КВАРЦЕВЫЙ ТЕПЛОВОЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H01L27/14 G01J5/02 

Изобретение относится к приемникам излучения для обнаружения электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в измерительной технике в части создания высокочувствительных приборов для бесконтактного измерения температуры, измерения мощности тепловых потоков, паспортизации источников излучения и лазеров, а также в радиометрии.

Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, являются: неселективность в широком спектральном диапазоне, высокая чувствительность, малый уровень собственных шумов, малая инерционность, линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока, одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке приемника, устойчивость к действиям излучения, малый вес и габариты. Развитие тепловых приемников идет в направлении разработки интегрального исполнения конструкции, включающей приемник и предусилитель. При интегральном исполнении удается оптимизировать технические характеристики [1].

Использование фотоэлектронных приборов в современной науке и технике многообразно: системы дневного, ночного и теплового видения, характеризующиеся термином «техническое зрение»; фотокинотехника, в том числе и цифровые видео- и фотокамеры; системы дистанционного зондирования Земли и отдельных объектов, контроль рабочего состояния энергетических объектов, особенно высоковольтных электрических линий и систем. Не менее разнообразно применение фотоэлектронных устройств в военной технике; самонаводящиеся снаряды и ракеты, системы лазерного наведения, системы пассивной и активной оптической локации.

В фотоэлектронике, в первую очередь, из материалов использовались классические полупроводники - кремний и германий [2].

Предлагаемое изобретение в отличие от традиционных подходов к построению приемников теплового излучения использует техническое решение, основанное на применении кварца, что позволяет существенно повысить технические характеристики устройства, в частности добиться линейной зависимости выходного сигнала от падающего лучистого потока.

Из области техники известно устройство «Тепловой приемник оптического излучения» [1].

Поставленная в [1] задача решается тем, что тепловой приемник оптического излучения содержит герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения, перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например, пленки диоксида ванадия, в виде мозаики из элементов квадратной формы, заполняющих площадь приемной круговой площадки, каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки размещены пленочный нагреватель и терморезистор, соединенные с контактными площадками, схему управления с возможностью обеспечения последовательной коммутации элементов на вход мостовой схемы. Согласно предлагаемому в [1] решению корпус выполнен 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 расположен компенсационный элемент.

Недостатком данного изобретения является большая инерционность, сложность изготовления, ограниченный диапазон регистрируемых длин волн теплового излучения (0,3-10,6 мкм) и отсутствие встроенного механизма преобразования аналогового выходного сигнала в цифровой код характеризующий уровень излучения на входе приемника, а также нелинейная зависимость выходного сигнала от падающего лучистого потока.

Также известно устройство, описанное в патенте [3], принцип действия которого основан на изменении сопротивления облучаемого термочувствительного элемента под действием регистрируемого излучения (изменение сопротивления пропорционально степени нагрева).

В [3] имеет место два режима эксплуатации приемника при измерении мгновенной мощности излучения: без термостатирования термочувствительного слоя и с обеспечением термостатирования термочувствительного слоя.

В первом случае перегрев облучаемого элемента при воздействии регистрируемого излучения относительно исходной температуры сохраняется ограниченное время, которое определяется теплоемкостью слоя VO2, теплофизическими параметрами подложки и характером лазерного излучения.

Во втором случае имеет место термостатирование термочувствительного слоя в середине петли гистерезиса. Регистрируемое излучение нагревает облучаемый элемент выше температуры термостатирования и вызывает изменение его сопротивления. Величина этого сопротивления сохраняется в середине петли гистерезиса неограниченное время. Во всех случаях изменение сопротивления облучаемого элемента преобразуется в неравновесие четырехплечевого резистивного моста. Так как форма петли гистерезиса отличается от прямоугольной, значение сопротивления в середине петли отлично от его величины в момент воздействия излучения. Это отличие определяется наклоном обратной ветви петли гистерезиса и зависит от ширины петли.

Недостатком данного изобретения является большая инерционность, сложность изготовления, ограниченный диапазон регистрируемых длин волн теплового излучения и отсутствие встроенного механизма преобразования аналогового выходного сигнала в цифровой код характеризующий уровень излучения на входе приемника, а также нелинейная зависимость выходного сигнала от падающего лучистого потока.

