ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G01J5/02 H01L31/24 

Предлагаемое изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения электромагнитного излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного (ИК) излучения.

Известен приемник инфракрасного излучения, содержащий криостат, внутри которого на охлаждаемом держателе расположены кристалл с фоточувствительными элементами (ФЧЭ) и считывающие чипы (мультиплексоры), к которым присоединены проходящие через стенки криостата электрические выводы (см. пат. США№5179283, НКИ 250-352, 1993 г.). В месте пересечения электрических выводов со стенками криостата установлены гермовводы, которые имеют по крайней мере два паяных шва. При имеющей место тенденции увеличения числа ФЧЭ (например, в линейках и матрицах большого формата) увеличивается число электрических выводов и, соответственно, гермовводов, при этом увеличиваются теплопритоки из окружающей среды за счет теплопроводности выводов, теплопритоки, возникающие из-за рассеивания на выводах электрической мощности при прохождении управляющих сигналов, и снижается надежность прибора. Кроме того, из-за большого количества проводов увеличиваются перекрестные помехи, что ухудшает выходные характеристики прибора.

Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому приемник инфракрасного излучения, содержащий криостат, внутри которого на охлаждаемом держателе расположены кристалл с фоточувствительными элементами и мультиплексор, к которому присоединены выводы управления, питания и сигнальные выводы, подключенные соответственно к блокам управления, питания и обработки сигнала, расположенные снаружи криостата (см. пат. США №4862002, НКИ 250-352, 1989 г.). В данном приемнике в конструкции мультиплексора предусмотрено схемотехническое решение, ослабляющее влияние перекрестных помех. Однако, оно предназначено для конкретной схемы мультиплексора и не будет работоспособно в других случаях. Наличие же электрических проводов, как уже было сказано, изначально предопределяет возникновение наводок и теплопритоков, что особенно заметно в многоэлементных приемниках ИК излучения, требующих большого числа выводов и, соответственно, гермовводов, что снижает надежность работы прибора.

Техническим результатом при использовании предлагаемой конструкции являются повышение надежности, уменьшение теплопритоков и электрических наводок при работе приемника излучения.

Указанный технический результат достигается тем, что в приемнике инфракрасного излучения, содержащем криостат, внутри которого на охлаждаемом держателе расположены кристалл с фоточувствительными элементами и мультиплексор, к которому присоединены выводы управления, питания и сигнальные выводы, подключенные соответственно к блокам управления, питания и обработки сигнала, расположенные снаружи криостата, мультиплексор снабжен фотопреобразователями, к которым присоединены выводы управления, выполненные в виде волоконных световодов, подключенных к светодиодам, установленным в блоке управления. В частном случае выполнения приемника излучения световод может быть единичным, при этом его концы снабжены оптическим мультиплексором, подсоединенным к светодиодам, и оптическим демультиплексором, подсоединенным к фотопреобразователям. Стенка криостата в месте пересечения со световодами может быть снабжена окном, выполненным, например, в виде оптического разъема.

Выполнение выводов управления в виде световодов позволяет заменить электрические выводы (провода) в объеме криостата, которые являются источником помех и теплопритоков, что и обеспечивает достижение технического результата. Кроме того, вместо большого числа гермовводов для выводов управления устанавливается один вывод или окно световодов, что существенно уменьшает количество паяных швов в криостате и повышает надежность работы прибора.

Дополнительное уменьшение теплопритока можно получить, если вместо каждого вывода управления, выполненного в виде световода, поставить один световод, снабженный оптическим мультиплексором, подсоединенным к светодиодам, и оптическим демультиплексором, подсоединенным к фотопреобразователям.. При этом выигрыш в теплопритоках пропорционален числу сокращенных выводов.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где представлена конструкция приемника излучения с окном для световодов, выполненным в виде разъема.

Приемник инфракрасного излучения содержит криостат 1 с входным окном 2. Внутри криостата на торце охлаждаемого держателя 3 расположены кристалл 4 с фоточувствительными элементами и мультиплексор 5, к которому присоединены выводы управления 6, питания 7 и сигнальные выводы 8, подключенные соответственно к блокам управления 9, питания 10 и обработки сигнала 11, расположенным снаружи криостата 1. В месте пересечения выводов со стенкой криостата 1 установлены гермовводы 12. Мультиплексор 5 снабжен фотопреобразователями 13, подключенными к входам управления мультиплексора. К фотопреобразователям 13 присоединены выводы управления 6, выполненные в виде волоконных световодов, которые в свою очередь подключены к светодиодам 14, установленным в блоке управления 9. В частном случае выполнения к светодиодам 14 и фотопреобразователями 13 присоединены оптический мультиплексор 15 и оптический демультиплексор 16 соответственно. В месте пересечения световодов со стенкой криостата для упрощения сборки вместо гермоввода может быть установлено окно 17, которое целесообразно выполнять в виде оптического разъема.

В процессе работы приемника излучения электрические сигналы с блока управления при помощи светодиодов 14 преобразуются в световые и по световодам поступают к мультиплексору 5, который снабжен фотопреобразователями 13, обеспечивающими поступление сигналов на входы управления в электрическом виде. В частном случае выполнения сигналы после светодиодов 14 поступают на оптический мультиплексор 15, который обеспечивает их прохождение по одному световоду, и через оптический демультиплексор 16 попадают к соответствующим фотопреобразователям 13 и мультиплексору 5.

