Чувствительный элемент пироэлектрического преобразователя

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к устройствам регистрации и измерения электромагнитного излучения и может быть использовано как приемник для обнаружения и формирования инфракрасного излучения в тепловизионных приборах. Технический результат - расширение номенклатуры чувствительных элементов (сегнетоэлектрических конденсаторов) пироэлектрических преобразователей, повышение виброустойчивости и технологичности их изготовления.

Для этого в чувствительном элементе пироэлектрического преобразователя, состоящим из проводящих пластин и помещенного между ними разделяющего их материала, согласно полезной модели, материал представляет собой пленочный нанокомпозитный сегнетоэлектрик, который выполнен в виде пленки из полимерного химически стойкого материала толщиной 0,5-0,01 мм, имеющей цилиндрические отверстия одинакового диаметра от 0,03 мкм до 1 мкм и равномерно распределенные по поверхности пленки с плотностью распределения от 10⁵ до 10⁹ на см², при этом отверстия заполнены веществом, обладающим сегнетоэлектрической активностью.

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к устройствам регистрации и измерения электромагнитного излучения и может быть использовано в приемнике обнаружения и формирования инфракрасного излучения в тепловизионных приборах.

Основным элементом пироэлектрического преобразователя является чувствительный элемент, который конструктивно выполнен в виде конденсатора различной конструкции.

На фиг.1 (а, б, в, г) показаны различные варианты исполнения чувствительного элемента: в виде плоского конденсатора (а), сферического конденсатора (б), конуса (в), плоского с зеркальной полусферой (г). Отдельные элементы могут набираться в приемную матрицу (д), которую получают разрезанием монокристалла или пленки [1], [2].

Между проводящими обкладками (1) конденсатора, к которым присоединены токовыводы, находится слой сегнетоэлектрического материала (2). Для повышения чувствительности электрод, обращенный в сторону падающего излучения F, покрыт слоем поглощающей излучение черни (на фигуре не показано).

Падающее на электрод излучение F приводит к нагреву сегнетоэлектрического материала (2), что вызывает его поляризацию. Возникающая на обкладках (1) конденсатора разность потенциалов регистрируется усилителем (3).

В качестве сегнетоэлектрического материала используется кристаллы семейства триглицинсульфата (ТГС), группа керамики BaTiO ₃ и ее производных кристаллы ниобата и танталата лития (LiNbO₃, LiTaO₃), некоторые виды керамики ЦТС, пленочные сегнетоэлектрики и композитные материалы [3]-[11].

Недостатком приведенных пироэлектрических приемников (конденсаторов) является множественность технологических операций при изготовлении. Для монокристаллов это выращивание и порезка, пленочные материалы получают или напылением, или по керамической технологии. В обоих случаях возникают значительные технологические трудности при изготовлении конденсаторов, имеющих форму, отличную от планарной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сегнетоэлектрический планарный конденсатор (чувствительный элемент пироэлектрического преобразователя), приведенный в [12], принятый за прототип.

На фиг.2 представлен общий вид конденсатора-прототипа, где обозначено: 1 - диэлектрическая положка; 2 - электроды; 3 - слой того же кристалла.

Сегнетоэлектрический планарный конденсатор содержит диэлектрическую подложку 1 из молекулярного сегнетоэлектрического кристалла и сформированные на ней электроды 2, подложка 1 покрыта слоем 3 того же кристалла, при этом поверхность подложки предварительно обработана раствором, содержащим свободные молекулы с большим электрическим дипольным моментом, например, молекулы глицина.

Пластина кристалла ТГС распускается на две половины вдоль. На одну из половин кристалла наносятся планарные электроды 2, например в виде встречных гребенок. Обрабатывают эту поверхность кристалла с электродами раствором, содержащим, например, свободные молекулы глицина. Накрывают второй половиной кристалла и скрепляют.

Недостатками конденсатора-прототипа являются:

- низкая технологичность изготовления, связанная с выращиванием монокристалла, резкой его на отдельные ячейки;

- низкая пороговая чувствительность, которая определяется минимальным размером приемной площадки; получение же из монокристалла площадок менее 1 мм весьма трудоемкая операция и как следствие - неодинаковая чувствительность по всей рабочей площадке элемента, а также

- низкая виброустойчивость, слой монокристаллического сегнетоэлектрика должен быть как можно более тонким, менее 50 мкм. Такие пластины, вырезанные из монокристалла, являются весьма хрупкими.

