Приемник ИК- и ТГц-излучений
RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS

Изобретение относится к технике радиоизмерений. Предлагаемый приемник предназначен для измерения пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения на длинах волн 2.08-16.6 мкм, 0.33-0.37 мм. Приемник обеспечит измерение параметров импульсно-модулированных сигналов ТГц-диапазона. Наличие отечественных приемников позволит обеспечить производство и эксплуатацию радиоэлектронных систем военной и гражданской техники.
В качестве приемников ТГц-излучения в настоящее время чаще всего применяются болометрические приемники (сверхпроводниковые, на горячих электронах) и диоды Шоттки из GaAs. Указанным болометрам присуща высокая чувствительность и высокое быстродействие (до 50 нс), основным недостатком является необходимость их охлаждения до криогенных температур. Рабочая температура указанных болометрических приемников составляет 8-4.2 К. Основными преимуществами приемников на диодах Шоттки являются быстродействие (до 20 ГГц) и возможность работы при комнатных температурах. Недостатком диодов Шоттки является нелинейная вольтамперная характеристика, что затрудняет создание на их основе измерительных устройств.
x
-6
-6
Известны неохлаждаемые микроболометрические приемники на основе пленок VO РФ [Разработка и применение неохлаждаемых матричных микроболометров для терагерцового диапазона / М.А. Демьяненко [и др.] // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2010. Т. 5. 4. С. 73-78], которые функционируют на длинах волн 0.3-10.6 мкм, обладают постоянной времени не менее 10 с и пороговой чувствительностью 1.6×10 Вт. Недостатком указанных приемников является низкая чувствительность в ТГц-диапазоне длин волн.
x
В настоящее время актуальной задачей является повышение чувствительности микроболометра на основе пленок VO в ИК-диапазоне и обеспечение резкого повышения чувствительности в ТГц-диапазоне.
x
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является многоэлементный тепловой приемник на основе пленки VO [патент на полезную модель RU №153286], 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 наиболее близкого аналога является низкая чувствительность к среднему и дальнему ИК-диапазону, кроме того, крайне низкая чувствительность к источникам ТГц-излучения.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в невозможности обеспечения измерения энергетических параметров непрерывного и импульсного инфракрасного и терагерцового излучений при комнатной температуре.
a
а
а
x
x
Поставленная проблема решается тем, что предлагается приемник ИК- и ТГц-излучений, 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 слюдяная подложка толщиной 40 мкм, на лицевой поверхности которой размещена двумерная пленочная алюминиевая решетка с квадратными ячейками, заполняющая круговую приемную площадку приемника, период двумерной решетки определен соотношением d=+b=0.50-0.52, где  - размер ячейки, =0.22 мм; b - ширина перемычки между ячейками, b=0.03 мм, и компенсационный элемент из пленки VO, размеры которого подобны термочувствительным элементам из VO, которые расположены на обратной стороне подложки под ячейками решетки, термочувствительные элементы выполнены в виде мозаики на площади приемной площадки, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками подложки.
x
Технический результат предлагаемого устройства заключается в расширении спектрального диапазона длин волн за счет использования в качестве поглощающего слоя тонкой слюдяной подложки, покрытой 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 (указанная структура выполняет функцию конвертера). Конвертер обеспечивает резонансное поглощение ИК- и ТГц-излучений. Поглощение в среднем ИК-диапазоне определяется кристаллической структурой подложки, а в ТГц-диапазоне определяется геометрическими размерами ячеек и шага сетки. Малая теплоемкость ИК-ТГц-конвертера обуславливает малую постоянную времени приемника, что позволяет использовать его для измерения импульсного излучения на длинах волн 2.08-16.6 мкм и 0.33-0.37 мм.