Работа данного типа приемников излучения осуществляется при криогенных температурах, поэтому минимизация теплопритоков является существенной для стабилизации его параметров на уровне современных требований. Наиболее значительное уменьшение теплопритоков происходит в газонаполненных криостатах, в которых по сравнению с вакуумной конструкцией дополнительно присутствует конвективный и кондуктивный теплоперенос. Уменьшение теплопритоков происходит за счет того, что для выводов управления вместо металлических проводников используются волоконные световоды, изготавливаемые из материалов с низкой теплопроводностью, а поскольку при этом сигналы передаются в световом, а не в электрическом виде, устраняется также вклад в теплопритоки рассеиваемой на выводах электрической мощности. В многоэлементных приемниках ИК излучения со схемами считывания выводов управления в несколько раз больше, чем выводов питания и сигнальных выводов, то есть получается многократный выигрыш в теплопритоках.

Поскольку помехи в известных технических решениях обусловлены, в основном, наводками, возникающими за счет большого количества выводов управления и уровня проходящего по ним тока, то выполнение выводов управления в виде световодов позволит устранить и этот недостаток.

Предложенная конструкция разработана для приемников ИК излучения на диапазон 3-5 мкм с матрицей 512×512 фоточувствительных элементов на барьерах Шоттки из силицида платины с рабочей температурой ~80 К. При таком формате матрицы в конструкции предусмотрены 10 выводов управления, 2 вывода питания и 1 сигнальный вывод. Выводы управления выполнены в виде волоконных световодов из кварцевого стекла диаметром 125 мкм. Фотопреобразователи целесообразно выполнять в виде фотодиодов, которые могут изготавливаться как вместе с мультиплексором, так и в виде отдельной микросборки. В качестве оптических мультиплексора и демультиплексора могут использоваться получившие широкое распространение в технике оптических средств связи волноводные спектральные мультиплексоры/демультиплексоры типа МДП 1-16 или МДП 1-32 на основе тонкопленочных фильтров, например МДП на основе SiO₂/Si, что хорошо согласуется с кремниевой технологией изготовления матриц и обеспечивает возможности для создания на приемнике элементов интегральной оптики для сигналов управления.

При оценке уменьшения теплопритоков и электрических помех в предложенной конструкции следует учитывать, что в известных технических решениях, использующих металлические выводы, требования к выводам охлаждаемых приемников ПК излучения противоречивы. С одной стороны, для уменьшения теплопритоков выводы должны быть из металла с малой теплопроводностью и как можно меньшего сечения, но это приводит к увеличению электрического сопротивления, что, в свою очередь, ведет к увеличению взаимных помех. И наоборот, применение проводов относительно большого сечения из металлов с малым удельным сопротивлением резко увеличивает теплопритоки. В предложенной конструкции устраняется это противоречие.

Типичное значение сопротивления широко используемых проводов из никеля на длине от основания держателя до кристалла - несколько Ом, что для сигнала в приемниках ИК излучения является значительной величиной, ухудшающей выходные характеристики прибора.

Теплопроводность никеля при Т=80К составляет 210 Вт/(м·К), а теплопроводность кварцевого стекла, идущего на производство волоконных световодов, примерно в 400 раз меньше - 0,52 Вт/(м·К), при этом типовые диаметры никелевых проводов около 50 мкм, а волоконных световодов - 125 мкм, то есть теплоприток уменьшится более, чем в 100 раз.

Таким образом, в предложенной конструкции происходит одновременное уменьшение как теплопритоков, так и электрических помех, при этом также увеличивается надежность работы приемника.

Изобретение относится к фоточувствительным приборам, предназначенным для обнаружения электромагнитного излучения, в частности к охлаждаемым полупроводниковым приемникам инфракрасного излучения. Техническим результатом при использовании изобретения являются повышение надежности, уменьшение теплопритоков и электрических наводок при работе приемника излучения, который достигается тем, что в приемнике инфракрасного излучения, содержащем криостат, внутри которого на охлаждаемом держателе расположены кристалл с фоточувствительными элементами и мультиплексор, к которому присоединены выводы управления, питания и сигнальные выводы, подключенные соответственно к блокам управления, питания и обработки сигнала, расположенные снаружи криостата, мультиплексор снабжен фотопреобразователями, к которым присоединены выводы управления, выполненные в виде волоконных световодов, подключенных к светодиодам, установленным в блоке управления. В частном случае выполнения приемника излучения световод может быть единичным, при этом его концы снабжены оптическим мультиплексором, подсоединенным к светодиодам, и оптическим демультиплексором, подсоединенным к фотопреобразователям. Стенка криостата в месте пересечения со световодами снабжена окном, выполненными, например, в виде оптического разъема. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Приемник инфракрасного излучения, содержащий криостат, внутри которого на охлаждаемом держателе расположены кристалл с фоточувствительными элементами и мультиплексор, к которому присоединены выводы управления, питания и сигнальные выводы, подключенные соответственно к блокам управления, питания и обработки сигнала, расположенным снаружи криостата, отличающийся тем, что мультиплексор снабжен фотопреобразователями, к которым присоединены выводы управления, выполненные в виде волоконных световодов, подключенных к светодиодам, установленным в блоке управления.2. Приемник инфракрасного излучения по п.1, отличающийся тем, что выводы управления выполнены в виде световода, концы которого снабжены оптическим мультиплексором, подсоединенным к светодиодам, и оптическим демультиплексором, подсоединенным к фотопреобразователям.3. Приемник инфракрасного излучения по п.1 или 2, отличающийся тем, что в месте пересечения со световодами стенка криостата снабжена окном, выполненным, например, в виде оптического разъема.