Способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ Российский патент 2018 года по МПК H01L21/66 G01J5/00 

Изобретение относится к способам измерения параметров инфракрасных фотоприемных устройств (ИК ФПУ), работающих в режиме накопления. Эти устройства являются сложными высокотехнологичными приборами. Они работают в диапазонах 1-2,8 мкм, 3-5 мкм, 8-12 мкм и далее вплоть до 100-150 мкм, включают матрицу фоточувствительных элементов (МФЧЭ), содержащую от 1000 (формат 4×288) фотодиодов до более чем 1000000 (формат 1280×1024) фотодиодов и более, состыкованных с таким же количеством ячеек кремниевого мультиплексора. Мультиплексор выполняет накопление фототоков фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в ячейках, поэлементное считывание накопленных зарядов, преобразование их в напряжение, предварительное усиление и вывод сигналов, как правило, на несколько выходов с заданной частотой кадров. Современные мультиплексоры-процессоры кроме этого преобразуют выходной сигнал из аналоговой формы в цифровую форму и осуществляют предварительную цифровую обработку сигналов. При этом рабочая температура матрицы и мультиплексора может быть достаточно низкой, чтобы снизить обратные токи ФЧЭ. Это достигается расположением их в вакуумированном корпусе на холодном пальце микрокриогенной системы (МКС), представляющей собой сложное электронно-механическое устройство.

ИК ФПУ обязательно включает следующие составные части:

- светонепроницаемый корпус с входным окном;

- входное окно, просветленное в заданной части спектра;

- светонепроницаемый и охлаждаемый экран с окном (диафрагмой), соосной с входным окном (если необходим);

- светофильтр, расположенный в охлаждаемом экране, задающий рабочий спектр фоточувствительности (если необходим);

- МФЧЭ, соосная с диафрагмой и входным окном ФПУ, окруженная светонепроницаемым экраном с диафрагмой;

- интегральная схема мультиплексора, состыкованная поэлементно с МФЧЭ;

- плата с контактными дорожками (сапфир, кремний и т.д.), на которой закреплен мультиплексор с МФЧЭ и разварены его контакты;

- система охлаждения или фиксации рабочей температуры (если необходима), на которой закреплен экран, растр с контактными дорожками, со сборкой МФЧЭ-мультиплексор и с датчиком температуры.

При изготовлении ФПУ контролируются параметры всех его составных частей, т.к. от них зависят пороговые фотоэлектрические характеристики устройства, определяющие его качество.

Одной из важнейших характеристик является пороговая разность температур (NETD).

Пороговая разность температур (NETD) - величина приращения температуры излучения, падающего на фотоприемник, приводящего к изменению выходного сигнала на величину, равную интегральному шуму фотоприемника (отношение сигнал/шум равно единице). Эта характеристика определяет качество МФПУ.

В отечественной справочной литературе (ГОСТ 17772-88 Приемники излучения. Полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик) отсутствует какое-либо описание метода измерения пороговой разности температур.

Аналогом заявляемого технического решения является способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ (A. Rogalski, Progress in focal plane array technologies, Progress in Quantum Electronics, Elsevier Ltd, 36, 2012, P. 383). Для реализации этого способа необходимо

- установить первую температуру АЧТ T₁;

- измерить и запомнить первый массив интегральных шумов каждого ФЧЭ V_ш1ij;

- измерить и запомнить первый массив выходных сигналов каждого ФЧЭ V_1ij;

- установить вторую температуру АЧТ Т₂;

- измерить и запомнить второй массив интегральных шумов каждого ФЧЭ V_ш2ij;

- измерить и запомнить второй массив выходных сигналов каждого ФЧЭ V_2ij;

- рассчитать NETD каждого ФЧЭ по следующей формуле:

где ΔТ_c=Т₂-Т₁;

ΔV_c=V₂-V₁.

Данный способ имеет следующие недостатки.

1. Измерение двух массивов выходных сигналов ФЧЭ ИК МФПУ при двух разных температурах АЧТ. При этом разность выходных сигналов каждого ФЧЭ должна быть не менее ΔV_c=V₂-V₁=10⋅(V_ш1+V_ш2). В противном случае на эту величину будут слишком сильно влиять напряжения шумов ФЧЭ при первой и второй температурах АЧТ.

2. Измерение двух массивов шумов ФЧЭ при двух разных температурах АЧТ. При этом разность шумов для каждого ФЧЭ должна быть не более ΔV_ш=V_ш2-V_ш1≤0,1⋅V_ш1. В противном случае выбор одного из значений V_ш для последующего расчета будет давать результат, отличный от результата со вторым значением напряжения шума.

3. Необходимость установки двух отличающихся температур АЧТ с минимальной разницей напряжений шума и максимальной разницей напряжений сигнала. Фактически, это противоречит и первому, и второму условию, определяющему величину разницы выходных сигналов ИК МФПУ при первой и второй температурах АЧТ.