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью чертежей: фиг. 1-6:
на фиг. 1 (а) показана лицевая сторона подложки, заполненная металлической периодической структурой в виде двумерной решетки с квадратными ячейками, с компенсационным термочувствительным элементом, электродами и контактными площадками;
на фиг. 1 (б) показана обратная сторона подложки с топологией термочувствительных элементов в виде мозаики, заполняющей приемную площадку приемника, электродами и контактными площадками;
на фиг. 2 представлен общий вид приемника ИК- и ТГц-излучений (а), его вид в разрезе (б);
на фиг. 3 приведен спектр пропускания слюдяной подложки толщиной 40 мкм марки СТ-1 на длинах волн 2.08-14.28 мкм;
на фиг. 4 (а, б, в) приведены графики отражения, пропускания, поглощения со следующими геометрическими размерами квадратных ячеек двумерной решетки: а=0.1 мм, b=0.03 мм; а=0.15 мм, b=0.03 мм; а=0.2 мм, b=0.03 мм;
2
на фиг. 5 приведена гистерезисная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO толщиной 60 нм от температуры;
на фиг. 6 приведена пороговая экспозиция источников излучения на длинах волн 0.3-15 мкм, 0.33-0.37 мм, приводящая к нагреву термочувствительного слоя на 1°С.
x
x
x
x
x
Позициями на чертежах обозначены: 1 - слюдяная подложка; 2 - алюминиевая сетка; 3 - компенсационный термочувствительный элемент (VO); 4 - электроды с контактными площадками компенсационного термочувствительного элемента (VO); 5 - термочувствительные элементы (VO); 6 - электроды с контактными площадками термочувствительных элементов (VO); 7 - приемная площадка приемника; 8 - общий электрод с контактной площадкой термочувствительных элементов; 9 - контактные площадки компенсационного термочувствительного элемента (VO); 10 - основание корпуса приемника; 11 - крышка корпуса приемника; 12 - входное окно корпуса приемника; 13 - позолоченные выводы; 14 - диэлектрическая прокладка; 15 - ИК-ТГц-конвертер.
x
На фиг. 1 представлена конструкция ИК-ТГц-конвертера, выполненного на слюдяной подложке 1 толщиной 40 мкм. Лицевая сторона подложки покрыта пленочной двумерной алюминиевой решеткой с квадратными ячейками 2, которые заполняют площадь круговой приемной площадки 7. На свободном участке подложки 1 расположен компенсационный термочувствительный элемент (VO) 3 с контактными площадками 4. Конфигурация компенсационного термочувствительного элемента 3 подобна конфигурации термочувствительных элементов 5, при этом величины их удельных поверхностных сопротивлений равны. На противоположной стороне подложки 1 под алюминиевой сеткой 2 расположена мозаика 5, состоящая из 37 квадратных термочувствительных элементов с сигнальными электродами и контактными площадками 6 и общим электродом с контактной площадкой 8. Термочувствительные элементы 5 равноудалены друг от друга на плоскости круговой приемной площадки приемника 7. Компенсационный термочувствительный элемент 3 с помощью проводников соединен с контактными площадками 9. Контактные площадки 4, 6, 8, 9 с помощью проводников соединены с выводами корпуса. Расстояние между элементами 5 друг относительно друга одинаковое, поэтому имеет место равномерное заполнение термочувствительными элементами приемной площадки приемника 7. Решетка экранирует 27% падающего излучения.
x
На фиг. 2 представлена конструкция приемника, которая содержит герметичный корпус, состоящий из основания 10 и крышки 11 с входным окном 12, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, например, из BaF. Основание корпуса 10 имеет позолоченные выводы 13. На основании корпуса 10 с помощью диэлектрической прокладки 14 закреплен ИК-ТГц-конвертер 15, который представляет собой диэлектрическую подложку, лицевая поверхность которой покрыта двумерной пленочной алюминиевой решеткой, на свободной поверхности подложки размещен компенсационный термочувствительный элемент, обратная сторона подложки заполнена мозаикой из 37 термочувствительных элементов из пленки VO с электродами и контактными площадками.
x
Регистрируемое излучение, проходя через ячейки в пленочной двумерной алюминиевой решетке, 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. 3 приведен спектр пропускания слюдяной подложки толщиной 40 мкм марки СТ-1 на длинах волн 2.08-16.66 мкм. На длинах волн 2.08-2.63 мкм имеет место ~90% пропускание в диапазонах длин 2.7-2.78 мкм и 9.09-16.66 мкм, ~100% поглощение подложки. В диапазонах 2.85-5.26 мкм и 5.55-7.69 мкм имеет место 80% и 40% пропускание подложки соответственно.
