Матричный преобразователь
MATRIX CONVERTER

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно для преобразования и измерения пространственного распределения потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона (включая терагерцовое). Изобретение может быть использовано в ИК и ТГц спектроскопии, в системах военного назначения (системы ночного видения, обнаружение безоболочечных взрывных устройств), а так же в системах гражданского применения (системы технической и медицинской диагностики).
Известно, что преобразователи излучения классификационно делятся на:
- класс фотонных (квантовых) фотоприемников, в которых энергия фотона преобразуется в некоторую первичную реакцию фотоприемника;
- класс тепловых, в которых энергия фотонов преобразуется в тепло, а реакция фотоприемника возникает как следствие повышения температуры чувствительного элемента.
Принципиальным недостатком фотонных фотоприемников является то обстоятельство, что энергия фотона обратно пропорциональна длине волны излучения (E=hc/λ где h - постоянная Планка; с - скорость света; λ - длина волны), что делает их применение невозможным при длинах волн более 20 мкм даже в случае криогенного охлаждения.
Тепловые фотоприемники имеют постоянную обнаружительную способность в диапазоне 1-2000 мкм, а в диапазоне 20-2000 мкм являются фактически единственным классом фотоприемных устройств, пригодных для практического применения (см. например Киес Р.Дж. и др. Фотоприемники видимого и ИК диапазонов М. Радио и связь. 1985. стр. 64, рис. 2.22).
В классе тепловых приемников особого внимания заслуживают оптико-акустические приемники основанные на эффекте Белла-Тиндаля. Явление генерации акустических волн в замкнутом объеме газа под действием светового потока, модулированного вращающимся перфорированным диском, обнаружено в 1880 А.Г. Беллом и получило название опто-акустического эффекта. В 1881 это открытие было подтверждено в работах Дж. Тиндаля и В.К. Рентгена. (Tyndall J.II Proc. Roy. Soc. London. 1881. Vol. 31. P. 3-7-317). Этот эффект заключается в том, что в результате поглощения модулированного излучения возникают колебания температуры газа и его давления, а также акустические колебания, которые передаются гибкой мембране. Частота колебаний зависит от частоты модуляции потока, а интенсивность колебаний - от способности данного газа поглощать инфракрасную радиацию и от интенсивности радиации.
В 1936 г. Хейсу [Hayes, H.V., "A New Receiver of Radiant Energy". Rev. Sci. Instr. Vol. 7, No. 5, May 1936, pp. 202 to 205] удалось использовать эффект Белла-Тиндаля для принципиального усовершенствования классического газового термометра. Он поместил внутрь расширительной камеры специальный элемент, поглощающий исследуемое излучение, и применил принцип динамического конденсатора для отсчетной системы, что позволяло свести измерение деформации гибкой металлической мембраны к измерению электрической емкости.
Оптико-акустические преобразователи являются одним из наиболее эффективных детекторов терагерцового излучения, работающих без охлаждения. Наиболее важными их достоинствами являются рекордно высокая среди тепловых приемников и постоянная обнаружительная способность в диапазоне 1-3000 мкм, простота и отсутствие высоких требований на точность изготовления. Однако одиночный детектор не позволяет получать изображение в реальном времени, так как требует сложных и дорогостоящих систем сканирования, а типичный размер входного окна традиционных оптико-акустических преобразователей составляет от 5 до 10 мм, что делает проблематичным их использование для получения изображений с приемлемым разрешением. Указанные недостатки могут быть устранены созданием матричного преобразователя с ячейками на базе одиночных оптико-акустических преобразователей, размеры которых сопоставимы с характерной рабочей длиной волны.
