ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01J5/12 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к приемникам излучения, в частности к термоэлектрическим приемникам, и может быть использовано для измерения энергетических и временных параметров непрерывного и импульсного оптического излучения в широком спектральном диапазоне.

В связи с развитием мощных технологических лазеров, работающих в непрерывном или импульсном режиме, возникла необходимость в широкоапертурных фотоприемниках для измерения энергетических и временных характеристик излучения, способных выдерживать высокую плотность мощности.

Наилучшим образом эту задачу решают термоэлектрические преобразователи на основе анизотропных термочувствительных пленок [1]. Конструкция таких приемников излучения представляет собой теплопроводящую подложку, на которую нанесены контактные площадки для съема термоЭДС и термочувствительная анизотропная пленка (например, на основе висмута, теллура или других материалов), сформированная при наклонном угле конденсации (косом напылении). Анизотропные пленки из этих материалов позволяют получать достаточную для многих случаев применения чувствительность, однако имеют следующие недостатки: невысокую термо- и механопрочность и большую спектральную неравномерность чувствительности в области 0,2-20,0 мкм, обусловленную значительной дисперсией поглощения этих материалов.

Известны приемники излучения, в которых чувствительная анизотропная пленка изготовлена из силицида марганца, что позволяет улучшить эксплуатационные характеристики за счет повышения термо- и механопрочности. В этом техническом решении имеются следующие недостатки: невысокая чувствительность (по крайней мере на порядок меньше, чем для пленок висмута), в ряде случаев применения велика спектральная неравномерность чувствительности.

Известны также анизотропные приемники излучения на основе висмута с защитным слоем из моноокиси кремния [3]. На теплопроводящую диэлектрическую подложку нанесены контактные площадки для съема термоЭДС из медных слоев, на них нанесена термочувствительная анизотропная пленка висмута (или сплава висмут-сурьма) толщиной 0,5-2,0 мкм, на которую нанесен защитный слой моноокиси кремния SiO толщиной 0,05-0,1 мкм. Для характеристического размера приемной поверхности приемника 10 х 10 мм чувствительность на длине волны 1,06 мкм составляла 0,5 мВ/Вт.

Такие приемники имеют невысокие термо- и механопрочность, что обусловлено свойствами пленки висмута и недостаточными защитными свойствами слоя SiO, это ухудшает эксплуатационные характеристики: ограничена возможность протирки приемной поверхности приемника оптической салфетки, смоченной органическим растворителем; ограничена температура нагрева приемника при проведении технологической операции пайки проводников к контактным площадкам, так как перегрев приводит к нарушению целостности пленки и изменению ее чувствительности. Велика спектральная неравномерность чувствительности, которая в области 0,2-20,0 мкм изменяется более чем в два раза.

Цель изобретения - повышение термо- и механопрочности и улучшение спектральной равномерности чувствительности.

Указанная цель достигается тем, что в предлагаемый приемник введен адгезионный слой, расположенный между подложкой с контактными площадками и анизотропной пленкой и имеющий толщину не менее 0,05 мкм, а толщина защитного слоя выбрана в диапазоне 0,1-0,3 мкм, адгезионный и защитный слои выполнены из высокотемпературного теплопроводного материала, а их сопротивление по крайней мере в десять раз превышает сопротивление анизотропной пленки, причем материал защитного слоя выбран с коэффициентом поглощения излучения не менее 70% в рабочем спектральном диапазоне.

На чертеже условно (в поперечном сечении) показан термоэлектрический пленочный приемник излучения в соответствии с предложенным техническим решением, где 1 - подложка, 2 - контактные площадки, 3 - адгезионный слой, 4 - анизотропная пленка, 5 - защитный слой.

П р и м е р. Сначала на теплопроводную диэлектрическую подложку, например, из кремния наносят контактные площадки, например, из медных слоев толщиной не менее 0,5 мкм. Затем в едином вакуумном технологическом процессе через одну трафаретную маску наносят адгезионный слой из электропроводного высокотемпературного материала, например хрома, толщиной не менее 0,05 мкм, причем электросопротивление этого слоя должно быть по крайней мере в десять раз больше, чем сопротивление пленки висмута, что уточняется предварительным экспериментом. Затем термическим испарением в вакууме при угле конденсации 60-80^о наносят анизотропную пленку на основе висмута толщиной до 2,0 мкм (в зависимости от требований к электросопротивлению и быстродействию). Далее наносят защитный слой толщиной 0,1-0,3 мкм из теплопроводного высокотемпературного материала, например хрома, обеспечивающего коэффициент поглощения не менее 70% в области излучения 0,2-20,0 мкм, причем электросопротивление защитного слоя должно быть по крайней мере в десять раз больше сопротивления пленки висмута, в чем убеждаются предварительно экспериментально. После нанесения всех слоев приемник излучения отжигают на воздухе при температуре 100-200^оС.

Для такого фотоприемника с чувствительной площадкой 10 х 10 мм чувствительность в видимой области и на длине волны 10,6 мкм составляла 1,0-1,3 мВ/Вт, коэффициент поглощения составлял в области 0,2-20,0 мкм 70-90%, температурная зависимость чувствительности была не более 0,35 %/град. Было определено, что после операций лужения и пайки припоем ПОС-61 остаточное изменение чувствительности и электросопротивления приемника не превышало 5% при сохранении целостности всех слоев. Механическая прочность покрытия соответствовала 1-й группе по ОСТЗ-1901-85, что позволяло проводить многократную протирку приемной поверхности оптической салфеткой, смоченной органическим растворителем.

Сущность изобретения: термоэлектрический приемник излучения содержит теплопроводящую подложку с контактными площадками, анизотропную пленку на основе висмута и защитный слой, а также вновь введенный адгезионный слой, расположенный между подложкой с контактными площадками и анизотропной пленкой, причем адгезионный и защитный слой выполнены из высокотемпературного теплопроводного материала. Толщина защитного слоя выбрана в диапазоне от 0,1 до 0,3 мкм, электросопротивление адгезионного и защитного слоев по крайней мере в десять раз превышает сопротивление анизотропной пленки, причем материал защитного слоя выбран с коэффициентом поглощения не менее 70% в рабочем спектральном диапазоне. 1 ил.

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий теплопроводящую подложку с контактными площадками, анизотропную пленку на основе висмута и защитный слой, отличающийся тем, что в него введен адгезионный слой, расположенный между подложкой с контактными площадками и анизотропной пленкой и имеющий толщину не менее 0,05 мкм, а толщина защитного слоя выбрана в диапазоне 0,1-0,3 мкм, адгезионный и защитный слои выполнены из высокотемпературного теплопроводного материала, а их сопротивление по крайней мере в десять раз превышает сопротивление анизотропной пленки, причем материал защитного слоя выбран с коэффициентом поглощения излучения не менее 70% в рабочем спектральном диапазоне.