RU2764397C1 - Matrix converter - Google Patents
Matrix converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2764397C1 RU2764397C1 RU2020132807A RU2020132807A RU2764397C1 RU 2764397 C1 RU2764397 C1 RU 2764397C1 RU 2020132807 A RU2020132807 A RU 2020132807A RU 2020132807 A RU2020132807 A RU 2020132807A RU 2764397 C1 RU2764397 C1 RU 2764397C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- flexible conductive
- membrane layer
- conductive membrane
- matrix
- microperforation
- Prior art date
Links
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 34
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 71
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims abstract description 55
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 22
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims abstract description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 19
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 claims description 9
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 4
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 4
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000737 Duralumin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000003610 charcoal Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 gallium ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004297 night vision Effects 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 238000010895 photoacoustic effect Methods 0.000 description 1
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/38—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids
- G01J5/42—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using extension or expansion of solids or fluids using Golay cells
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, а именно для преобразования и измерения пространственного распределения потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона (включая терагерцовое). Изобретение может быть использовано в ИК и ТГц спектроскопии, в системах военного назначения (системы ночного видения, обнаружение безоболочечных взрывных устройств), а так же в системах гражданского применения (системы технической и медицинской диагностики).The invention relates to the field of measuring technology, namely to convert and measure the spatial distribution of the flux of electromagnetic radiation in the far infrared range (including terahertz). The invention can be used in IR and THz spectroscopy, in military systems (night vision systems, detection of shellless explosive devices), as well as in civil applications (systems for technical and medical diagnostics).
Известно, что преобразователи излучения классификационно делятся на:It is known that radiation converters are classified into:
- класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию фотоприемника;- a class of photonic (quantum) photodetectors, in which the photon energy is converted into some primary reaction of the photodetector;
- класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента.- a class of thermal, in which the energy of photons is converted into heat, and the reaction of the photodetector occurs as a result of an increase in the temperature of the sensitive element.
Принципиальным недостатком фотонных фотоприемников является то обстоятельство, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны излучения (E=hc/λ где h - постоянная Планка; с - скорость света; λ - длина волны), что делает их применение невозможным при длинах волн более 20 мкм даже в случае криогенного охлаждения.The fundamental disadvantage of photonic photodetectors is the fact that the photon energy is inversely proportional to the radiation wavelength (E=hc/λ where h is Planck's constant; c is the speed of light; λ is the wavelength), which makes their use impossible at wavelengths greater than 20 μm even in the case of cryogenic cooling.
Тепловые фотоприемники имеют постоянную обнаружительную способность в диапазоне 1-2000 мкм, а в диапазоне 20-2000 мкм являются фактически единственным классом фотоприемных устройств, пригодных для практического применения (см. например Киес Р.Дж. и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов М. Радио и связь. 1985. стр. 64, рис. 2.22).Thermal photodetectors have a constant detectivity in the range of 1-2000 microns, and in the range of 20-2000 microns they are actually the only class of photodetectors suitable for practical use (see, for example, Kies R.J. et al. Photodetectors of the visible and IR ranges M. Radio and communication, 1985, page 64, figure 2.22).
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживают оптико-акустические приемники основанные на эффекте Белла-Тиндаля. Явление генерации акустических волн в замкнутом объеме газа под действием светового потока, модулированного вращающимся перфорированным диском, обнаружено в 1880 А.Г. Беллом и получило название опто-акустического эффекта. В 1881 это открытие было подтверждено в работах Дж. Тиндаля и В.К. Рентгена. (Tyndall J.II Proc. Roy. Soc. London. 1881. Vol. 31. P. 3-7-317). Этот эффект заключается в том, что в результате поглощения модулированного излучения возникают колебания температуры газа и его давления, а также акустические колебания, которые передаются гибкой мембране. Частота колебаний зависит от частоты модуляции потока, а интенсивность колебаний - от способности данного газа поглощать инфракрасную радиацию и от интенсивности радиации.In the class of thermal receivers, optoacoustic receivers based on the Bell-Tyndall effect deserve special attention. The phenomenon of generation of acoustic waves in a closed volume of gas under the action of a light flux modulated by a rotating perforated disk was discovered in 1880 by A.G. Bell and was called the opto-acoustic effect. In 1881, this discovery was confirmed in the works of J. Tyndall and V.K. X-ray. (Tyndall J.II Proc. Roy. Soc. London. 1881. Vol. 31. P. 3-7-317). This effect consists in the fact that as a result of the absorption of modulated radiation, fluctuations in the temperature of the gas and its pressure, as well as acoustic vibrations occur, which are transmitted to the flexible membrane. The oscillation frequency depends on the flow modulation frequency, and the intensity of the oscillations depends on the ability of a given gas to absorb infrared radiation and on the intensity of the radiation.
