Многоэлементный тепловой приемник на основе пленки vox
Изобретение относится к области оптоэлектроники. Тепловой приемник содержит герметичный корпус, выполненный в виде уплощенного прямоугольного металлостеклянного тела, состоящего из основания с выводами, которые электрически соединены с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, и крышки с прозрачным окном, перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительными элементами, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл (например, пленки диоксида ванадия), в виде мозаики, заполняющих приемную площадку приемника, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки. На обратной стороне подложки расположены пленочный нагреватель с компенсационным элементом подобный по форме термочувствительным элементам, соединенные с контактными площадками обратной стороны подложки. На плоскости приемной площадки установлены 37 термочувствительных элемента, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом размещение элементов по вертикалям выполнено следующим образом: на центральной линии симметрии-7 элементов, на ближайших к ней линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента, нагреватель выполнен из 37 резистивных элементов по форме и по расположению аналогичным термочувствительным элементам и последовательно соединенных между собой проводящей лентой. Технический результат - повышение зонной чувствительности многоэлементного приемника с сохранением автономности работы и идентичности параметров каждого термочувствительного элемента (измерительного канала) за счет равного шага между элементами.
Полезная модель относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения (например, непрерывной мощности, энергии однократных импульсов, профильного распределения интенсивности излучения).
Основные требования, предъявляемые к приемникам излучения для измерения пространственно - энергетических параметров лазерного излучения приведены в работе (Котюк А.Ф. Задача совершенствования отечественной системы обеспечения единства измерений величин и параметров, характеризующих лазерное излучение / А.Ф. Котюк, А.А. Либерман, М.В. Улановский // Лазер-информ. 2004. 
15-16. С. 4-11.), а именно:
- одновременно измерять все параметры пучка, характеризующие его профиль в целом;
- измерять параметры пучков как непрерывных, так и импульсных лазеров во всем диапазоне длин волн лазерного излучения;
- измерять в широком диапазоне длин волн с высокой точностью интенсивностей лазерного излучения.
- обеспечивать пространственную разрешающую способность порядка 1 мкм при измерении распределения интенсивности в фокальном пятне.
В зависимости от области применения тепловых приемников, используемых для формирования инфракрасных изображений, или измерения энергетических характеристик лазерного излучения, существуют различные направления в развитии конструкции многоэлементных приемников (Олейник А.С. Методы контроля инфракрасного излучения: Монография / А.С. Олейник. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2014. 164 с).
Отличительными особенностями известных высокочувствительных многоэлементных микроболометрических приемников являются малые площади чувствительных элементов, тонкопленочное многослойное исполнение всех функциональных составляющих, высокая степень термоизоляции каждого элемента от базового кристалла посредством вывешивания термочувствительного элемента на длинных и узких ножках.
Отличительными особенностями многоэлементных тепловых приемников, используемых для измерения энергетических параметров лазерного излучения, являются малые площади термочувствительных элементов, которые размещены на тонкой диэлектрической подложке.
Известна конструкция теплового приемника (Пат. 2227905 РФ МПК G01J 5/20 Тепловой приемник излучения / А.С. Олейник, М.В. Орехов. Опубл. 27.04.2004 Бюл. 12), содержащая корпус с входным окном, участки которого имеют различный коэффициент ослабления для регистрируемого излучения, в стенке корпуса установлено опорное кольцо, на котором размещена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительными элементами, на обратной стороне которой размещен пленочный нагреватель и пленочный термодатчик, к кольцу примыкает печатная плата модуля схемы управления с регулятором, выполненным в виде помещенных друг под другом печатных плат, соединенных между собой металлическими штырями, контактирующими с корпусом.
Недостатком приемника являются большие объемно-весовые показатели конструкции, отсутствие круговой симметрии в расположении термочувствительных элементов на площади приемной площадки, и недостаточное число элементов, что снижает точность анализа распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча.
