infrared/visible radiation | |
| JP2004317152A5 (en) | ||
| JPH04395B2 (en) | ||
| JPH04234170A (en) | Infrared detection device responsive to plurality of wavelengths | |
| RU166459U1 (en) | TANDEM STRUCTURE OF A TWO-CHANNEL INFRARED RADIATION RECEIVER | |
| WO2018219124A1 (en) | Photoelectric detection device and manufacturing method therefor, touch control substrate and display panel | |
| RU2634805C2 (en) | Dual-spectrum matrix infrared radiation array detector for optoelectronic sensors | |
| RU2642181C2 (en) | Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector | |
| RU2426144C1 (en) | Multispectral photo receiver | |
| KR101722396B1 (en) | Spectrum sensor, spectrometric device and spectrometry method using the same | |
| Klem et al. | Low-cost SWIR sensors: advancing the performance of ROIC-integrated colloidal quantum dot photodiode arrays | |
| EP0566569A1 (en) | Light detector | |
| US9252182B2 (en) | Infrared multiplier for photo-conducting sensors | |
| US6130431A (en) | Monolithic pattern-sensitive detector | |
| WO2019219189A1 (en) | Short-wave infrared detector and its integration with cmos compatible substrates | |
| JPS6382326A (en) | Element for ultraviolet ray sensor | |
| JPH0550857B2 (en) | ||
| RU136615U1 (en) | INFRARED MULTI-SPECTRUM RADIATION RECEIVER | |
| JPH065832A (en) | Apparatus and method for position detection | |
| RU2540836C1 (en) | Infrared multispectral radiation detector | |
| Schneider et al. | Progress in a-Si: H based multispectral sensor technology and material recognition |