Приёмник терагерцевого излучения на основе плёнки VOx
X
TERAHERTZ RADIATION RECEIVER BASED ON AN VO FILM

Изобретение относится к технике радиоизмерений. Предлагаемый приемник предназначен для измерения пространственно-энергетических характеристик терагерцевого излучения. Приемник обеспечивает измерение параметров импульсно-модулированных сигналов терагерцевого (ТГц) диапазона. Наличие отечественных приемников позволит обеспечить производство и эксплуатацию радиоэлектронных систем военной и гражданской техники.
В настоящее время актуальной задачей является создание неохлаждаемых мозаичных микроболометров, обладающих высоким быстродействием и чувствительностью в ТГц-диапазоне.
x
Известны неохлаждаемые микроболометрические приемники на основе пленок VO
В частности, известен неохлаждаемый микроболометрический приемник излучения (см. патент РФ на полезную модель № 120770 по кл. МПК G01J 5/20, опуб. 27.09.2012), содержащий матрицу с изолированными друг от друга пикселями, каждый из которых включает слой первого уровня из полупроводникового кристалла с интегральной схемой считывания и контактами, термоизолирующий слой второго уровня, выполненный в виде ломаных линий, расположенных вдоль двух противоположных сторон пикселя, состоящих из диэлектрического материала, снабженного отражающим покрытием, внутри которого размещен проводящий металл, при этом контактные выходы проводящего металла первой ломаной линии соединены с первым контактом первого уровня, второй - со вторым контактом первого уровня, а контактные входы проводящих металлов первой и второй ломаных линий - с соответствующими контактами абсорбирующего термочувствительного слоя третьего уровня.
Известен также матричный приемник терагерцового излучения, основанный на матричной структуре из ячеек Голея (см. патент РФ № 2414688, по кл. МПК G01J 5/420, опуб. 20.03.2011). Каждая из ячеек представляет собой заполненную газом камеру, один торец которой является входным окном для электромагнитного излучения, противоположный торец закрыт гибкой мембраной с зеркальным покрытием с внешней стороны, а внутри полости размещен поглощающий элемент, выполненный в виде ультратонкого (не менее чем в 50 раз меньше длины волны терагерцового излучения) резонансного поглощающего слоя, содержащего высокоимпедансную поверхность, обращенную к входному окну ячейки, при этом матрица содержит ячейки с заданными оптическими характеристиками поглощающих слоев, обусловленными различием топологий высокоимпедансных поверхностей.
Недостатком приемников при матричном исполнении является взаимное влияние элементов друг на друга, при этом указанные приемники трудоемки в изготовлении, технологический процесс изготовления отличается высокой сложностью.
x
Известен многоэлементный тепловой приемник на основе пленки VO (см. патент РФ на полезную модель № 153286 по кл. МПК G01J 5/20, опуб. 10.07.2015), содержащий плоский металлостеклянный корпус с окном, внутри корпуса перед окном расположена подложка. На плоскости круговой приемной площадки установлено 37 термочувствительных элементов, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом размещение элементов по вертикалям выполнено следующим образом: на центральной линии симметрии – 7 элементов, на ближайших к ним линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента.
Недостатком данного решения является крайне низкая чувствительность к источникам ТГц-излучения.
x
x
x
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является приемник ИК и ТГц излучений (см. патент РФ № 2650430 по кл. МПК G01J 5/20, опуб. опубл. 13.04.2018), содержащий плоский герметичный металлостеклянный корпус, состоящий из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками подложки, и крышки с окном, прозрачным для регистрируемых излучений, перед окном установлена подложка, на которой размещены термочувствительные элементы из пленки VO в виде мозаики, заполняющей круговую приемную площадку приемника, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки расположен пленочный компенсационный элемент из VO с электродами. При этом на лицевой поверхности слюдяной подложки расположена двумерная пленочная алюминиевая решетка с квадратными ячейками, заполняющая круговую приемную площадку приемника. В качестве поглощающего слоя используется тонкая слюдяная подложка, покрытая с лицевой стороны двумерной пленочной алюминиевой решеткой (частотно-избирательной поверхностью), а с обратной стороны мозаикой из термочувствительных элементов из пленки VO со схемой токовой разводки. Поглощение в ТГц-диапазоне определяется геометрическими размерами ячеек и шага сетки. Приёмник может быть использован для измерения импульсного излучения на длинах волн 2.08 – 16.6 мкм и 0.33 – 0.37 мм.