Наиболее близким к полезной модели является тепловой приемник оптического излучения (Пат. 2397458 РФ Тепловой приемник. / А.С. Олейник, А.Ф. Федоров; опубл. 20.08.2010 г. Бюл. 23), выполненный в виде уплощенного прямоугольного металлостеклянного тела, состоящего из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками, расположенными по периметру подложки, и крышки с окном, термочувствительные элементы ориентированы на плоскости приемной площадки в виде мозаики из элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью на одинаковую величину, от центра круга, равную удвоенному размеру элемента, по сравнению с предыдущей, при этом термочувствительные элементы на каждой окружности расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, а минимально допустимое расстояние между соседними элементами равно размеру элемента, вне приемной площадки распложен компенсационный элемент.
Недостатком приемника являются невысокий коэффициент заполнения термочувствительными элементами площади приемной площадки приемника. Термочувствительные элементы не равномерно заполняют площадь приемной площадки, что снижает точность анализа распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча.
Задачей настоящей полезной модели является повышение точности измерения пространственно-энергетических характеристик оптического излучения.
Техническим результатом является повышение зонной чувствительности многоэлементного приемника с сохранением автономности работы и идентичности параметров каждого термочувствительного элемента (измерительного канала) за счет равного шага между элементами.
Это достигнуто за счет расположения термочувствительных элементов квадратной формы с электродами на плоскости круговой приемной площадки подложки в виде 37 термочувствительных элемента в форме квадратов на равном расстоянии друг от друга, при этом расположение элементов по вертикалям выполнено следующим образом: на центральной линии симметрии - 7 элементов, на ближайших к ней линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента, нагреватель выполнен из 37 резистивных элементов по форме и по расположению аналогичным термочувствительным элементам и последовательно соединенных между собой проводящей лентой.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается равномерным заполнением термочувствительными элементами квадратной формы круговой приемной площадки приемника с максимальной плотностью, при этом расстояние между элементами равно размеру элемента (что обеспечивает автономность функционирования каждого элемента). Это достигнуто за счет мозаики из 37 термочувствительных элементов квадратной формы с электродами, с постоянным шагом между элементами, занимающих площадь приемной площадки приемника.
Предлагаемое техническое решение (полезная модель) поясняется чертежами:
На фиг. 1 показан общий вид приемника.
На фиг. 2 поперечный разрез приемника.
На фиг. 3 показана топология термочувствительных элементов с сигнальными и общими электродами, расположенными на площади круговой приемной площадки теплового приемника.
На фиг. 4 показана топология пленочного нагревателя, расположенного на обратной стороне подложки под термочувствительным слоем.
На фиг. 5 приведена гистерезисная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO 2 толщиной 60 нм от температуры.
Тепловой приемник излучения (фиг. 1, 2) содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2 с входным окном 3, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, например, из BaF 2. Основание корпуса 1 имеет позолоченные выводы 4. На основании корпуса 1 с помощью диэлектрической прокладки 5 закреплена диэлектрическая подложка 6. Подложка 6 заполнена термочувствительными элементами 7.
На фиг. 3 показана мозаика состоящая из 37 квадратных термочувствительных элементов 7 с сигнальными и общими электродами, равностоящих друг от друга на плоскости круговой приемной площадки 8 приемника. Поверхность подложки 6 со стороны входного окна 3 покрыта 37 термочувствительными элементами 7, образующими семь вертикальных параллельных рядов, причем центральный ряд образован 7-ю элементами, а шесть остальных расположены симметрично относительно центрального по три ряда с каждой стороны, и образована 6-ю, 5-ю и 4-мя элементами, соответственно. Термочувствительные элементы 7 имеют сигнальные и один общий электроды, соединенные с контактными площадками 9 и одной общей контактной площадкой 10, соответственно, и расположенными по периметру подложки 5. Контактные площадки 9 и 10 с помощью проводников соединены с выводами корпуса 4. Расстояние между элементами 7 друг относительно друга одинаковое, поэтому имеет место равномерное заполнение термочувствительными элементами приемной площадки приемника 8.