В 1936 г. Хейсу [Hayes, H.V., "A New Receiver of Radiant Energy". Rev. Sci. Instr. Vol. 7, No. 5, May 1936, pp. 202 to 205] удалось использовать эффект Белла-Тиндаля для принципиального усовершенствования классического газового термометра. Он поместил внутрь расширительной камеры специальный элемент, поглощающий исследуемое излучение, и применил принцип динамического конденсатора для отсчетной системы, что позволяло свести измерение деформации гибкой металлической мембраны к измерению электрической емкости.In 1936, Hayes, H.V., "A New Receiver of Radiant Energy". Rev. sci. Instr. Vol. 7, no. 5, May 1936, pp. 202 to 205] managed to use the Bell-Tyndall effect for a fundamental improvement of the classical gas thermometer. He placed a special element inside the expansion chamber that absorbs the radiation under study, and applied the principle of a dynamic capacitor to the reference system, which made it possible to reduce the measurement of the deformation of a flexible metal membrane to the measurement of electrical capacitance.
Оптико-акустические преобразователи являются одним из наиболее эффективных детекторов терагерцового излучения, работающих без охлаждения. Наиболее важными их достоинствами являются рекордно высокая среди тепловых приемников и постоянная обнаружительная способность в диапазоне 1-3000 мкм, простота и отсутствие высоких требований на точность изготовления. Однако одиночный детектор не позволяет получать изображение в реальном времени, так как требует сложных и дорогостоящих систем сканирования, а типичный размер входного окна традиционных оптико-акустических преобразователей составляет от 5 до 10 мм, что делает проблематичным их использование для получения изображений с приемлемым разрешением. Указанные недостатки могут быть устранены созданием матричного преобразователя с ячейками на базе одиночных оптико-акустических преобразователей, размеры которых сопоставимы с характерной рабочей длиной волны.Optoacoustic transducers are one of the most efficient detectors of terahertz radiation that operate without cooling. Their most important advantages are a record high among thermal receivers and a constant detectivity in the range of 1-3000 μm, simplicity and the absence of high requirements for manufacturing accuracy. However, a single detector does not make it possible to obtain an image in real time, since it requires complex and expensive scanning systems, and the typical size of the input window of traditional optical-acoustic transducers is from 5 to 10 mm, which makes it problematic to use them to obtain images with an acceptable resolution. These shortcomings can be eliminated by creating a matrix converter with cells based on single optical-acoustic converters, the dimensions of which are comparable to the characteristic operating wavelength.
Известно, что впервые в истории техники матричный ОАПИ с 61 ячейкой для спектрального диапазона 8-14 мкм был сконструирован Г. Залем и М. Голеем для обнаружения воздушных целей в декабре 1938 года. В открытой печати описание устройства появилось лишь в 1946 г. (Zahl Η, Golay Μ Pneumatic Heat Detector // The Review of Scientific Instruments, Volume 17. Number 11. 1946, P. 511-515). В основу устройства была положена оптико-акустическая ячейка Хейса. Корпус блока расширительных камер устройства представлял собой стальной диск в котором было выполнено 61 отверстия расположенные по гексагональной сетке. Торцы диска были подвергнуты оптической шлифовке. Залей и Голей заменили расположенный в расширительной камере Хейса поглощающий исследуемое излучение элемент, представлявший собой мелкодисперсную форму древесного угля - "fluff', элемент и занимавший большую часть полости, поглощающей пленкой металла. Новый теплопоглощающий элемент представлял собой коллодиевую пленку толщиной около 500 А с вакуумным напылением тонкого слоя сурьмы. Этим обеспечивалась малая теплоемкость поглотителя и тепловая развязка от стенок расширительной камеры. Блок детектирующих гибких мембран представлял собой латунную пластину с аналогичной системой отверстий. Соединения между блоками осуществлялись с помощью отдельных медных трубок. Все 61 отверстия расширительных камер перекрывались одной большой термопоглощающей пленкой. Детектирующая гибкая металлическая мембрана Хейса была заменена коллоидной пленкой толщиной приблизительно 300А, перекрывавшей все отверстия латунного блока. Система камер заполнялась ксеноном, обладающим низкой теплоемкостью и высокой теплопроводностью.It is known that for the first time in the history of technology, a matrix OAPI with 61 cells for the spectral range of 8-14 microns was designed by G. Zalem and M. Golay to detect air targets in December 1938. In the open press, a description of the device appeared only in 1946 (Zahl Η, Golay Μ Pneumatic Heat Detector // The Review of Scientific Instruments, Volume 17.