Недостатком наиболее близкого аналога являются технологические сложности в выполнении алюминиевой 2D-решетки, невысокая чувствительность и быстродействие, а также ограниченный спектральный диапазон длин волн.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в создании простого и надёжного неохлаждаемого приемника ТГц-излучения, обеспечивающего измерение энергетических параметров непрерывного и импульсного терагерцевого излучения и возможность эксплуатации в условиях воздействия электромагнитных помех.
Технический результат предлагаемого приемника заключается в повышении его быстродействия и чувствительности при расширении спектрального диапазона длин волн.
x
x
Техническая проблема достигается тем, что приёмник терагерцевого излучения, содержащий герметичный корпус, состоящий из основания  и крышки  с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения, на основании корпуса закреплена диэлектрическая подложка, на лицевой поверхности которой перед окном размещён приёмный поглощающий слой из ячеек, а на обратной стороне расположены компенсационный термочувствительный элемент из плёнки VOи термочувствительный слой из плёнки VO,выполненный из элементов в виде мозаики, которые размещены под ячейками поглощающего слоя, каждый элемент термочувствительного слоя имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, согласно изобретению, ячейки приёмного поглощающего слоя выполнены в виде пикселей, каждый из которых расположен над соответствующим элементом термочувствительного слоя и выполнен идентичным элементам по размеру и форме, расстояние между пикселями приёмного поглощающего слоя и элементами термочувствительного слоя соответствуют размеру пикселей.
Толщину h диэлектрической подложки приёмника выбирают из условия h = λ/(25-75), где длина волны λ=1-3 мм.
Приёмный поглощающий слой может быть выполнен из сплава нихром толщиной 6-9 нм или плёнки хрома толщиной 8-10 нм.
2
2
Пиксели поглощающего слоя и элементы термочувствительного слоя могут быть выполнены квадратными с размерами сторон 0,03×0,03 мм – 0,18×0,18 мм.
Повышение быстродействия и чувствительности приёмника достигается  благодаря мозаичному исполнению приемника, когда поглощающий и термочувствительный слои выполнены в виде пикселей, и расположены друг под другом на противоположных сторонах подложки, термочувствительные пиксели соединены схемой токовой разводки. Чувствительность и быстродействие приемника линейно зависят от длительности импульса излучения, а также от размеров пикселей поглощающего и термочувствительного слоев.
Высокая чувствительность приемника также обусловлена низкой теплоемкостью подложки и скачкообразному изменению до двух порядков величины сопротивления термочувствительного слоя.
Расширение спектрального диапазона длин волн достигается за счет использования в качестве поглощающего слоя сплава нихром, содержащего металлы с частично заполненным пиком плотности электронных состояний на уровне Ферми. Поглотитель обеспечивает резонансное поглощение ТГц-излучения за счет плазмонного резонанса, и преобразует энергию ТГц-излучения в теплоту.
Предлагаемое изобретение поясняется иллюстрациями, где:
- на фиг. 1 показана лицевая сторона подложки в виде пикселей;
x
- на фиг. 2 – обратная сторона подложки с топологией термочувствительных элементов в виде мозаики, заполняющей приемную площадку приемника, электродами и контактными площадками, на свободной части подложки расположен компенсационный элемент из VO с электродами;
- на фиг. 3 – топология массива поглощающих пикселей в увеличенном масштабе;
- на фиг. 4 – продольный разрез приемной площадки приемника;
- на фиг. 5 – топология термочувствительных элементов и элементы токовой разводки с обратной стороны подложки под массивом поглощающих пикселей в увеличенном масштабе;
- на фиг. 6 представлен общий вид мозаичного приемника ТГц-излучений (слева), его вид в разрезе (справа);
- на фиг. 7 приведен спектр поглощения слоя нихром в ТГц-диапазоне частот;
2
- на фиг. 8 приведена гистерезисная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO толщиной 60 нм от температуры;
2
0
- на фиг. 9 приведена пороговая экспозиция источников излучения на длинах волн 1 мм –2-3 мм, приводящая к нагреву термочувствительного слоя размером 0,1×0,1 ммна 1С.
