Охлаждаемое фотоприемное устройство

Охлаждаемое фотоприемное устройство.
Предлагаемое устройство относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться в аппаратуре различного назначения, в особенности в малогабаритных тепловизионных приборах, работающих в области спектра 3-5 мкм.
Известны охлаждаемые фотоприемные устройства (ФПУ), содержащие систему охлаждения и герметичный вакуумированный или газонаполненный корпус с входным окном, внутри которого на охлаждаемом держателе размещен фоточувствительный элемент (ФЧЭ), состоящий из множества фоторезисторов, сигналы с которых с помощью проводящих дорожек и системы внешних выводов передаются на блок предварительного усиления электрических сигналов.
Система охлаждения ФЧЭ может быть выполнена в виде микрокриогенной машины на эффекте Стирлинга (см., например, патент США № 4719353, кл. 250/352, 1988 г.; а. с. СССР № 1637592 HO1L31/02, БИ № 11, 1991 г.; патент США № 4995236, Ю1.250/352, 1991г; патент США № 4862002, кл. 250/352, 1989 г.; патент РФ № 2189666, кл. H01L31/024 2002 г.).), либо дроссельного микроохладителя на эффекте Джоуля Томсона (см., например, патент США №4621279, кл. 257/716, 1986 г.; патент США № 4974062 кл. 357/83, 1990г.)
Основные недостатки таких ФПУ связаны высоким уровенем шумов, вызванных помехами и вибрациями, возникающими при работе этих систем охлаждения, низкой надежностью, высоким энергопотреблением, а также значительными весами и габаритами. Данные системы применяются в случаях, когда требуется охлаждение до температур ниже 15ОК.
Этих недостатков лишены приборы, где охлаждение ФЧЭ осуществляется с помощью термоэлектрических охладителей (ТЭО).
Известны ФПУ серии 2105, выпускаемые одной из наиболее передовых фирм США- фирмой Litton, охлаждаемые ТЭО, на основе 128 элементного фоторезистора из селенида свинца (см. проспект фирмы 1997год). В ФПУ серии 2105 применен вакуумированный корпус и для считывания сигналов микросхема мультиплексора.
Применение вакуумированного корпуса и мультиплексора, с помощью которого существенно уменьщается число выводов, для ФПУ серии 2105 с числом фоторезисторов более 100 (128) связано с необходимостью обеспечения необходимой температуры охлаждения и соответствующего значения обнаружительной способности. Применение вакуумированного корпуса приводит к увеличении трудоемкости и стоимости изготовления ФПУ, а использование мультиплексора для ряда схем построения тепловизионных приборов не целесообразно.
Широкое применение ИК аппаратуры, в частности тепловизоров, в значительной мере сдерживается из-за отсутствия недорогих, малогабаритных ФПУ с высоким уровнем фотоэлектрических параметров. При этом, для целого ряда прикладных задач и определенного класса тепловизоров подходит ФПУ с числом фоторезисторов менее 100 (обычно 64). В этом случае применение мультиплексоров нецелесообразно, а обеспечение заданной температуры охлаждения и соответствующего значения обнаружительной способности может быть достигнуто при использовании герметичного корпуса, заполненного инертным газом с низкой теплопроводностью.
Известны ФПУ, содержащие герметичный корпус, заполненный инертным газом с низкой теплопроводностью, внутри которого на двухкаскадном ТЭО установлен ФЧЭ из 64 фоторезисторов (см. проспект фирмы Litton 1997г , приборы серии 2100 на сульфиде и селениде свинца).
Для считывания электрических сигналов с фоторезисторов каждый фоторезистор снабжен герметичным выводом, который соединен с соответствующим контактом печатной платы, где установлены резисторы нагрузки для каждого фоторезистора.
Электрические сигналы с резисторов нагрузки поступают в блок
предварительного усиления, который не включен в состав данного ФПУ и
выполняется в виде отдельного устройства. Питание цепей фоторезисторов
осуществляется с помощью пассивного RC-фильтра, напряжение на
который поступает от внешнего источника.
Указанное ФПУ серии 2100, как наиболее близкое к предлагаемому принято за прототип.
Основным недостатком данного ФПУ является недостаточная помехозащищенность, затрудняющая его применение в малогабаритных сканирующих тепловизорах. Это связано с высоким сопротивлением цепей фоторезисторов (  10 мОм), подверженных воздействию статического электричества и электромагнитных наводок, и усугубляется наличием проводников значительной длины, соединяющих цепи фоторезисторов с блоком предварительного усиления, а также отсутствием экранирующих устройств.
Пастоящее предложение решает задачу создания недорогой малогабаритной конструкции охлаждаемого ФПУ с повышенной помехозащищенностью при высоком уровне фотоэлектрических параметров.
Для решения этой задачи в известное охлаждаемое ФПУ, содержащее герметичный газонаполненный корпус с входным окном, внутри которого размещен установленный на термоэлектрическом охладителе фоточувствительный элемент из «п фоторезисторов, где «п меньше 100, а также систему герметичных выводов электрических сигналов с фоторезисторов и систему питания, смонтированную на печатных платах, введена система усиления электрических сигналов из «п предварительных
усилителей, каждый из которых выполнен по схеме с истоковым повторителем на полевом транзисторе на входе и усилителе на основе операционного усилителя, включенного по схеме инвертирующего усилителя, система герметичных выводов электрических сигналов с фоторезисторов выполнена в виде вклеенного в герметичный корпус контактного растра из поликора с нанесенными на него проводящими дорожками, соединяющими фоторезисторы через гибкие шлейфовые кабели с входами соответствующих предварительных усилителей, схема питания выполнена в виде малошумящих стабилизаторов напряжения, а основание герметичного корпуса выполнено в виде теплопроводящего цоколя, на котором по обе стороны от корпуса, вертикально установлены два кожуха - экрана с размещенными в них печатными платами, на каждой из которых методом поверхностного монтажа смонтированы «п/2 предварительных усилителей и малошумящий стабилизатор напряжения, выходы которого подключены к цепям питания соответствующих фоторезисторов и к неинвертирующим входам соответствующих операционных усилителей.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого ФПУ; на фиг. 2 - электрическая схема ФПУ.