Известно техническое решение, представленное в инфракрасном детекторе на основе микроячеек Голея (патент США 7045784 В1, 2003, «Method and apparatus for micro-Golay cell infrared detectors». Детектор включает в себя массив микроканальных пластин, герметизирующую мембрану, гибкую мембрану, поглощающую ИК-среду и термически активную среду. Массив микроканальных пластин имеет верхнюю поверхность и нижнюю поверхность и включает стенки камер. Уплотнительная мембрана связана с массивом микроканальных пластин и способна герметизировать нижнюю поверхность. Гибкая мембрана связана с верхней поверхностью и способна деформироваться. ИК абсорбирующая среда связана с камерами и способна преобразовывать ИК излучение в тепло.Known technical solution presented in the infrared detector based on Golay microcells (US patent 7045784 B1, 2003, "Method and apparatus for micro-Golay cell infrared detectors". The detector includes an array of microchannel plates, a sealing membrane, a flexible membrane that absorbs IR The microchannel plate array has an upper surface and a lower surface and includes chamber walls A sealing membrane is connected to the microchannel plate array and is capable of sealing the lower surface A flexible membrane is connected to the upper surface and is deformable The IR absorbent medium is connected to the chambers and capable of converting infrared radiation into heat.
Недостатком известного технического решения является резкое снижение чувствительности устройства при создании многоэлементных матриц с ограниченными габаритными размерами (т.е. при уменьшении диаметра элементарной ячейки Голея).The disadvantage of the known technical solution is a sharp decrease in the sensitivity of the device when creating multi-element matrices with limited overall dimensions (ie, with a decrease in the diameter of the Golay unit cell).
Известно техническое решение, представленное в устройстве для визуализации инфракрасного излучения (Патент RU 2561338 «Устройство для визуализации инфракрасного излучения» МПК G01J 5/42, опубликован 27.08.2015 г.) Устройство включает в себя матричную структуру из ячеек Голея, представляющую собой плотноупакованную систему герметизированных рабочих камер, наполненных рабочим газом, внутри которой располагается поглощающая излучение тонкая металлическая пленка. Один торец матричной структуры закрыт входным окном для электромагнитного излучения с нанесенным на внешнюю сторону прозрачным просветляющим покрытием. Второй торец матричной структуры закрыт гибкой мембраной с тонким металлизированным проводящим слоем. На внутреннюю поверхность выходного окна нанесено прозрачное проводящее покрытие и тонкий слой электролюминофора. Прозрачное проводящее покрытие, слой электролюминофора и тонкий металлизированный проводящий слой гибкой мембраны образуют электролюминесцентный конденсатор. Рабочая камера выполнена в виде цилиндра с высотой цилиндра, равной его диаметру.Known technical solution presented in the device for visualization of infrared radiation (Patent RU 2561338 "Device for visualization of infrared radiation" IPC G01J 5/42, published 27.08.2015) The device includes a matrix structure of Golay cells, which is a close-packed system of sealed working chambers filled with working gas, inside of which there is a thin metal film absorbing radiation. One end of the matrix structure is closed by an input window for electromagnetic radiation with a transparent antireflection coating applied to the outer side. The second end of the matrix structure is closed by a flexible membrane with a thin metallized conductive layer. A transparent conductive coating and a thin layer of an electroluminophor are deposited on the inner surface of the exit window. A transparent conductive coating, an electroluminescent layer and a thin metallized conductive layer of a flexible membrane form an electroluminescent capacitor. The working chamber is made in the form of a cylinder with a cylinder height equal to its diameter.
Недостатком известно технического решения является резкое снижение чувствительности устройства при создании многоэлементных матриц с ограниченными габаритными размерами (т.е. при уменьшении диаметра элементарной ячейки Голея).The disadvantage of the known technical solution is a sharp decrease in the sensitivity of the device when creating multi-element matrices with limited overall dimensions (ie, with a decrease in the diameter of the Golay unit cell).
Известно техническое решение, представленное в матричном приемнике терагерцового излучения (Патент RU 2414688, «Матричный приемник терагерцового излучения», МПК G01J 5/42, опубликован 20.03.2011 г.), выбранное в качестве прототипа и в котором детально описываются конструкция, технология изготовления и метрологические характеристики неохлаждаемого матричного фотоприемного устройства, названного авторами термопневматическим микромеханическим преобразователем. Авторы приводят следующие параметры разработанного матричного термопневматического преобразователя размерностью 200×200:окно элементарной ячейки 100 и шаг 120 мкм. Мембранный слой состоял из пленки SiO2 толщиной 60-80 нм и отражающего слоя алюминия толщиной 10-15 нм. Суммарная толщина мембраны не превышала 100 нм. Время отклика - не более 30 мс. Температурная чувствительность на частоте 1 Гц - 0,15 К/Гц1/2, эквивалентная мощность шума на частоте 1 Гц с оптикой f/1 составила 1,1×10-8 Вт/ Гц1/2, модуль упругости мембраны 45-55 ГПа. Одним из основных путей повышения чувствительности термопневматического детектора, по мнению авторов, является уменьшение толщины мембранного слоя.Known technical solution presented in the matrix receiver of terahertz radiation (Patent RU 2414688, "Matrix receiver of terahertz radiation", IPC G01J 5/42, published on March 20, 2011), selected as a prototype and which describes in detail the design, manufacturing technology and metrological characteristics of an uncooled matrix photodetector, called by the authors a thermopneumatic micromechanical converter. The authors present the following parameters of the developed matrix thermopneumatic transducer with dimensions of 200×200: unit cell window 100 and step 120 µm. The membrane layer consisted of a SiO 2 film 60–80 nm thick and a
Недостатком известного технического решения является резкое снижение чувствительности устройства при создании многоэлементных матриц с ограниченными габаритными размерами (т.е. при уменьшении диаметра элементарной ячейки Голея).The disadvantage of the known technical solution is a sharp decrease in the sensitivity of the device when creating multi-element matrices with limited overall dimensions (ie, with a decrease in the diameter of the Golay unit cell).