Позициями на чертежах обозначены:
x
x
x
1 – диэлектрическая (слюдяная) подложка; 2 – токовая разводка термочувствительных элементов; 3 – электроды с контактными площадками компенсационного термочувствительного элемента (VO); 4 – компенсационный термочувствительный элемент (VO); 5 – общий электрод с контактной площадкой термочувствительных элементов; 6 – поглощающие пиксели из нихрома; 7 – термочувствительные элементы (VO); 8 – крышка корпуса приемника; 9 – входное окно корпуса приемника; 10 – позолоченные выводы; 11 – основание корпуса приемника; 12 – прозрачное для регистрируемого излучения стекло; 13 – диэлектрическая прокладка.
Облучаемая сторона подложки покрыта слоем нихром в виде пикселей 6 (фиг. 3), размером 0.18×0.18 мм, которые заполняют площадь приемной площадки. На противоположной стороне подложки 1 под поглощающими пикселями 6 расположена мозаика 7 (фиг. 2, фиг. 5), состоящая из 15-и квадратных термочувствительных элементов с сигнальными электродами и контактными площадками 2 и общим электродом с контактной площадкой 5. Термочувствительные элементы 7 равноудалены друг от друга на плоскости приемной площадки приемника.
x
На свободном участке подложки 1 расположен компенсационный термочувствительный элемент (VO) 4 с контактными площадками 3 (фиг. 2). Конфигурация компенсационного термочувствительного элемента 4 подобна конфигурации термочувствительных элементов 7, при этом величины их удельных поверхностных сопротивлений равны. Компенсационный термочувствительный элемент 4 с помощью проводников соединен с контактными площадками 3. Контактные площадки 2, 3, 5 (фиг. 2) с помощью проводников соединены с выводами корпуса 10 (фиг. 6). Расстояние между элементами 7 друг относительно друга одинаковое, поэтому имеет место равномерное заполнение термочувствительными элементами приемной площадки приемника.
x
На фиг. 6 представлена конструкция приемника, которая содержит герметичный корпус, состоящий из основания 11 и крышки 8 с входным окном 9, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения 12, например, из BaF. Основание корпуса 11 имеет позолоченные выводы 10. На основании корпуса 11 с помощью диэлектрической прокладки 13 закреплена диэлектрическая (слюдяная) подложка 1, лицевая поверхность которой покрыта поглощающими пикселями из нихрома 6, обратная сторона подложки заполнена мозаикой из 15 термочувствительных элементов 7 из пленки VO с электродами и контактными площадками, на свободной поверхности подложки размещен компенсационный термочувствительный элемент 4.
Приёмник работает следующим образом.
x
Регистрируемое излучение поглощается пикселями из нихрома, нагревает слюдяную подложку и расположенный на ней термочувствительный слой на основе мозаики из термочувствительных элементов VO. Характер нагрева термочувствительных элементов формирует двухмерную картину изменения их сопротивления.
На фиг. 7 приведен спектр поглощения слоя нихром, толщиной 8,3 нм в ТГц-диапазоне частот 75-260 ГГц. Измерение поглощения пленочной структуры нихром-мусковит в диапазоне частот 75-260 ГГц проводилось на установке для измерения параметров передачи, отражения и частотных характеристик КВЧ-изделий в диапазоне частот 75-260 ГГц. Установка предназначается для технологического и выходного контроля устройств, предназначаемых для применения в приёмных и передающих трактах радиоэлектронной аппаратуры миллиметрового диапазона различного функционального назначения. В ходе измерения структура нихром-мусковит помещалась между двумя волноводами. Далее проводилось измерение          S-параметров, и проводился расчет коэффициента поглощения по формуле A=1-(T+R), где A–коэффициент поглощения; T – коэффициент пропускания; R – коэффициент отражения.