Предлагаемое охлаждаемое ФПУ содержит герметичный, заполненный инертным газом с низкой теплопроводностью, корпус 1 с входным окном 2, вклеенным в корпус 1. В герметичном корпусе 1 размещен ФЧЭ 3 из «п фоторезисторов 4i...4n, смонтированный на ТЭО 5 ,установленный в герметичный корпус 1, и контактный растр 6 с проводящими дорожками 7i...7n. Проводящие дорожки 7i...7n соединены с одной стороны с фоторезисторами 4i...4n с помощью тонких проводников 8i...8n с низкой теплопроводностью, например из платины, а с другой стороны с соответствующими жилами гибкого, шлейфового кабеля 9.
Основание герметичного корпуса 1, выполнено в виде теплоотводящего цоколя 10. На противоположных сторонах цоколя 10, по обе стороны от корпуса 1 вертикально установлены два кожуха - экрана 11 и 11 В каждом кожухе - экране установлена печатная плата 12 и 12 на которой методом поверхностного монтажа установлена схема питания в виде малошумящего стабилизатора напряжения (на чертеже не показаны) и ПУ 13i...l3n (поровну в каждом кожухе - экране).
Предварительные усилители 13i...l3n (см. фиг.2). выполнены по схеме с истоковым повторителем на полевом транзисторе VT1 на входе и усилителе на основе операционного усилителя DA1, включенного по схеме инвертирующего усилителя.
Схема питания, на которую от внешнего источника поступает напряжение, выполнена на малощумящем стабилизаторе напряжения DA2, выходы которого подключены к цепям питания соответствующих фоторезисторов и к неинвертирующим входам соответствующих операционных усилителей.
Использование гибкого щлейфового кабеля 9 для передачи электрического сигнала от контактного растра 6 к ПУ 13п позволяет размещать ПУ 13п в вертикальных кожухах - экранах 11 и 11 и тем самым получить компактную конструкцию, а выполнение кожухов экранов 11 и 1Г из проводящего материала придает им экранирующие функции и обеспечивает дополнительную защиту прибора от внещних наводок и помех. Включение в состав ФПУ устройств предварительного усиления, установленных в экранирущих кожухах в непосредственной близости от цепей фоторезисторов позволяет обеспечить высокую помехозашишенность при незначительных габаритах ФПУ.
Выполнение контактного растра 6 из поликора, на котором с помощью фотолитографии можно выполнить любой заданный рисунок проводяпщх
дорожек, позволяет получить недорогой и надежный элемент считывания и передачи электрического сигнала от фоторезисторов 4i...4n.
Присоединение элементов корпуса таких, как, например, входное окно 2 и контактный растр 6 с помощью клеевой композиции упрощает и удешевляет сборку прибора, сохраняя при этом необходимую герметичность конструкции.
Сочетание описанных особенностей конструкции позволило создать компактное, недорогое и технологичное ФПУ с высоким уровнем фотоэлектрических параметров и повышенной помехозащищенностью.
Предлагаемое ФПУ работает следующим образом.
Перед началом работы ФЧЭ 3 охлаждается с помощью ТЭО 5 до заданной рабочей температуры. Поток ИК излучения через входное окно 2 поступает на фоторезисторы 4i...4n, под действием которого их сопротивление изменяется. Соответствующий электрический сигнал через контактный растр 6 и через шлейфовый кабель 9 поступает на вход соответствующего ПУ 13п. При этом на входе повторителя на полевом транзисторе VTn появляется сигнал, пропорциональный потоку ИК излучения, падающего на фоторезистор 4п. Этот сигнал усиливается предварительным усилителем 13п и подается на выходные контакты 14, 14 печатных плат (выходы ФПУ).
Были изготовлены и испытаны, отдельно и в составе тепловизора, опытные образцы предлагаемого ФПУ.
ФЧЭ 3 представлял собой 64 - элементный фоторезистор на основе селенида свинца на подложке из фотостекла.
Корпус 1 изготовлен из ковара с окном из германия и заполнен ксеноном. В качестве охладителя применен двз скаскадный ТЭО, который обеспечил температуру охлаждения ФЧЭ минус 50 градус Цельсия при окружающей температуре 20 градусов Цельсия.
Сборка герметичного корпуса 1 ( в том числе вклеивание входного окнаи контактного растра) производилась с помощью клеевой композиции на основе диизоционата и кремийорганического полиола.
В предварительных усилителях с коэффициентом усиления 200 в качестве операционных усилителей применены микросхемы типа AD8534AR ( четырехканальный операционный усилитель в корпусе SOIC).
В качестве малошумящих стабилизаторов напряжения применены микросхемы AD780AR ( в корпусе типа SOIC).
Габаритные размеры ( вместе с устройством предварительного усиления) составили  мм.
Габаритные размеры прототипа (без устройства предварительного усиления) составили .6 мм.
Вольтовая чувствительность составила 10 В/Вт, что на два порядка выше, чем в прототипе, а основной параметр ФПУ- обнаружительная способность , измеренная на длине волны 4.2 мкм
D А.тах  4 10 ° Bт см Гц   (типовое значение) соответствует мировому уровню для приборов этого класса.
Первый заместитель Генерального директора
по научной и производственной работе  Пономаренко