На фиг. 4 показана топология пленочного нагревателя, выполненного в виде аналогичной мозаики из 37 квадратных резистивных элементов 10, например, из NiCr последовательно соединенных между собой проводящей лентой 11, например, из меди, выводы ленты соединены с контактными площадками 12. Рядом расположен компенсационный элемент 13, представляющий собой квадратный терморезистор из пленки VO2, выводы которого соединены с контактными площадками 14. Контактные площадки нагревателя 12 и выводы терморезистора 14 соединены с выводами корпуса 4. Пленочный нагреватель 11 используется для нагрева термочувствительных элементов 7 до середины петли гистерезиса (45°C), а компенсационный элемент 13 контролирует заданную температуру нагрева. Это обеспечивает режим внутренней памяти. С учетом точности термостатирования ±0.5°C относительно середины петли гистерезиса динамический диапазон нагрева термочувствительных элементов приемника составляет 1-24°C (фиг. 5).
На фиг. 5 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO2, толщиной 60 нм от температуры. В диапазоне 45-69°C имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя от температуры нагрева.
Термочувствительные элементы на основе VOx, где x=1,5-2,02 наносится на диэлектрическую подложку с помощью двухстадийного метода приведенного в работе (Олейник А.С. Регистрация лазерного излучения пленочными реверсивными средами на основе диоксида ванадия / А.С. Олейник, А.В. Федоров // Российские нанотехнологии, 2011. Т. 6 5-6. С. 120-129).
Был изготовлен тепловой приемник лазерного излучения на основе пленки VOx окислов ванадия, представляющий собой малогабаритный металлостеклянный корпус, состоящий из основания 1210.29-5Н и крышки 155.15-2 с прозрачным окном, выпускаемый ОАО «Завод «МАРС», г. Торжок с позолоченными выводами, размером 39×29×4,5 мм, с окном из материала ФБС-И, прозрачным в спектральном диапазоне 0,3-15 мкм. Корпус имел 42 позолоченных вывода диаметром 0,3 мм и высотой 6 мм. Диэлектрическая подложка выполнена из поликора ВК-100 размером 36×24×0,5 мм. На поверхность диэлектрической подложки нанесены 37 термочувствительных элемента квадратной формы размером 0,7×0,7 мм, которые заполняют площадь правильного шестиугольника, вписанного в круговую приемную площадку. Диаметр приемной площадки составил 10 мм. Нагреватель выполнен в виде 37 резистивных элементов (NiCr) последовательно соединенных между собой проводящей лентой из меди и точно расположенных под термочувствительными элементами в виде ломанной кривой из пленки. Терморезистор выполнен из пленки окислов ванадия (VOx).
Мозаика из 37 термочувствительных элементов обеспечивает оптимальное заполнение площади круговой приемной площадки, а постоянный шаг между элементами повышает точность измерения распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча. Минимальное расстояние между элементами не должно превышать размеры самого элемента, при этом обеспечивается автономность работы каждого элемента. Размер термочувствительных элементов выполненных по стандартной методике фотолитографии может составлять порядка 5×5 мкм 2.
Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает точность выявления Гауссова распределения источника излучения. Кроме того, по сравнению с существующими тепловыми приемниками предлагаемый приемник излучения обладает большей разрешающей способностью, и может эксплуатироваться как в режиме памяти, так и в динамичном режиме измерений, при максимальной чувствительности.
Тепловой приемник, содержащий герметичный корпус в виде уплощенного прямоугольного металлостеклянного тела, состоящего из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками подложки, и крышки с окном, прозрачным для регистрируемого излучения, перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительными элементами, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, в виде мозаики, заполняющих приемную площадку приемника, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки расположены пленочный нагреватель с компенсационным элементом, подобным по форме термочувствительным элементам, соединенные с контактными площадками обратной стороны подложки, отличающийся тем, что на плоскости приемной площадки установлены 37 термочувствительных элемента, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом размещение элементов по вертикалям выполнено следующим образом: на центральной линии симметрии - 7 элементов, на ближайших к ней линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента, нагреватель выполнен из 37 резистивных элементов по форме и по расположению аналогичным термочувствительным элементам и последовательно соединенных между собой проводящей лентой.