Задачей предлагаемой полезной модели является расширение номенклатуры чувствительных элементов (сегнетоэлектрических конденсаторов) пироэлектрических преобразователей, повышение виброустойчивости и технологичности изготовления.

Для решения поставленной задачи в чувствительном элементе пироэлектрического преобразователя пироэлектрического преобразователя, состощим из проводящих пластин и помещенного между ними разделяющего их материала, согласно полезной модели, материал представляет собой пленочный нанокомпозитный сегнетоэлектрик, который выполнен в виде пленки из полимерного химически стойкого материала толщиной 0,5-0,01 мм, имеющей цилиндрические отверстия одинакового диаметра от 0,03 мкм до 1 мкм и равномерно распределенные по поверхности пленки с плотностью распределения от 10⁵ до 10 ⁹ на см², при этом отверстия заполнены веществом, обладающим сегнетоэлектрической активностью.

На фиг.3 представлена схема предлагаемого чувствительного элемента пироэлектрического преобразователя, содержащего верхнюю и нижнюю проводящие пластины, между которыми расположен слой пленочного нанокомпозитного диэлектрического материала.

Материал представляет собой нанокомпозитный сегнетоэлектрик, который выполнен в виде пленки из полимерного химически стойкого материала толщиной 0,5-0,01 мм, имеющего цилиндрические отверстия одинакового диаметра от 0,03 мкм до 1 мкм и равномерно распределенные по поверхности пленки с плотностью распределения от 10⁵ до 10 ⁹ на см², при этом отверстия заполнены веществом, обладающим сегнетоэлектрической активностью.

В качестве вещества могут быть использованы сегнетоэлектрическая пьезокерамика, сегнетоэлектрические жидкие кристаллы или сегнетоэлектрические монокристаллы.

При изготовлении матрицы из предлагаемых чувствительных элементов отпадает необходимость резки на отдельные площадки, т.к. области, обладающие пироэлектрической активностью, разделены диэлектрическим материалом полимера, электрически не связаны друг с другом и процесс переполяризации в каждой отдельной ячейке, заполненной сегнетоэлектриком, происходит независимо от других ячеек. С учетом малого размера отдельной ячейки (до 0.03 мкм), мы получаем более высокое быстродействие, чем в монокристаллах, которое может составлять порядка 10^-11 секунд. Это является большим преимуществом при управлении видеоимпульсами напряжения.

Предлагаемый чувствительный элемент имеет повышенную виброустойчивость за счет прочностных и упруго эластичных свойств пленки из полимерного материала, а также равномерную чувствительность по всей рабочей площади элемента, может быть изготовлен меньшего размера и достаточно сложной, (отличной от планарной) формы, что позволяет размещать его на поверхностях любой формы и в труднодоступных местах. Кроме того, упрощается технология изготовления чувствительного элемента.

Источники информации

[1] Новик В.К., Н.Д. Гаврилова, Н.Б.Фельдман Пироэлектрические преобразователи. М. «Советское радио» 1979, 177 С.

[2] Кременчугский Л.С. Сегнетоэлектрические приемники излучения. Киев, «Наукова думка» 1971, 234 С.

[3] М.Лайне, А.Гласс. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы. Мир, М. (1981). 736 С.

[4] Д.Барфут, Д.Тейлор. Полярные диэлектрики и их применение. Мир, М. (1981). 526 С.

[5] Патент РФ 2266585.

[6] Заявка на изобретение 93036965.

[7] Патент РФ 2260875.

[8] Патент РФ 1503533.

[9] Патент РФ 2136017.

[10] Патент РФ 2345440.

[11] Патент РФ 2207356.

[12] Патент РФ 72573-прототип.

[13] Патент РФ 2271046.

1. Чувствительный элемент пироэлектрического преобразователя, состоящий из проводящих пластин и помещенного между ними разделяющего их материала, отличающийся тем, что материал представляет собой пленочный нанокомпозитный сегнетоэлектрик, который выполнен в виде пленки из полимерного химически стойкого материала толщиной 0,5-0,01 мм, имеющей цилиндрические отверстия одинакового диаметра от 0,03 мкм до 1 мкм и равномерно распределенные по поверхности пленки с плотностью распределения от 10⁵ до 10 ⁹ на см², при этом отверстия заполнены веществом, обладающим сегнетоэлектрической активностью.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества использована сегнетоэлектрическая пьезокерамика.

3. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества использованы сегнетоэлектрические жидкие кристаллы.

4. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что в качестве вещества использованы сегнетоэлектрические монокристаллы.