Известно, что впервые в истории техники матричный ОАПИ с 61 ячейкой для спектрального диапазона 8-14 мкм был сконструирован Г. Залем и М. Голеем для обнаружения воздушных целей в декабре 1938 года. В открытой печати описание устройства появилось лишь в 1946 г. (Zahl Η, Golay Μ Pneumatic Heat Detector // The Review of Scientific Instruments, Volume 17. Number 11. 1946, P. 511-515). В основу устройства была положена оптико-акустическая ячейка Хейса. Корпус блока расширительных камер устройства представлял собой стальной диск в котором было выполнено 61 отверстия расположенные по гексагональной сетке. Торцы диска были подвергнуты оптической шлифовке. Залей и Голей заменили расположенный в расширительной камере Хейса поглощающий исследуемое излучение элемент, представлявший собой мелкодисперсную форму древесного угля - "fluff', элемент и занимавший большую часть полости, поглощающей пленкой металла. Новый теплопоглощающий элемент представлял собой коллодиевую пленку толщиной около 500 А с вакуумным напылением тонкого слоя сурьмы. Этим обеспечивалась малая теплоемкость поглотителя и тепловая развязка от стенок расширительной камеры. Блок детектирующих гибких мембран представлял собой латунную пластину с аналогичной системой отверстий. Соединения между блоками осуществлялись с помощью отдельных медных трубок. Все 61 отверстия расширительных камер перекрывались одной большой термопоглощающей пленкой. Детектирующая гибкая металлическая мембрана Хейса была заменена коллоидной пленкой толщиной приблизительно 300А, перекрывавшей все отверстия латунного блока. Система камер заполнялась ксеноном, обладающим низкой теплоемкостью и высокой теплопроводностью.
Известно техническое решение, представленное в инфракрасном детекторе на основе микроячеек Голея (патент США 7045784 В1, 2003, «Method and apparatus for micro-Golay cell infrared detectors». Детектор включает в себя массив микроканальных пластин, герметизирующую мембрану, гибкую мембрану, поглощающую ИК-среду и термически активную среду. Массив микроканальных пластин имеет верхнюю поверхность и нижнюю поверхность и включает стенки камер. Уплотнительная мембрана связана с массивом микроканальных пластин и способна герметизировать нижнюю поверхность. Гибкая мембрана связана с верхней поверхностью и способна деформироваться. ИК абсорбирующая среда связана с камерами и способна преобразовывать ИК излучение в тепло.
Недостатком известного технического решения является резкое снижение чувствительности устройства при создании многоэлементных матриц с ограниченными габаритными размерами (т.е. при уменьшении диаметра элементарной ячейки Голея).
Известно техническое решение, представленное в устройстве для визуализации инфракрасного излучения (Патент RU 2561338 «Устройство для визуализации инфракрасного излучения» МПК G01J 5/42, опубликован 27.08.2015 г.) Устройство включает в себя матричную структуру из ячеек Голея, представляющую собой плотноупакованную систему герметизированных рабочих камер, наполненных рабочим газом, внутри которой располагается поглощающая излучение тонкая металлическая пленка. Один торец матричной структуры закрыт входным окном для электромагнитного излучения с нанесенным на внешнюю сторону прозрачным просветляющим покрытием. Второй торец матричной структуры закрыт гибкой мембраной с тонким металлизированным проводящим слоем. На внутреннюю поверхность выходного окна нанесено прозрачное проводящее покрытие и тонкий слой электролюминофора. Прозрачное проводящее покрытие, слой электролюминофора и тонкий металлизированный проводящий слой гибкой мембраны образуют электролюминесцентный конденсатор. Рабочая камера выполнена в виде цилиндра с высотой цилиндра, равной его диаметру.
Недостатком известно технического решения является резкое снижение чувствительности устройства при создании многоэлементных матриц с ограниченными габаритными размерами (т.е. при уменьшении диаметра элементарной ячейки Голея).
2
1/2
Известно техническое решение, представленное в матричном приемнике терагерцового излучения (Патент RU 2414688, «Матричный приемник терагерцового излучения», МПК G01J 5/42, опубликован 20.03.2011 г.), выбранное в качестве прототипа и в котором детально описываются конструкция, технология изготовления и метрологические характеристики неохлаждаемого матричного фотоприемного устройства, названного авторами термопневматическим микромеханическим преобразователем. Авторы приводят следующие параметры разработанного матричного термопневматического преобразователя размерностью 200×200:окно элементарной ячейки 100 и шаг 120 мкм. Мембранный слой состоял из пленки SiO толщиной 60-80 нм и отражающего слоя алюминия толщиной 10-15 нм. Суммарная толщина мембраны не превышала 100 нм. Время отклика - не более 30 мс. Температурная чувствительность на частоте 1 Гц - 0,15 К/Гц, эквивалентная мощность шума на частоте 1 Гц с оптикой f/1 составила 1,1×10-8 Вт/ Гц1/2, модуль упругости мембраны 45-55 ГПа. Одним из основных путей повышения чувствительности термопневматического детектора, по мнению авторов, является уменьшение толщины мембранного слоя.