Перед авторами ставилась задача создания матричного преобразователя для измерений потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона включая терагерцовое.The authors were faced with the task of creating a matrix converter for measuring the flux of electromagnetic radiation in the far infrared range, including terahertz radiation.
Поставленная задача решается тем, что в матричном преобразователе, основанном на матричной структуре из ячеек оптико-акустических преобразователей с динамическим конденсатором на наружном выходе представляющих собой плотноупакованную систему расширительных камер, наполненным рабочим газом, внутри каждой из которых располагается поглощающий излучение тонкая металлическая пленка, один торец матричной структуры является входным окном для электромагнитного излучения, а второй торец перекрыт гибким токопроводящим мембранным слоем, наложенного на подстилающий контактный слой золота, и образующим систему гибких токопроводящих мембран, герметизирующих расширительные камеры, и общей компенсационной камерой, внутри которой расположена переходная плата с неподвижыми электродами, образующая систему динамических конденсаторов с гибким токопроводящим мембранным слоем и сопряженных через индиевые столбики с сопряженной интегральной матрицей электронных усилителей в составе мультиплексора дополнительно над каждой расширительной камерой в гибком токопроводящем мембранном слое выполнена краевая сквозная микроперфорация, а гибкий токопроводящий мембранный слой выполнен из однослойного графена, при этом краевая сквозная микроперфорация выполнена с расстоянием между центрами отверстий перфорации не менее четырех диаметров этих отверстий, далее краевая сквозная микроперфорация выполнена однорядной либо многорядной.The problem is solved by the fact that in a matrix converter based on a matrix structure of cells of optical-acoustic converters with a dynamic capacitor at the outer output, which are a close-packed system of expansion chambers filled with a working gas, inside each of which there is a thin metal film absorbing radiation, one end of the matrix structure is an input window for electromagnetic radiation, and the second end is covered with a flexible conductive membrane layer superimposed on the underlying contact layer of gold, and forming a system of flexible conductive membranes sealing the expansion chambers, and a common compensation chamber, inside which there is a transition board with fixed electrodes, forming a system of dynamic capacitors with a flexible conductive membrane layer and coupled through indium columns with a coupled integral matrix of electronic amplifiers as part of an additional multiplexer o above each expansion chamber in the flexible conductive membrane layer, an edge through microperforation is made, and the flexible conductive membrane layer is made of single-layer graphene, while the edge through microperforation is made with a distance between the centers of the perforation holes of at least four diameters of these holes, then the edge through microperforation is made in a single row or multiline.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в реализации возможности анализа пространственного распределения дальнего ИК и терагерцового излучения низкой интенсивности в реальном масштабе времени, повышением чувствительности преобразователя, а также расширением ассортимента средств данного назначения.The technical effect of the proposed device consists in realizing the possibility of analyzing the spatial distribution of far infrared and low-intensity terahertz radiation in real time, increasing the sensitivity of the transducer, and expanding the range of tools for this purpose.
Кроме того, технический результат позволяет снизить весогабаритные характеристики устройства, упрощает конструкцию, снижает стоимость изготовления.In addition, the technical result makes it possible to reduce the weight and size characteristics of the device, simplifies the design, and reduces the manufacturing cost.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого матричного преобразователя, где 1 - просветляющее покрытие, 2 - входное окно, 3 - тонкая металлическая пленка, 4- подстилающий контактный слой золота; 5 - гибкий токопроводящий мембранный слой, 6 - неподвижные электроды, 7 -мультиплексор, 8 - сопряженная интегральная матрица электронных усилителей, 9 - переходная плата, 10 - наружный вывод, 11 - расширительная камера, 12 - анализируемое электромагнитное излучение, 13 - компенсационная камера, 14 - индиевые микростолбики.In FIG. 1 shows a block diagram of the inventive matrix converter, where 1 is an antireflection coating, 2 is an input window, 3 is a thin metal film, 4 is an underlying gold contact layer; 5 - flexible conductive membrane layer, 6 - fixed electrodes, 7 - multiplexer, 8 - conjugated integral matrix of electronic amplifiers, 9 - adapter board, 10 - outer output, 11 - expansion chamber, 12 - analyzed electromagnetic radiation, 13 - compensation chamber, 14 - indium micropillars.