Эксперименты показали: поглощение слоя нихром на длинах волн        3 мм и 2 мм составляет 40%, а на длине 1 мм составляет 50%.
x
x
На фиг. 8 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO, толщиной 60 нм от температуры. В диапазонах температур 20–45°C и 45– 69 °C прямую ветвь термического гистерезиса пленки VOможно представить с небольшой погрешностью в виде двух отрезков прямых (АВ и ВС).
x
2
-8
-8
На фиг. 9 приведена зависимость энергетической экспозиции излучения на длинах волн: 1 мм и 2-3 мм от длительности импульса, обеспечивающая нагрев термочувствительного слоя VOразмером 0,1×0,1 ммна 1 °С. Измерительный канал представляет собой поглощающий пиксель и расположенный под ним термочувствительный пиксель, размещенные на слюдяной подложке. Быстродействие измерительного канала зависит от размеров поглощающего и термочувствительных пикселей. Быстродействие приемника в ТГц диапазонах составляет соответственно ~10с. Чувствительность измерительного канала линейно изменяется от длительности импульса излучения в диапазоне 1-10с.
x
2
2
2
В таблице  приведены экспериментальные результаты энергетической экспозиции излучения от длительности импульса, обеспечивающего нагрев термочувствительного слоя VO на 1 °С, выполненного в виде пикселя, размером в диапазоне: 30×30 мкм;          100×100 мкм; 180×180 мкм.
Таблица. Результаты экспериментов
Длина волны, мм
Размеры пикселя, мкм<sup>2</sup>
Энергетическая экспозиция, Дж/пиксель
Время экспозиции 1 с
Время экспозиции 10<sup>-8</sup> с
1
30×30
10<sup>-6</sup>
4,7×10<sup>-10</sup>
100×100
1,2×10<sup>-5</sup>
5,6×10<sup>-9</sup>
180×180
3,6×10<sup>-5</sup>
1,7×10<sup>-8</sup>
2
30×30
0,83×10<sup>-6</sup>
2,9×10<sup>-10</sup>
100×100
9,3×10<sup>-6</sup>
4,3×10<sup>-9</sup>
180×180
2,8×10<sup>-5</sup>
1,3×10<sup>-8</sup>
3
30×30
6,6×10<sup>-6</sup>
3×10<sup>-9</sup>
100×100
7,4×10<sup>-6</sup>
3,5×10<sup>-9</sup>
180×180
2,2×10<sup>-5</sup>
1×10<sup>-8</sup>
x
Для изготовления мозаичного приемника ТГц-излучения использовали малогабаритный металлостеклянный корпус, выпускаемый ОАО «Завод «МАРС», г. Торжок, состоящий из основания 1409.26-1Н и крышки ПАЯ7.313.008-02 с прозрачным окном, с позолоченными выводами, размером 21.85×19.35×18 мм, с окном из материала ФБС-И, прозрачным для регистрируемых излучений. Корпус имеет 26 позолоченных выводов диаметром 0.9 мм и высотой 8 мм; это предельное число выводов для данного типа корпуса. Диэлектрическая подложка выполнена из слюды марки СТ-1 размером 13×15.5×0.04 мм. Слюдяная подложка, толщиной 0.04 мм, на лицевой поверхности которой размещен слой нихрома в виде пикселей размером 0.18×0.18 мм. На обратной стороне подложки размещены 15 термочувствительных элементов квадратной формы, размером 0.18×0.18 мм, которые заполняют приемную площадку, размером 1.66×0.9 мм. Компенсационный элемент выполнен из пленки VO.
x
Нанесение пленочных слоев проводили способом термовакуумного напыления на установке вакуумного осаждения УРМ3.279.060. Изготовление топологии мозаики из поглощающего и термочувствительного слоев на диэлектрической подложке – способом динамического формирования изображения. Термочувствительные элементы на основе VO, где x=1,5-2,02 наносятся на диэлектрическую подложку с помощью двухстадийного метода, приведенного в работе (Олейник А.С. Регистрация лазерного излучения пленочными реверсивными средами на основе диоксида ванадия / А.С. Олейник, А.В. Федоров // Российские нанотехнологии, 2011. Т. 6  № 5-6. С. 120-129).
x
-8
Преимуществом предлагаемого мозаичного приемника ТГц-излучений является параллельная регистрация излучения всеми 15 измерительными каналами, при этом постоянная времени приемника определяется одним измерительным каналом. Схема управления приемником приведена в работе (Олейник, А. С. Тепловые приемники лазерного излучения на основе пленок VO/ А. С. Олейник, Р. Н. Салихов // Датчики и системы. 2015. №7. С. 19 – 25). Разработана конструкция мозаичного ТГц-приемника с постоянной времени ~ 10с. Приведенные характеристики значительно превышают характеристики отечественных и зарубежных аналогов.