Недостатком известного технического решения является резкое снижение чувствительности устройства при создании многоэлементных матриц с ограниченными габаритными размерами (т.е. при уменьшении диаметра элементарной ячейки Голея).
Перед авторами ставилась задача создания матричного преобразователя для измерений потока электромагнитного излучения дальнего инфракрасного диапазона включая терагерцовое.
Поставленная задача решается тем, что в матричном преобразователе, основанном на матричной структуре из ячеек оптико-акустических преобразователей с динамическим конденсатором на наружном выходе представляющих собой плотноупакованную систему расширительных камер, наполненным рабочим газом, внутри каждой из которых располагается поглощающий излучение тонкая металлическая пленка, один торец матричной структуры является входным окном для электромагнитного излучения, а второй торец перекрыт гибким токопроводящим мембранным слоем, наложенного на подстилающий контактный слой золота, и образующим систему гибких токопроводящих мембран, герметизирующих расширительные камеры, и общей компенсационной камерой, внутри которой расположена переходная плата с неподвижыми электродами, образующая систему динамических конденсаторов с гибким токопроводящим мембранным слоем и сопряженных через индиевые столбики с сопряженной интегральной матрицей электронных усилителей в составе мультиплексора дополнительно над каждой расширительной камерой в гибком токопроводящем мембранном слое выполнена краевая сквозная микроперфорация, а гибкий токопроводящий мембранный слой выполнен из однослойного графена, при этом краевая сквозная микроперфорация выполнена с расстоянием между центрами отверстий перфорации не менее четырех диаметров этих отверстий, далее краевая сквозная микроперфорация выполнена однорядной либо многорядной.
Технический эффект заявляемого устройства заключается в реализации возможности анализа пространственного распределения дальнего ИК и терагерцового излучения низкой интенсивности в реальном масштабе времени, повышением чувствительности преобразователя, а также расширением ассортимента средств данного назначения.
Кроме того, технический результат позволяет снизить весогабаритные характеристики устройства, упрощает конструкцию, снижает стоимость изготовления.
На фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого матричного преобразователя, где 1 - просветляющее покрытие, 2 - входное окно, 3 - тонкая металлическая пленка, 4- подстилающий контактный слой золота; 5 - гибкий токопроводящий мембранный слой, 6 - неподвижные электроды, 7 -мультиплексор, 8 - сопряженная интегральная матрица электронных усилителей, 9 - переходная плата, 10 - наружный вывод, 11 - расширительная камера, 12 - анализируемое электромагнитное излучение, 13 - компенсационная камера, 14 - индиевые микростолбики.
На фиг. 2 показано увеличение прогиба и выполаживание профиля прогиба SLG гибкого токопроводящего мембранного слоя за счет краевой сквозной микроперфорации а) прогиб гибкого токопроводящего мембранного слоя без краевой сквозной микроперфорации б) прогиб гибкого токопроводящего мембранного слоя с краевой сквозной микроперфорацией, где 5 - гибкий токопроводящий мембранный слой, 11 - расширительная камера, 15 - краевая сквозная микроперфорация.
Принцип работы заявляемого матричного преобразователя следующий. Матричный преобразователь представляет собой гибридную конструкцию, состоящую из оптико-акустической фотоприемной матрицы и сопряженной с ней, с помощью индиевых столбиков, стандартной кремниевой микросхемой такой же размерности, выполняющей функции накопления, усиления и коммутации фотосигнала. Конструкция неохлаждаемого матричного оптико-акустического преобразователя с перфорированной SLG мембраной представлена на Фиг. 1.
Анализируемое электромагнитное излучение 12 проходит через входное окно 2, выполненное из прозрачного в исследуемом диапазоне длин волн материала, отсекающего коротковолновую часть спектра, имеющее просветляющее покрытие 1 на наружной плоскости, проникает в плотноупакованную систему расширительных камер 11, выполненных из фотоситалла и наполненных рабочим газом, внутри каждой из которых располагается поглощающий электромагнитное излучение тонкая металлическая пленка 3 с малой теплоемкостью (висмут, свинец), и поглощается в тонкой металлической пленке 3, расположенной параллельно входному окну 2, и нагревая ее.
