ПРИЕМНИК ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ БОЛОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
BOLOMETRIC INFRARED DETECTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ.
Настоящее изобретение относится к болометрическому детектору и устройству для детектирования инфракрасного излучения, использующему такой детектор. Изобретение может применяться, в частности, в тепловизионной технике и может быть использовано в тепловизорах смотрящего типа в качестве чувствительного элемента матричных приемников и, в основном, предназначено для работы в интервале длин волн Δλ от 7 до 14 мкм (основная длина волны 10 мкм) для создания тепловых изображений предметов в ночное время суток.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ.
Аналоги предлагаемого изобретения: Филачев A.M., Андрюшин С.Я. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион». Прикладная физика, №5, 2000, с.5-17. Патент РФ на изобретение №2383875 от 15.03.2006.
В области техники, относящейся к инфракрасным детекторам, известны болометрические приемники, которые, как правило, включают в себя: средство поглощения инфракрасного излучения и преобразования его в тепло (поглотитель); средство термоизоляции детектора, обеспечивающее возможность максимального возрастания его температуры в результате воздействия инфракрасного излучения; термометрическое средство, в котором в случае болометрического детектора используют резистивный элемент.
x
-8
Обычно болометр состоит из мембраны, на которой расположен термочувствительный элемент (ТЧЕ) и поглотитель электромагнитной энергии (ПЭЭ). Часто функции ТЧЭ и ПЭЭ совмещаются в одном элементе, например, в случае болометров, изготовленных на основе VO. Если в качестве (ТЧЭ) применяется полупроводник типа аморфного кремния, то ПЭЭ изготавливают обычно нанесением пленки металла, которая имеет небольшой коэффициент поглощения: обычно всего несколько процентов. Иногда ограничиваются тем, что роль ПЭЭ выполняет мембрана, изготовленная из окиси кремния и нитрида кремния. Чтобы получить низкую теплопроводность между болометром и его окружением, болометр помещается на длинных шинках с небольшой площадью поперечного сечения, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью, как правило, покрытых тонким слоем металла, который обеспечивает электрический контакт между болометром и электронной схемой считывания сигнала. Тепловая проводимость между чувствительным элементом (ЧЭ) болометра и его контактной областью может быть на уровне 3,5·10 Вт/K.
Фактор заполнения пикселя определяет долю занимаемой болометрами площади пикселя, которая используется для поглощения падающего инфракрасного излучения. Остальные области пикселей занимают контактные области болометра, интервалы между болометрами и соседними мембранами болометров и переходными окнами, которые соединяют болометр и пластину с интегральной схемой считывания. Обычные одноуровневые инфракрасные матричные болометры, как правило, имеют коэффициент заполнения от 60% до 70%.
К недостаткам таких болометров относится то, что при низкой обнаружительной способности D* они обладают невысоким быстродействием τ, так как тонкопленочные поликристаллические материалы, которые применяются в (ТЧЭ), обладают высоким уровнем шумов типа 1/f (f - рабочая частота) и заниженным коэффициентом поглощения (Филачев A.M., Андрюшин С.Я. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион». Прикладная физика, №5, 2000, с.5-17). Применение матричных приемников такого типа в тепловизорах малоэффективно из-за невозможности реализовать режим накопления заряда при обработке и считывании сигналов.
2
2
Низкое быстродействие (время выхода на стационарное состояние при воздействии прямоугольного импульса электромагнитной энергии) τ обусловлено медленным оттоком тепла в окружающее пространство с площадки приемника величины S. Оценка для величины τ при оттоке тепла в телесный угол 2π с площадки S дает τ~20S/χ, где χ - температуропроводность окружающего пространства обычно воздух и при размерах мембраны с S~50×50 мкм и величине χ~0,1 см/с τ получается ~10 мс. (А.М.Прохоров, К.А.Валиев, А.А.Шиляев и др. А.С. №1394883, 08.01.1988. СССР).
Задача известных изобретений заключается в максимизации полезной площади поверхности болометрического материала независимо от его сопротивления без получающегося в результате влияния на характеристики детектора избыточного шума, связанного, в частности, с эффектами истечения заряда с межкристаллитных острий в поликристаллических пленках. Максимизация достигается за счет более рационального использования площади проводящих шинок, соединяющих болометр со схемой считывания. Отсутствуют технические решения, позволяющие увеличить величину D* и быстродействие болометров.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В предлагаемой конструкции болометра эффект повышения быстродействия достигается тем, что при заданной величине D*, рабочей полосе длин волн Δλ и с основной длиной волны λ электромагнитная энергия, поглощенная с площади S, выделяется в ТЧЭ и отводится в пространство с площадки s<S.