На фиг. 2 показано увеличение прогиба и выполаживание профиля прогиба SLG гибкого токопроводящего мембранного слоя за счет краевой сквозной микроперфорации а) прогиб гибкого токопроводящего мембранного слоя без краевой сквозной микроперфорации б) прогиб гибкого токопроводящего мембранного слоя с краевой сквозной микроперфорацией, где 5 - гибкий токопроводящий мембранный слой, 11 - расширительная камера, 15 - краевая сквозная микроперфорация.In FIG. Figure 2 shows the increase in deflection and flattening of the deflection profile SLG of a flexible conductive membrane layer due to edge through microperforation a) deflection of a flexible conductive membrane layer without edge through microperforation b) deflection of a flexible conductive membrane layer with edge through microperforation, where 5 is a flexible conductive membrane layer, 11 - expansion chamber, 15 - edge through microperforation.
Принцип работы заявляемого матричного преобразователя следующий. Матричный преобразователь представляет собой гибридную конструкцию, состоящую из оптико-акустической фотоприемной матрицы и сопряженной с ней, с помощью индиевых столбиков, стандартной кремниевой микросхемой такой же размерности, выполняющей функции накопления, усиления и коммутации фотосигнала. Конструкция неохлаждаемого матричного оптико-акустического преобразователя с перфорированной SLG мембраной представлена на Фиг. 1.The principle of operation of the proposed matrix converter is as follows. The matrix converter is a hybrid design consisting of an optical-acoustic photodetector matrix and coupled with it, using indium columns, a standard silicon microcircuit of the same dimension, which performs the functions of accumulating, amplifying and switching the photosignal. The design of an uncooled matrix optoacoustic transducer with a perforated SLG membrane is shown in Fig. one.
Анализируемое электромагнитное излучение 12 проходит через входное окно 2, выполненное из прозрачного в исследуемом диапазоне длин волн материала, отсекающего коротковолновую часть спектра, имеющее просветляющее покрытие 1 на наружной плоскости, проникает в плотноупакованную систему расширительных камер 11, выполненных из фотоситалла и наполненных рабочим газом, внутри каждой из которых располагается поглощающий электромагнитное излучение тонкая металлическая пленка 3 с малой теплоемкостью (висмут, свинец), и поглощается в тонкой металлической пленке 3, расположенной параллельно входному окну 2, и нагревая ее.The analyzed
Гибкий токопроводящий мембранный слой 5, образующий систему гибких токопроводящих мембран, и герметизирующий расширительные камеры 11, и расположен между расширительными камерами 11 и общей компенсационной камерой 13 выполняется как единый лист SLG графена (однослойного), наложенного на подстилающий контактный слой золота 7. Дополнительно над каждой расширительной камерой 11 в гибком токопроводящем мембранном слое 5 выполнено краевая сквозная микроперфорация 15 (Фиг. 2). Краевая сквозная микроперфорация 15 выполнена с расстоянием между центрами отверстий микроперфорации не менее четырех диаметров этих отверстий, при этом краевая сквозная микроперфорация 15 может быть выполнена однорядной либо многорядной. Герметизация расширительных камер 11 «краевая заделка микромембран» осуществляется за счет сил Ван дер Ваальса. Нагретая поглощающая тонкая металлическая пленка 3 нагревает газ, заполняющий расширительную камеру 11. Увеличение давления в расширительной камере 11 за счет теплового расширения газа приводит к прогибу гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 и увеличению емкости динамического конденсатора на наружном выходе 10, образованного гибким токопроводящим мембранным слоем 5 и неподвижными электродами 6, конструктивно выполненного как элементы переходной платы 9. Изменение емкости динамического конденсатора приводит к изменению электрического потенциала затвора входного каскада сопряженного интегральной матрицы электронных усилителей 8 в составе мультиплексора 7 и появлению на выходе усилителя электрического сигнала пропорционального прогибу гибкого токопроводящего мембранного слоя 5. Термо и барокомпенсация внешних условий и сброс давления в расширительных камерах 11 при перекрытом входном потоке анализируемого электромагнитного излучения 12 осуществляется путем соединения расширительных камер 11 и компенсационной камеры 13 через краевую сквозную микроперфорацию 15 гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 выполненного из однослойного графена. Таким образом, пространственное распределение электромагнитной энергии преобразуется в совокупность электрических сигналов на выходе сопряженной интегральной матрицы электронных усилителей 8.The flexible
Выбор конструктивной схемы считывания информации о гибком токопроводящем мембранном слое 5 определяется оптическими свойствами и электропроводностью графена. Графен прозрачен во всем диапазоне длин волн видимого света и ближней части ИК-излучения и является наиболее электропроводящим из известных материалов. Именно сочетание этих свойств является решающим при выборе конденсаторной (Хейсовской) схемы считывания.The choice of a constructive scheme for reading information about the flexible
Проведенные оценки показывают, что применение гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 из SLG графенов позволяет создать оптоакустические преобразователи излучения с ячейками порядка десятков микрон при сохранении предельно высокой чувствительности, сопоставимой с устройствами с большой апертурой. Существует принципиальное ограничение, которое практически исключает построение классических голеевских матриц с большой размерностью. Известно, что величина прогиба δ центра гибкого токопроводящего мембранного слоя 5, закрепленного по контуру, при малых перемещениях под действием давления Ρ вычисляется по формуле:The estimates show that the use of a flexible
где R - рабочий радиус гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 (по контуру закрепления); h - толщина гибкого токопроводящего мембранного слоя 5; Ε, μ - модуль упругости (с размерностью кГс/см2) и коэффициент Пуассона материала гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 соответственно.where R is the working radius of the flexible conductive membrane layer 5 (along the fastening contour); h is the thickness of the flexible
Из приведенного выражения следует, что уменьшение размеров чувствительных элементов сопровождается катастрофическим падением чувствительности.It follows from the above expression that a decrease in the size of the sensitive elements is accompanied by a catastrophic drop in sensitivity.