Гибкий токопроводящий мембранный слой 5, образующий систему гибких токопроводящих мембран, и герметизирующий расширительные камеры 11, и расположен между расширительными камерами 11 и общей компенсационной камерой 13 выполняется как единый лист SLG графена (однослойного), наложенного на подстилающий контактный слой золота 7. Дополнительно над каждой расширительной камерой 11 в гибком токопроводящем мембранном слое 5 выполнено краевая сквозная микроперфорация 15 (Фиг. 2). Краевая сквозная микроперфорация 15 выполнена с расстоянием между центрами отверстий микроперфорации не менее четырех диаметров этих отверстий, при этом краевая сквозная микроперфорация 15 может быть выполнена однорядной либо многорядной. Герметизация расширительных камер 11 «краевая заделка микромембран» осуществляется за счет сил Ван дер Ваальса. Нагретая поглощающая тонкая металлическая пленка 3 нагревает газ, заполняющий расширительную камеру 11. Увеличение давления в расширительной камере 11 за счет теплового расширения газа приводит к прогибу гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 и увеличению емкости динамического конденсатора на наружном выходе 10, образованного гибким токопроводящим мембранным слоем 5 и неподвижными электродами 6, конструктивно выполненного как элементы переходной платы 9. Изменение емкости динамического конденсатора приводит к изменению электрического потенциала затвора входного каскада сопряженного интегральной матрицы электронных усилителей 8 в составе мультиплексора 7 и появлению на выходе усилителя электрического сигнала пропорционального прогибу гибкого токопроводящего мембранного слоя 5. Термо и барокомпенсация внешних условий и сброс давления в расширительных камерах 11 при перекрытом входном потоке анализируемого электромагнитного излучения 12 осуществляется путем соединения расширительных камер 11 и компенсационной камеры 13 через краевую сквозную микроперфорацию 15 гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 выполненного из однослойного графена. Таким образом, пространственное распределение электромагнитной энергии преобразуется в совокупность электрических сигналов на выходе сопряженной интегральной матрицы электронных усилителей 8.
Выбор конструктивной схемы считывания информации о гибком токопроводящем мембранном слое 5 определяется оптическими свойствами и электропроводностью графена. Графен прозрачен во всем диапазоне длин волн видимого света и ближней части ИК-излучения и является наиболее электропроводящим из известных материалов. Именно сочетание этих свойств является решающим при выборе конденсаторной (Хейсовской) схемы считывания.
Проведенные оценки показывают, что применение гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 из SLG графенов позволяет создать оптоакустические преобразователи излучения с ячейками порядка десятков микрон при сохранении предельно высокой чувствительности, сопоставимой с устройствами с большой апертурой. Существует принципиальное ограничение, которое практически исключает построение классических голеевских матриц с большой размерностью. Известно, что величина прогиба δ центра гибкого токопроводящего мембранного слоя 5, закрепленного по контуру, при малых перемещениях под действием давления Ρ вычисляется по формуле:
где R - рабочий радиус гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 (по контуру закрепления); h - толщина гибкого токопроводящего мембранного слоя 5; Ε, μ - модуль упругости (с размерностью кГс/см2) и коэффициент Пуассона материала гибкого токопроводящего мембранного слоя 5 соответственно.
Из приведенного выражения следует, что уменьшение размеров чувствительных элементов сопровождается катастрофическим падением чувствительности.
Классификационно, в зависимости от технической реализации системы отсчета прогиба гибкого токопроводящего мембранного слоя, в настоящее время, можно выделить два типа приемников - приемник Хейса с динамическим микрофоном и приемник Голея с оптической системой считывания. Гибкий токопроводящий мембранный слой, как для приемников Хейса так и для приемников Голея, должны быть газонепроницаемыми и обладать высокой разрывной прочностью и низкой изгибной жесткостью.
Принципиальное различие в конструкциях гибкого токопроводящего мембранного слоя состоит в том, что для приемников Хейса мембраны должны обладать металлической проводимостью и иметь электрический вывод, а мембраны приемников Голея должны иметь отражающее покрытие. Эволюция конструкций мембран проходила в направлении последовательного перехода от металлических мембран из дюралюминия, серебра, никеля, легированных титановых сплавов ВТ16 или ВТ35, толщиной 0,1-0,15 мм к полимерным мембранам (полиметилметакрилат РММА) толщиной несколько десятков нм, покрытых отражающим слоем серебра или сурьмы толщиной порядка 100А и широко применяемым в микроэлектронике тонким пленкам нитрида кремния.
Известно, что графен обладает множеством уникальных физических свойств. Выделим только те из них, которые являются определяющими при конструировании гибких мембран ОАПИ.