1-x
x
o
o
0
0
Задачу увеличения быстродействия τ болометров предлагается решить следующим образом. В известном болометре, который состоит из мембраны площади S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к твердой подложке с помощью токопроводящих шинок, с целью увеличения быстродействия регистрации ИК-излучения в интервале длин волн Δλ на основной длине волны λ, при заданной величине D*, в предлагаемом техническом решении функции (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен на мембране из протяженных полосок тонкопленочного монокристального материала BiSb, образующих узкополосные периодические решетки в количестве 2N с шагом расположения полосок в решетке, равным λ/2 (N - целое число). Необходимым является наличие двух типов решеток, которые ориентированы взаимно перпендикулярно друг к другу для обеспечения регистрации излучения любой поляризации. Поглощение энергии излучения происходит со всей площади S мембраны каждой из n полосок решетки, представляющей собой набор n фазированных антенн, а выделение и отток тепла осуществляется от площадки с площадью, равной s=a×b<S, где а - ширина полоски, b - ее длина. Рабочий интервал длин волн Δλ болометра зависит от числа полосок n в одной решетке и величины поверхностного сопротивления R полоски (R - сопротивление квадратного участка поверхности полоски). Экспериментально установлено, что величина Δλ≤(λ/n+λR/2Z), где Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, a R/2Z<0,5.
В такой конструкции происходит уменьшение вольт/ваттной чувствительности за счет интенсивного оттока тепла от ТЧЭ, но при этом уменьшается величина шума за счет применения в качестве ТЧЭ монокристальных пленок, шум которых снижен до предельного уровня шумов Найквиста-Джонсона. В результате параметр D* не уменьшается.
Для изготовления болометров с необходимым быстродействием τ геометрические и теплофизические параметры болометра должны удовлетворять условию τ<20a×b/χ, где χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен схематичный план вида детектора в аксонометрической проекции: к подложке 1 (обычно кремний) прикреплена диэлектрическая мембрана 2, на которой расположен термочувствительный и одновременно поглощающий электромагнитную энергию элемент 3, выполненный в виде набора двух типов последовательно соединенных полосковых структур (решеток, ориентированных перпендикулярно друг к другу). Мембрана крепится к подложке шинками 4, на которой расположены токопроводящие шинки 5, которые соединяют ТЧЭ 3 с контактами 6, необходимыми для подключения болометра в измерительную схему.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
3
4
2
3
4
1-x
x
2
-5
2
<mrow><msubsup><mi>U</mi><mi>ш</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>~</mo><mn>4</mn><mi>k</mi><mi>T</mi><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow>
Для практического осуществления предложенного изобретения болометрический детектор был изготовлен на пластине из кремния, на который было нанесено четырехслойное тонкопленочное покрытие, имеющее такой же коэффициент линейного расширения как и у кремния (SiO+SiN+SiO+SiN), под которым была вытравлена полость глубиной 2,5 мкм и площадью 120×120 мкм. Таким образом с помощью фотолитографии была изготовлена теплоизолированная от подложки из кремния мембрана 2, на которую наносился ТЧЭ 3 из монокристального тонкопленочного BiSb, где x=8%. Этот материал относится к классу полуметаллов с концентрацией свободных электронов 10 на атом. Температурный коэффициент сопротивления ТЧЭ равен 0,7%/K, а монокристальное исполнение пленок обеспечивает предельно низкий уровень шумов
, где k = постоянная Больцмана, R - полное сопротивление ТЧЭ. Элементы ТЧЭ имеют следующие геометрические параметры: ширина полосок 1 мкм, длина 20 мкм, толщина пленок ~100 нм, полная приемная площадь ~100×100 мкм. R~100 кОм.
ш
ш
Измерение уровня шума и вольт/ваттной чувствительности проводилось при напряжении смещения U на ТЧЭ~8 В. Не обнаружено зависимости напряжения шумов U от величины приложенного напряжения смещения, и в полосе 1 Гц U оказалось равным 42 нВ.
Устройство работает следующим образом. При воздействии на болометрический приемник импульсом прямоугольной формы электромагнитной волны происходит интенсивное поглощение энергии решеточными структурами ТЧЭ, что приводит к нагреву ТЧЭ и изменению его эффективного сопротивления на величину ΔR=RαΔT, где ΔТ - изменение температуры, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления. Наличие двух типов решеток из ленточных тонкопленочных полуметаллических структур дает возможность регистрировать ИК-излучение любой поляризации.
9
-1
-4
Измерения вольт/ваттной чувствительности W проводилось с использованием излучающего черного тела при температуре 500 K, светофильтра из InSb и механического модулятора. Получены оценочные значения W~4000 В/Вт и D*~10 Вт·см·Гц, τ~10 с.