Классификационно, в зависимости от технической реализации системы отсчета прогиба гибкого токопроводящего мембранного слоя, в настоящее время, можно выделить два типа приемников - приемник Хейса с динамическим микрофоном и приемник Голея с оптической системой считывания. Гибкий токопроводящий мембранный слой, как для приемников Хейса так и для приемников Голея, должны быть газонепроницаемыми и обладать высокой разрывной прочностью и низкой изгибной жесткостью.Classifying, depending on the technical implementation of the reference system for the deflection of a flexible conductive membrane layer, at present, two types of receivers can be distinguished - a Hayes receiver with a dynamic microphone and a Golay receiver with an optical reading system. The flexible conductive membrane layer, for both Hayes and Golay receivers, must be gas-tight and have high tensile strength and low bending stiffness.
Принципиальное различие в конструкциях гибкого токопроводящего мембранного слоя состоит в том, что для приемников Хейса мембраны должны обладать металлической проводимостью и иметь электрический вывод, а мембраны приемников Голея должны иметь отражающее покрытие. Эволюция конструкций мембран проходила в направлении последовательного перехода от металлических мембран из дюралюминия, серебра, никеля, легированных титановых сплавов ВТ16 или ВТ35, толщиной 0,1-0,15 мм к полимерным мембранам (полиметилметакрилат РММА) толщиной несколько десятков нм, покрытых отражающим слоем серебра или сурьмы толщиной порядка 100А и широко применяемым в микроэлектронике тонким пленкам нитрида кремния.The fundamental difference in the designs of a flexible conductive membrane layer is that for Hayes receivers, the membranes must have metallic conductivity and have an electrical lead, while the membranes of Golay receivers must have a reflective coating. The evolution of membrane designs took place in the direction of a sequential transition from metal membranes made of duralumin, silver, nickel, alloyed titanium alloys VT16 or VT35, 0.1-0.15 mm thick, to polymer membranes (polymethyl methacrylate PMMA) several tens of nm thick, coated with a reflective layer of silver or antimony with a thickness of about 100 A and thin films of silicon nitride widely used in microelectronics.
Известно, что графен обладает множеством уникальных физических свойств. Выделим только те из них, которые являются определяющими при конструировании гибких мембран ОАПИ.Graphene is known to have many unique physical properties. Let us single out only those of them that are decisive in the design of flexible membranes of the OAPI.
1. Толщина одного слоя графена составляет 0,355 нм, он является самым тонким из известных пленочных материалов. Этим в первую очередь в определяется предельная чувствительность мембранных преобразователей.1. The thickness of one layer of graphene is 0.355 nm, it is the thinnest known film material. This primarily determines the limiting sensitivity of membrane transducers.
2. Имеет высокую механическую прочность: она соответствует так называемой «теоретической прочности бездефектного твердого тела» и в настоящее время является рекордной (модуль Юнга Ε - порядка 1 ТПа). В своем бездефектном виде графен демонстрирует рекордную прочность на растяжение (≈130 ГПа).2. Has a high mechanical strength: it corresponds to the so-called "theoretical strength of a defect-free solid" and is currently a record (Young's modulus Ε - about 1 TPa). In its defect-free form, graphene exhibits a record tensile strength (≈130 GPa).
3. Имеет превосходные упругие свойства (максимальная степень упругой деформации составляет ≈25%) и в то же время имеет нулевую жесткость на изгиб.3. It has excellent elastic properties (the maximum elastic deformation rate is ≈25%) and at the same time it has zero bending stiffness.
4. Однослойный графен характеризуется отсутствием гистерезиса при повторных циклах нагружения.4. Single-layer graphene is characterized by the absence of hysteresis during repeated loading cycles.