Устройством аналогом является [4], где на диэлектрической подложке размещены герметичный корпус, состоящий из цилиндра или параллелепипеда с входным окном и основанием из части подложки, а также радиокомпоненты интерфейса измерительной системы. На основании корпуса расположены металлические проводники, пленочная термопара. Общий электрод является нагревателем и выполнен в виде изогнутой ленты, которая последовательно соединяет между собой термочувствительные элементы. На обратной стороне подложки с помощью схемы токовой разводки выводы общего электрода подключены к импульсному источнику напряжения, выводы термопары подключены к терморегулятору, а сигнальные выводы термочувствительных элементов подключены к аналоговому коммутатору интерфейса измерительной системы. Технический результат - создание многоэлементного теплового приемника с высокой разрешающей способностью и равномерной зонной чувствительностью.

Недостатком данного изобретения является большая инерционность, сложность изготовления, ограниченный диапазон регистрируемых длин волн теплового излучения и отсутствие встроенного механизма преобразования аналогового выходного сигнала в цифровой код характеризующий уровень излучения на входе приемника, а также нелинейная зависимость выходного сигнала от падающего лучистого потока.

Также известны устройства [5-7], которые не лишены данных недостатков.

Еще одним существенным недостатком, который присущ большинству устройств [1-8], является использование драгоценных металлов и большое время отклика (несколько секунд) которое ограничивает их применение в ИК-системах с большой частотой модуляции принимаемого сигнала.

Наиболее близким решением к предлагаемому приемнику излучения и выбранным в качестве прототипа, можно отнести «Пироэлектрический многоэлементный приемник излучения» [8], включающий интегральную схему обработки сигналов и матрицу детекторных элементов, изготовленных из пироэлектрической пленки с общим верхним электродом и отдельными для каждого элемента нижними электродами, электрически соединенными с соответствующими контактами схемы обработки сигналов, причем детекторные элементы расположены на поддерживающем слое, а между ними и поверхностью схемы обработки сигналов образован теплоизолирующий зазор, отличающийся тем, что поддерживающий слой и пироэлектрическая пленка являются общими для всех детекторных элементов матрицы, разделенных сквозными щелевидными отверстиями, проделанными в верхнем электроде, пироэлектрической пленке и поддерживающем слое, а между соседними щелевидными отверстиями в месте пересечения их осевых линий поддерживающий слой образует опоры, посредством которых матрица детекторных элементов механически и электрически соединена со схемой обработки сигналов, причем электроды, пироэлектрическая планка, а также поддерживающий слой выполнены из материалов с низкими температурами формирования и материал поддерживающего слоя является теплоизолирующим.

Пироэлектрический многоэлементный приемник излучения является емкостным преобразователем и ему присущи следующие недостатки: большое внутреннее сопротивление, что затрудняет его согласование с усилительным каскадом в составе измерительного прибора. Данный тип приемника нельзя использовать для регистрации мощных потоков излучения, т.к. при приближении температуры чувствительного элемента к температуре точки Кюри материала, из которого изготовлен чувствительный элемент, его чувствительность резко снижается или вообще пропадает.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание устройства, обеспечивающего: повышение надежности, уменьшение электрических наводок при работе приемника, увеличение стабильности параметров приемника излучения во времени, простоту преобразования выходного сигнала в цифровой код (не требуется применение АЦП).

Указанный технический результат достигается тем, что:

в кварцевом тепловом приемнике излучения используется кварцевый кристаллический элемент, выполненный в форме, инвертированной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность тонкопленочными электродами;

используются контактные пружины, выполненные из материала с большим тепловым сопротивлением (манганина), причем роль чувствительного элемента выполняет кварцевый кристаллический элемент;

на поверхность одного тонкопленочного электрода нанесено поглощающее покрытие для исключения отвода тепла от кварцевого кристаллического элемента;

внутренний объем корпуса приемника излучения вакуумирован;

напротив электрода с поглощающим покрытием расположено входное окно, выполненное из прозрачного в инфракрасном диапазоне материала.

Функционирование устройства поясняется следующими графическим материалами:

Фиг. 1 - Состав кварцевого теплового приемника;

Фиг.2 - Состав чувствительного элемента кварцевого теплового приемника;

Фиг. 3 - График зависимости изменения частоты пьезоэлемента от температуры излучающей полости, расположенной по нормали к поверхности чувствительного элемента;

Фиг. 4 - График зависимости изменения частоты кварцевого чувствительного элемента от мощности падающего излучения на поверхность поглощающего покрытия.

Промышленная применимость обусловлена возможностью реализовать устройство на отечественной элементной базе с использованием доступных технологий.