1. Толщина одного слоя графена составляет 0,355 нм, он является самым тонким из известных пленочных материалов. Этим в первую очередь в определяется предельная чувствительность мембранных преобразователей.
2. Имеет высокую механическую прочность: она соответствует так называемой «теоретической прочности бездефектного твердого тела» и в настоящее время является рекордной (модуль Юнга Ε - порядка 1 ТПа). В своем бездефектном виде графен демонстрирует рекордную прочность на растяжение (≈130 ГПа).
3. Имеет превосходные упругие свойства (максимальная степень упругой деформации составляет ≈25%) и в то же время имеет нулевую жесткость на изгиб.
4. Однослойный графен характеризуется отсутствием гистерезиса при повторных циклах нагружения.
5. Однослойный графен характеризуется уникальным сочетанием прочностных и эластичных свойств.
а
2
6. Обладает очень высокими адгезивными свойствами за счет сил Ван дер Ваальса. Адгезионная сила между графеном и подложкой на несколько порядков больше, чем в обычных микромеханических структурах Е=0.3 Дж/м, что объясняется гибкостью графена и его способностью "подстраиваться" под топологию подложки.
7. Обладает рекордно высокой электропроводностью.
8. Обладает практически полной прозрачностью (Т≈98%).
9. Обладает непроницаемостью для газов (в том числе и для гелия).
2
10. Поверхностная плотность графена рекордно низкая (0,77 мг/м), что определят предельно низкую инерционность мембраны. Перечисленные параметры свидетельствуют о том, что однослойный графен (SLG) является идеальным материалом для изготовления гибкого токопроводящего мембранного слоя, в первую очередь из-за его высокой прочности, атомной толщины, высокой прочности и высокой электропроводности.
Низкая жесткость на изгиб имеет решающее значение для чувствительности к отклонению в ответ на изменения температуры газа, заключенного в расширительной камере устройства, а высокая электропроводность гибкого токопроводящего мембранного слоя упрощает конструкцию динамического конденсатора.
3
6
Результаты расчетов показывают, что составляющая чувствительности обусловленная физическими свойствами материала (Ε, μ) для всех классических мембран, изготовленных из серебра, полиметилметакрилата и нитрида кремния превышает чувствительности мембран, изготовленных из графенов. Однако если учесть геометрическую составляющую чувствительности (R, h) и принять, что отношение толщин мембран из полиметилметакрилата и графена равным 100 и учесть, что толщин мембраны входит в выражение чувствительности как 1/h, то сравнительное повышение чувствительности для графена (С) составит порядка 9000.
Еще одним способом повышения чувствительности является краевая сквозная микроперфорация 15 графенового гибкого токопроводящего мембранного слоя 5. Краевая сквозная микроперфорация 15 переводит гибкий токопроводящий мембранный слой 5 в квазигофрированный и обеспечивает достижение следующих целей:
1. Сквозные микроотверстия в гибком токопроводящем мембранном слое обеспечивают выравнивание градиента давления между расширительной и компенсационной камерами для осуществления термо и барокомпенсации и позволяют отказаться от выполнения капиллярного компенсационного канала используемого в ИК приемниках, что значительно упрощает конструкцию матричного оптико-акустического преобразователя.
2. Краевая сквозная микроперфорация, действуя как краевая гофра, значительно увеличивает прогиб гибкого токопроводящего мембранного слоя при заданном давлении за счет локального уменьшения ее жесткости.
3. Краевая сквозная перфорация приводит к выполаживанию профиля прогиба гибкого токопроводящиого мембранного слоя, увеличивая емкость динамического конденсатора (Фиг. 2).
Отверстия микроперфорации в листе гибкого токопроводящего мембранного слоя 5, выполненного в виде графена делают в два этапа. На первом этапе графен бомбардируют ионами галлия с энергией, достаточной, чтобы нарушить его структуру в местах попадания. Затем гибкой токопроводящий мембранный слой 5 погружают в окислитель, который разрушает графен прежде всего в местах дефектов - в листе появляются круговые отверстия примерно одинакового размера. Диаметр каждого из них составляет порядка одного нанометра и может увеличиваться с увеличением времени травления, достигая 10 нм. Для сохранения прочностных характеристик материала расстояние между центрами отверстий должно быть не менее четырех диаметров. Краевая микроперфорация может выполняться как однорядной, так и многорядной.