5. Однослойный графен характеризуется уникальным сочетанием прочностных и эластичных свойств.5. Single-layer graphene is characterized by a unique combination of strength and elasticity properties.
6. Обладает очень высокими адгезивными свойствами за счет сил Ван дер Ваальса. Адгезионная сила между графеном и подложкой на несколько порядков больше, чем в обычных микромеханических структурах Еа=0.3 Дж/м2, что объясняется гибкостью графена и его способностью "подстраиваться" под топологию подложки.6. Has very high adhesive properties due to van der Waals forces. The adhesive force between graphene and the substrate is several orders of magnitude greater than in conventional micromechanical structures, E a = 0.3 J/m 2 , which is explained by the flexibility of graphene and its ability to "adjust" to the topology of the substrate.
7. Обладает рекордно высокой электропроводностью.7. Has a record high electrical conductivity.
8. Обладает практически полной прозрачностью (Т≈98%).8. It has almost complete transparency (T≈98%).
9. Обладает непроницаемостью для газов (в том числе и для гелия).9. Possesses impermeability to gases (including helium).
10. Поверхностная плотность графена рекордно низкая (0,77 мг/м2), что определят предельно низкую инерционность мембраны. Перечисленные параметры свидетельствуют о том, что однослойный графен (SLG) является идеальным материалом для изготовления гибкого токопроводящего мембранного слоя, в первую очередь из-за его высокой прочности, атомной толщины, высокой прочности и высокой электропроводности.10. The surface density of graphene is record low (0.77 mg/m 2 ), which will determine the extremely low inertia of the membrane. These parameters indicate that single-layer graphene (SLG) is an ideal material for fabricating a flexible conductive membrane layer, primarily because of its high strength, atomic thickness, high strength, and high electrical conductivity.
Низкая жесткость на изгиб имеет решающее значение для чувствительности к отклонению в ответ на изменения температуры газа, заключенного в расширительной камере устройства, а высокая электропроводность гибкого токопроводящего мембранного слоя упрощает конструкцию динамического конденсатора.The low bending stiffness is critical to the sensitivity to deflection in response to changes in the temperature of the gas contained in the expansion chamber of the device, and the high electrical conductivity of the flexible conductive membrane layer simplifies the design of the dynamic capacitor.
Результаты расчетов показывают, что составляющая чувствительности обусловленная физическими свойствами материала (Ε, μ) для всех классических мембран, изготовленных из серебра, полиметилметакрилата и нитрида кремния превышает чувствительности мембран, изготовленных из графенов. Однако если учесть геометрическую составляющую чувствительности (R, h) и принять, что отношение толщин мембран из полиметилметакрилата и графена равным 100 и учесть, что толщин мембраны входит в выражение чувствительности как 1/h3, то сравнительное повышение чувствительности для графена (С)6 составит порядка 9000.The calculation results show that the sensitivity component due to the physical properties of the material (Ε, μ) for all classical membranes made of silver, polymethyl methacrylate and silicon nitride exceeds the sensitivity of membranes made of graphenes. However, if we take into account the geometric component of sensitivity (R, h) and assume that the ratio of the thicknesses of membranes made of polymethyl methacrylate and graphene is equal to 100 and take into account that the thickness of the membrane is included in the sensitivity expression as 1/h 3 , then a comparative increase in sensitivity for graphene (С) 6 will be about 9000.
Еще одним способом повышения чувствительности является краевая сквозная микроперфорация 15 графенового гибкого токопроводящего мембранного слоя 5. Краевая сквозная микроперфорация 15 переводит гибкий токопроводящий мембранный слой 5 в квазигофрированный и обеспечивает достижение следующих целей:Another way to increase sensitivity is the edge through
1. Сквозные микроотверстия в гибком токопроводящем мембранном слое обеспечивают выравнивание градиента давления между расширительной и компенсационной камерами для осуществления термо и барокомпенсации и позволяют отказаться от выполнения капиллярного компенсационного канала используемого в ИК приемниках, что значительно упрощает конструкцию матричного оптико-акустического преобразователя.1. Through micro-holes in the flexible conductive membrane layer provide equalization of the pressure gradient between the expansion and compensation chambers for thermal and baro-compensation and make it possible to refuse from the implementation of the capillary compensation channel used in IR receivers, which greatly simplifies the design of the matrix optical-acoustic transducer.
2. Краевая сквозная микроперфорация, действуя как краевая гофра, значительно увеличивает прогиб гибкого токопроводящего мембранного слоя при заданном давлении за счет локального уменьшения ее жесткости.2. The edge through microperforation, acting as an edge corrugation, significantly increases the deflection of the flexible conductive membrane layer at a given pressure due to a local decrease in its rigidity.