Кварцевый тепловой приемник излучения, показанный на фиг. 1, состоит из: основания корпуса 1, выводов для монтажа 2, контактных пружин 3, чувствительного элемента 4, входного окна 5 из прозрачного в широком диапазоне длин волн оптического излучения материала, крышки корпуса 6.

Чувствительный элемент 4 приемника излучения, состоящий из (фиг. 2): кварцевого кристаллического элемента 7, выполненного в форме инвертированной мезаструктуры, тонкопленочного металлического электрода 8, поглощающего излучение покрытия 9.

Принцип работы заявленного приемника излучения основан на зависимости изменения резонансной частоты кварцевого кристаллического элемента 7 от изменения его температуры (фиг. ), под воздействием лучистого потока, падающего на поглощающее покрытие 9, нанесенное на поверхность тонкопленочного электрода 8.

Данная конструкция теплового приемника излучения позволяет значительно упростить схемотехническую часть измерительных приборов за счет исключения блока преобразования измеряемого сигнала в цифровой код, так как выходным сигналом данного приемника излучения является частотный сигнал.

Другим преимуществом кварцевого теплового приемника излучения является высокая стабильность параметров во времени, обусловленная применением пьезоэлектрического кварца в качестве чувствительного элемента.

Экспериментальная проверка предлагаемого решения была проведена на нескольких образцах. На фиг. 3 приведен график зависимости изменения частоты пьезоэлемента от температуры излучающей полости, расположенной по нормали к поверхности чувствительного элемента. На фиг. 4 приведен график зависимости изменения частоты кварцевого чувствительного элемента от мощности падающего излучения на поверхность поглощающего покрытия.

Литература

1. RU 2397458 С1. Тепловой приемник оптического излучения.

2. Голенищев-Кутузов В.А., Голенищев-Кутузов А.В., Несмелова И.М. Перспективные материалы и приемники излучения фотоэлектроники и фотоэнергетики: монография / В.А. Голенищев-Кутузов, А.В. Голенищев-Кутузов, И.М. Несмелова. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2013 - 171 с.

3. RU 2456559 С1. Тепловой приемник излучения.

4. RU 2293953 С1. Тепловой приемник.

5. RU 2518250 С1. Тепловой приемник.

6. RU 2227905 С1. Тепловой приемник излучения.

7. RU 137155 U1. Тепловой многоэлементный приемник излучения с коррекцией неоднородности чувствительности.

8. RU 9341 U1. Пироэлектрический многоэлементный приемник излучения.

Изобретение относится к приемникам излучения для обнаружения электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне, и может быть использовано в измерительной технике в части создания высокочувствительных приборов для бесконтактного измерения температуры, измерения мощности тепловых потоков, паспортизации источников излучения и лазеров, а также в радиометрии. В кварцевом тепловом приемнике излучения использован кварцевый кристаллический элемент, выполненный в форме, инвертированной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность тонкопленочными электродами. Согласно изобретению в приемнике используют контактные пружины, выполненные из материала с большим тепловым сопротивлением (манганина), причем роль чувствительного элемента выполняет кварцевый кристаллический элемент; на поверхность одного тонкопленочного электрода нанесено поглощающее покрытие для исключения отвода тепла от кварцевого кристаллического элемента; внутренний объем корпуса приемника излучения вакуумирован; напротив электрода с поглощающим покрытием расположено входное окно, выполненное из прозрачного в инфракрасном диапазоне материала. Техническим результатом изобретения является повышение надежности приемника, уменьшение электрических наводок при работе приемника, увеличение стабильности параметров приемника излучения во времени, простота преобразования выходного сигнала в цифровой код. 4 ил.

Кварцевый тепловой приемник излучения, включающий в себя кварцевый кристаллический элемент, выполненный в форме инвертированной мезаструктуры, с нанесенными на его поверхность тонкопленочными электродами, отличающийся тем, что дополнительно введены контактные пружины, выполненные из материала с большим тепловым сопротивлением (манганина), причем роль чувствительного элемента выполняет кварцевый кристаллический элемент, на поверхность одного тонкопленочного электрода нанесено поглощающее покрытие, для исключения отвода тепла от кварцевого кристаллического элемента, внутренний объем корпуса приемника излучения вакуумирован, напротив электрода с поглощающим покрытием расположено входное окно, выполненное из прозрачного в инфракрасном диапазоне материала.