x
ИК-ТГц конвертер, выполненный на слюдяной подложке 2 толщиной 40 мкм. Лицевая сторона подложки покрыта тонкой двумерной алюминиевой решеткой в форме круга с квадратными ячейками 1. На обратной стороне подложки под решеткой нанесена мозаика из 37 термочувствительных элементов на основе пленки VO 3. Топология размещения термочувствительных элементов сохраняется при вариации диаметра приемной площадки приемника в диапазоне 3-14 мм. В таблице 1 приведены размеры термочувствительных элементов в зависимости от диаметра приемной площадки приемника.
Введение в состав конвертера частотно-избирательной поверхности (двумерная пленочная алюминиевая решетка, при вариации ее геометрических размеров) выделяет диапазон длин волн регистрируемого терагерцового излучения, таким образом, выполняя функции двумерной дифракционной решетки.
x
Конвертер представляет собой резонансную структуру, коэффициенты отражения пленочных слоев, который на основе Al (двумерная решетка) и VO (термочувствительный слой) составляют соответственно в терагерцовом диапазоне 50% и 95%, а слюдяная подложка практически прозрачна. Дифракционное уширение определяется минимальным углом Θ=λ/α, где λ - длина волны, α - ширина ячейки. Толщина слюдяной подложки 0.04 мм, а длина волны регистрируемого излучения частотой 1 ТГц составляет 0.29 мм.
Чтобы сосредоточить дифрагированные световые волны в объеме слюдяной подложки варьировали ширину ячейки для достижения оптимального угла преломления дифрагированного луча. Кроме того, варьировали период двумерной решетки, чтобы дополнительно обеспечить повышение степени локализации регистрируемого излучения в объеме подложки.
Под действием регистрируемого излучения в подложке возбуждаются колебания близких резонансных частот, что сопровождается накоплением энергии электромагнитных колебаний и вызывает нагрев подложки.
а
Целью исследования являлось определение оптимального шага решетки d, размера квадратной ячейки , при заданной толщине слюдяной подложки h.
Анализ металлической решетки был произведен методом конечных элементов (МКЭ) в частотной области [Устройства поляризации радиоволн в терагерцовом диапазоне частот. Новые принципы построения. Монография / Под. Ред. А.С. Якунина. - М.: Радиотехника, 2012. - 256 с.: ил.].
Коэффициенты отражения, поглощения, пропускания ИК-ТГц-конвертера определялись решением волнового уравнения в рассматриваемой частотной области регистрируемого излучения методом векторных конечных элементов при помощи граничных условий типа порт [Григорьев, А.Д. Методы вычислительной электродинамики / А.Д. Григорьев // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2013. 432 с.]. Для учета электрофизических параметров пленочных слоев ИК-ТГц-конвертера, использовалась модель диэлектрических потерь в рассматриваемой частотной области приемника.
Исследовался частотный диапазон рабочих частот 0.8-1.2 ТГц, который является наиболее распространенным в измерителях мощности терагерцового излучения отечественных и зарубежных компаний.
x
а
a
а
а
На фиг. 4 (а, б, в) показаны графики коэффициентов поглощения, отражения, пропускания пленочной структуры алюминиевая сетка - слюда - VO, с геометрическими параметрами решетки: =0.1 мм, b=0.03 мм (а); =0.15 мм, b=0.03 мм; (б), =0.2 мм, b=0.03 мм (в), где  - размер ячейки, b - ширина перемычки между ячейками.
x
Коэффициенты поглощения, отражения, пропускания определялись решением волнового уравнения в рассматриваемой частотной области регистрируемого излучения методом векторных конечных элементов при помощи граничных условий типа порт. Зависимость поглощения подложки (мусковит) и чувствительного слоя (VO) от частоты регистрируемого излучения учитывалось путем интерполяции экспериментальных данных для диэлектрической проницаемости. Расчет проводился для спектра частот 0.8-1.2 ТГц.