4. Неизвестность температуры АЧТ (первая или вторая), при которой необходимо измерять (выбирать) величину интегрального шума и рассчитывать NETD.

5. Пониженная точность измерения NETD, обусловленная перечисленными противоречиями.

Прототипом заявляемого технического решения выбран способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ, вытекающий из работы, описывающей теоретический расчет параметров устройства (А.И. Патрашин и др., Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика, №1, 2014 г., с. 35-45).

В данном способе измерения пороговой разности температур ИК МФПУ размещают перед АЧТ, площадь излучающей поверхности которого много больше площади МФЧЭ, устанавливают заданную температуру АЧТ Т_сигн, измеряют интегральные сигналы ФЧЭ V_{инт_ij}, генерированные полезным излучением протяженного АЧТ, и «паразитными» излучениями входного окна МФПУ, светофильтра, светонепроницаемого экрана с окном (диафрагмой) и темновыми токами ФЧЭ, измеряют сумму сигналов ФЧЭ, генерированных «паразитными» излучениями, измеряют интегральные шумы V_{ш_ij} всех ФЧЭ, рассчитывают разности интегральных сигналов и сумм «паразитных» сигналов, получая значения полезных фотосигналов V_{сигн_ij}, генерированных излучением протяженного АЧТ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λ_к и λ_д и рассчитывают величину NETD_ij по формуле

где с=2,998⋅10¹⁰ см⋅с^-1 - скорость света;

k_B=1,381⋅10^-23 Вт⋅с⋅К^-1 - постоянная Больцмана;

h=6,626⋅10^-34 Вт⋅с² - постоянная Планка;

N(T_сигн; λ_к; λ_д), квантов⋅с^-1⋅см^-2 - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λ_к; λ_д];

Z(T_сигн; λ_к; λ_д) - интеграл от производной функции Планка по температуре

Размерность пороговой разности температур - градусы Кельвина.

Недостатком настоящего технического решения является невозможность прямого определения фотосигналов ФЧЭ, V_{сигн_ij}, генерированных полезным излучением протяженного АЧТ, что существенно усложняет методику измерения NETD.

Действительно, для того чтобы в данной оптической схеме измерить полезные фотосигналы всех ФЧЭ, генерированные излучением протяженного АЧТ, необходимо измерить их интегральные фотосигналы и так называемые «паразитные» фотосигналы ФЧЭ от излучения входного окна МФПУ, от излучения светофильтра, от излучения светонепроницаемого экрана с окном (диафрагмой) и сигналы, генерируемые темновыми токами ФЧЭ. Затем из интегральных сигналов ФЧЭ необходимо вычесть сумму «паразитных» сигналов. Полученные величины будут являться полезными фотосигналами ФЧЭ, генерированными излучением протяженного АЧТ.

Измерение каждого из «паразитные» фотосигналов ФЧЭ или их суммарной величины, в отличие от теоретического расчета, является весьма непростой задачей, которая до сих пор корректно не решена. В силу этого способ-прототип экспериментально не проработан, точность измерения пороговой разности температур ИК МФПУ с его помощью будет, мягко говоря, низкой, методика будет достаточно сложной, а время измерения - продолжительным.

Целью заявляемого технического решения является повышение точности измерения при одновременном повышении его производительности и упрощении методики.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения пороговой разности температур ФЧЭ ИК МФПУ, в котором ИК МФПУ размещают перед АЧТ, устанавливают заданную температуру АЧТ Т_сигн, измеряют интегральные шумы V_{ш_ij} всех ФЧЭ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λ_к и λ_д, рассчитывают величину NETD_ij по формуле

где с=2,998⋅10¹⁰ см⋅с^-1 - скорость света;

k_B=1,381⋅10^-23 Вт⋅с⋅К^-1 - постоянная Больцмана;

h=6,626⋅10^-34 Вт⋅с² - постоянная Планка;

N(Т_сигн; λ_к; λ_д), квантов⋅с^-1⋅см² - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λ_к; λ_д];

Z(T_сигн; λ_к; λ_д) - интеграл от производной функции Планка по температуре

используют АЧТ с площадью излучающей площадки, не превышающей размеров МФЧЭ, между АЧТ и МФПУ, вблизи АЧТ устанавливают оптический модулятор, перекрывающий излучение АЧТ, включают модулятор с заданной частотой модуляции излучения, перед расчетом пороговой разности температур измеряют сигналы всех ФЧЭ V_{сигн_ij}, генерированные полезным излучением АЧТ, останавливают модулятор и проводят вычисление пороговой разности температур всех ФЧЭ.

В заявляемом способе, измеряемыми величинами являются полезный сигнал ФЧЭ V_{сигн_ij}, зависящий от границ кривой спектральной чувствительности, [λ_к; λ_д], от температуры АЧТ, Т_сигн, и от номера ij ФЧЭ, и интегральный шум ФЧЭ V_{ш_ij}, определяемый температурами фона, входного окна, корпуса, холодного экрана и холодного светофильтра, также зависящий от границ кривой спектральной чувствительности [λ_к; λ_д], от температуры АЧТ, Т_сигн, и от номера ij ФЧЭ. Функции (3) и (4), как и множитель , являются точными расчетными величинами, зависящими лишь от температуры сигнала (АЧТ) T_сигн и ширины спектральной полосы чувствительности МФПУ [λ_к; λ_д], которые достаточно точно устанавливаются и измеряются.