3. Краевая сквозная перфорация приводит к выполаживанию профиля прогиба гибкого токопроводящиого мембранного слоя, увеличивая емкость динамического конденсатора (Фиг. 2).3. Edge through perforation leads to a flattening of the deflection profile of the flexible conductive membrane layer, increasing the capacitance of the dynamic capacitor (Fig. 2).
Отверстия микроперфорации в листе гибкого токопроводящего мембранного слоя 5, выполненного в виде графена делают в два этапа. На первом этапе графен бомбардируют ионами галлия с энергией, достаточной, чтобы нарушить его структуру в местах попадания. Затем гибкой токопроводящий мембранный слой 5 погружают в окислитель, который разрушает графен прежде всего в местах дефектов - в листе появляются круговые отверстия примерно одинакового размера. Диаметр каждого из них составляет порядка одного нанометра и может увеличиваться с увеличением времени травления, достигая 10 нм. Для сохранения прочностных характеристик материала расстояние между центрами отверстий должно быть не менее четырех диаметров. Краевая микроперфорация может выполняться как однорядной, так и многорядной.Microperforation holes in the sheet of flexible
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020132807A RU2764397C1 (en) | 2020-10-05 | 2020-10-05 | Matrix converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020132807A RU2764397C1 (en) | 2020-10-05 | 2020-10-05 | Matrix converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2764397C1 true RU2764397C1 (en) | 2022-01-17 |
Family
ID=80040450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020132807A RU2764397C1 (en) | 2020-10-05 | 2020-10-05 | Matrix converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2764397C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7045784B1 (en) * | 2003-12-18 | 2006-05-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus for micro-Golay cell infrared detectors |
| US7745792B2 (en) * | 2007-08-15 | 2010-06-29 | Morpho Detection, Inc. | Terahertz detectors for use in terahertz inspection or imaging systems |
| RU2414688C1 (en) * | 2010-03-23 | 2011-03-20 | Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный университет (НГУ) | Terahertz radiation matrix receiver |
| RU2561338C1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Infrared radiation visualisation device |
-
2020
- 2020-10-05 RU RU2020132807A patent/RU2764397C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7045784B1 (en) * | 2003-12-18 | 2006-05-16 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus for micro-Golay cell infrared detectors |
| US7745792B2 (en) * | 2007-08-15 | 2010-06-29 | Morpho Detection, Inc. | Terahertz detectors for use in terahertz inspection or imaging systems |
| RU2414688C1 (en) * | 2010-03-23 | 2011-03-20 | Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Новосибирский государственный университет (НГУ) | Terahertz radiation matrix receiver |
| RU2561338C1 (en) * | 2014-06-16 | 2015-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук (ИАиЭ СО РАН) | Infrared radiation visualisation device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8242446B2 (en) | Thermal detector | |
| CN105891609B (en) | A kind of preparation method of thermomechanical formula electromagnetic radiation detector | |
| US7705307B1 (en) | Thermal displacement-based radiation detector of high sensitivity | |
| US20050082480A1 (en) | Infrared camera system | |
| EP1045232B1 (en) | Infrared sensor and method of manufacturing the same | |
| WO2015109678A1 (en) | Uncooled focal plane array for ir and thz imaging | |
| Grbovic et al. | Arrays of SiO2 substrate-free micromechanical uncooled infrared and terahertz detectors | |
| CN111060466A (en) | Portable optical gas sensor | |
| US10483416B2 (en) | Medium wave infrared (MWIR) and long wavelength infrared (LWIR) operating microbolometer with raised strut design | |
| RU2764397C1 (en) | Matrix converter | |
| US5977544A (en) | Uncooled infrared photon detector and multicolor infrared detection using microoptomechanical sensors | |
| Wang et al. | Fabrication and parameters calculation of room temperature terahertz detector with micro-bridge structure | |
| US7485870B2 (en) | Pneumatic infrared detector | |
| EP0957347A2 (en) | Radiation detector | |
| JP3287729B2 (en) | Radiation detector | |
| US20240065103A1 (en) | Thermoelectric conversion element, thermoelectric conversion element array, infrared sensor, and method for manufacturing thermoelectric conversion element | |
| RU2746095C1 (en) | Infrared and thz radiation optical acoustic receiver | |
| Rogalski | Novel uncooled infrared detectors | |
| RU2782352C1 (en) | TUNNEL HELIUM-GRAPHENE OPTOACOUSTIC RECEIVER OF INFRARED AND THz EMISSION | |
| Gibin et al. | Optical-acoustic detectors of IR and THz radiation with nano-electro-mechanical elements based on single-layer graphene | |
| Jiao et al. | A novel opto-mechanical uncooled infrared detector | |
| RU2682556C1 (en) | Infrared and terahertz radiation high-precise detector array | |
| Khafizov et al. | Bolometric Focal Plane Arrays with High Operating Speed | |
| Datskos | Micromechanical uncooled photon detectors | |
| CN113363335A (en) | Infrared sensor |