Результаты экспериментов приведены в таблице 2.
a
а
При размере ячейки решетки 0.2 мм и ширине перемычки 0.03 мм наблюдается постоянное значение коэффициента поглощения конвертера в частотном диапазоне 0.8-0.9 ТГц и составляет 60%. Период двумерной решетки с квадратными ячейками определяется из соотношения d=+b=0.23-0.25, где  - размер ячейки, в мм; b - ширина перемычки между ячейками, в мм, являются оптимальными для диапазона частот 0.8-0.9 ТГц.
x
x
На фиг. 5 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO, толщиной 60 нм от температуры. В диапазонах температур 20-45°С и 45-69°С прямую ветвь термического гистерезиса пленки VO можно представить с небольшой погрешностью в виде двух отрезков прямых (АВ и ВС).
-8
Результаты расчетных и экспериментальных данных коэффициента поглощения конвертера на длинах волн 2.08-16.66 мкм и 0.33-0.37 мм и величины энергетической экспозиции, обеспечивающей нагрев конвертера на 1°С от длительности импульса излучения 1-10 с приведены в таблице 3.
x
x
-8
-7
На фиг. 6 приведена зависимость энергетической экспозиции излучения на длинах волн: 2.08-2.63 мкм; 2.7-2.78 мкм; 2.85-5.26 мкм; 5.55-7.69 мкм; 9.09-16.6 мкм; 0.33-0.37 мм; от длительности импульса, обеспечивающая нагрев термочувствительного слоя VO на 1°С. Диапазон изменения длительности импульса излучения выбирался для приемника с апертурой 3 мм и размером термочувствительного элемента 0.2×0.2 мм. Быстродействие измерительного канала приемника определяется отношением величины эффективной теплоемкости части объема конвертера, состоящего из облучаемой поверхности слюдяной подложки, покрытой алюминиевой решеткой и расположенного под подложкой термочувствительного элемента из VO, к константе тепловых потерь подложки. Быстродействие приемника в ИК и миллиметровом диапазонах составляет соответственно ~10 и ~10 с.
x
Для изготовления приемника ИК- и ТГц-излучений использовали малогабаритный металлостеклянный корпус, состоящий из основания 1210.29-5Н и крышки 155.15-2 с прозрачным окном, выпускаемый ОАО «Завод «МАРС», г. Торжок с позолоченными выводами, размером 39×29×4,5 мм, с окном из материала ФБС-И, прозрачным для регистрируемых излучений. Корпус имеет 42 позолоченных вывода диаметром 0.3 мм и высотой 6 мм, это предельное число выводов для данного типа корпуса. Диэлектрическая подложка выполнена из слюды марки СТ-1 размером 36×24×0.04 мм. Конвертер представляет собой слюдяную подложку толщиной 0.04 мм, на лицевой поверхности которой размещена двумерная пленочная алюминиевая решетка с квадратными ячейками 0.2×0.2 мм и периодом решетки 0.23 мм. На обратной стороне подложки размещены 37 термочувствительных элементов квадратной формы, размером 0.2×0.2 мм, которые заполняют круговую приемную площадку, диаметром 3 мм. Компенсационный элемент выполнен из пленки VO.
x
Нанесение пленочных слоев конвертера проводили способом термовакуумного напыления на установке вакуумного осаждения УРМ3.279.060. Изготовление алюминиевой решетки проводили по технологии классического жидкостного травления алюминиевого слоя по рисунку фоторезистивной маски [патент РФ №2393512 (13)]. Термочувствительные элементы на основе VO, где х=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].
Для корректировки конфигурации и размеров решетки, а также термочувствительных элементов может быть использован метод размерной обработки металлических и полупроводниковых пленок с помощью лазерного излучения, например с использованием лазерного станка 4222Ф2 с ЧПУ.
x
-8
-7
Преимуществом предлагаемого многоэлементного приемника ИК- и ТГц-излучений является параллельная регистрация излучения всеми 37 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 ИК-ТГц приемника с постоянной времени ~10 с в ИК-диапазоне и ~10 с в ТГц-диапазоне длин волн. Приведенные характеристики значительно превышают характеристики отечественных и зарубежных аналогов.