При использовании заявляемого способа отпадает необходимость измерения нескольких «паразитных» сигналов и последующего вычисления полезного фотосигнала, и мы проводим измерение одного шума и одного сигнала ФЧЭ МФПУ и последующий расчет по указанной выше формуле [1]. Измерение спектра пропускания холодного светофильтра для определения длин волн λ_к и λ_д является необходимым в заявляемом способе для подтверждения заданного спектрального интервала фоточувствительности. Это измерение обязательно проводится в технологическом маршруте изготовления любого МФПУ.

Заявляемый способ, в отличие от прототипа, может быть реализован в стандартной оптической схеме стенда измерения, соответствующей ГОСТ 17772-88.

Данная оптическая схема стенда измерения (фиг. 1) включает АЧТ с малым диаметром диафрагмы, ∅(2-10) мм, и температурой, например, 500 К, соответствующей вышеуказанному ГОСТу.

При ее реализации на МФПУ попадает модулированное сигнальное излучение от АЧТ и стационарные излучения, создающие, наряду с темновым током ФЧЭ, поэлементный шум устройства. Это излучения от окружающего фона, от корпуса, от входных окон, от холодных светофильтров и экранов, имеющих фиксированные температуры и излучающих, вследствие этого, в соответствии с законом Планка. Полезный сигнал ФЧЭ измеряется прямым образом на заданной частоте модуляции. Шум ФЧЭ измеряется при остановленном модуляторе и закрытой шторке АЧТ, как среднеквадратичное отклонение от среднего выходного напряжения. При его измерении должен учитываться и вычитаться собственный шум стенда измерений. Измерение NETD возможно во всем диапазоне температур АЧТ и требует только одной его температуры. Отсутствие необходимости предварительных измерений нескольких «паразитных» сигналов упрощает методику измерения, снижая трудозатраты, повышая производительность способа и точность измерения заданного параметра.

Изобретение относится к области оптико-электронного приборостроения и касается способа измерения пороговой разности температур инфракрасного матричного фотоприемного устройства. Измерения осуществляются с использованием снабженного оптическим модулятором абсолютно черного тела (АЧТ) с площадью излучающей площадки, не превышающей размеров матрицы фоточувствительных элементов. При осуществлении способа устанавливают заданную температуру АЧТ (T_сигн), измеряют интегральные шумы V_{ш_ij} всех ФЧЭ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λ_к и λ_д, измеряют сигналы всех ФЧЭ V_{сигн_ij} и рассчитывают величину пороговой разности температур по формуле

где с=2,998⋅10¹⁰ см⋅с^-1 - скорость света; k_B=1,381⋅10^-23 Вт⋅с⋅К^-1 - постоянная Больцмана; h=6,626⋅10^-34 Вт⋅с² - постоянная Планка; N(T_сигн; λ_к; λ_д), квантов⋅с^-1⋅см^-2 - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λ_к; λ_д]; Z(T_сигн; λ_к; λ_д) - интеграл от производной функции Планка по температуре. Технический результат заключается в повышении точности и упрощении методики измерения. 1 ил.

Способ измерения пороговой разности температур ИК МФПУ, в котором ИК МФПУ размещают перед АЧТ, устанавливают заданную температуру АЧТ T_сигн, измеряют интегральные шумы V_{ш_ij} всех ФЧЭ, измеряют спектр пропускания холодного светофильтра МФПУ, определяют его коротковолновую и длинноволновую границы пропускания λ_к и λ_д и рассчитывают величину NETD_ij по формуле

где с=2,998⋅10¹⁰ см⋅с^-1 - скорость света;

k_B=1,381⋅10^-23 Вт⋅с⋅К^-1 - постоянная Больцмана;

h=6,626⋅10^-34 Вт⋅с² - постоянная Планка;

N(T_сигн; λ_к; λ_д), квантов⋅с^-1⋅см^-2 - интеграл от функции Планка, определяющий квантовую облученность в телесном угле 2⋅π в спектральном интервале [λ_к; λ_д];

Z(T_сигн; λ_к; λ_д) - интеграл от производной функции Планка по температуре

отличающийся тем, что используют АЧТ с площадью излучающей площадки, не превышающей размеров МФЧЭ, между АЧТ и МФПУ, вблизи АЧТ устанавливают оптический модулятор, перекрывающий излучение АЧТ, включают модулятор с заданной частотой модуляции излучения, перед расчетом пороговой разности температур измеряют сигналы всех ФЧЭ V_{сигн_ij}, генерированные полезным излучением АЧТ, останавливают модулятор и проводят вычисление пороговой разности температур всех ФЧЭ.