ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к чувствительным в инфракрасной области спектра полупроводниковым приемникам излучения и может быть использована в оптико-электронных системах обнаружения.
Известен приемник излучения, в котором стенки корпуса выполнены из ковара (см. пат. РФ №50049 МПК H01L 31/0203, опубл. 10.12.2005 г.). Этот материал выбран для производства приемников излучения с герметичными металлостеклянными корпусами, так как имеет наиболее вакуумплотный и надежный спай со стеклами, необходимый для изготовления гермовыводов, обеспечивающих электрическое соединение находящегося внутри корпуса фоточувствительного элемента (ФЧЭ) с внешними схемами обработки сигнала. Наиболее широко при этом используется ковар марки 29НК (см. Каталог продукции ОАО «Завод «МАРС», Производство корпусов для микроэлектроники, 2013 г., с. 28-36).
Известен приемник излучения, содержащий вакуумированный корпус с входным окном, внутри которого размещены установленный на многокаскадном термоэлектрическом охладителе (ТЭО) фоточувствительный элемент, соединенный с мультиплексорами и гермовыводами, в котором мультиплексоры установлены на площадках из материала с высокой теплопроводностью, а выходы мультиплексоров соединены с системой гермовыводов через коммутационную плату из материала с низкой теплопроводностью (см. пат. РФ №42699 МПК H01L 31/00, G01J 5/00, опубл. 10.12.2004 г.). Такая конструкция разработана для теплотехнической оптимизации и обеспечения рабочей температуры приемника излучения. Однако при этом приходится использовать ТЭО с повышенной холодопроизводительностью, что является нежелательным из-за увеличения массо-габаритных характеристик и стоимости прибора.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому приемник излучения, содержащий размещенный в герметичном корпусе с входным окном кристалл с фоточувствительными элементами из CdHgTe, установленный на термоэлектрическом охладителе. В основание корпуса для обеспечения электрического контакта с внешними устройствами обработки сигнала вмонтированы гермовыводы (см. проспект фирмы Infrared Associated, Фоторезисторы CdHgTe с термоэлектрическим охлаждением, 2014 г., http://irassociates.com/index.php?page=te-cooled). Однако с увеличением количества фоточувствительных элементов, потребляемой мощности и размеров кристалла такая конструкция не обеспечивает захолаживания до рабочей температуры прибора и также требует более мощных ТЭО.
Задачей, решаемой с помощью предлагаемой полезной модели, является оптимизация массо-габаритных характеристик прибора при обеспечении рабочего температурного режима.
Техническим результатом - повышение теплоотвода через основание корпуса и улучшение фотоэлектрических параметров.
Указанный технический результат достигается тем, что приемник излучения содержит корпус, состоящий из выполненных из ковара крышки с входным окном и основания с гермовыводами, внутри которого размещен кристалл с фоточувствительными элементами, установленный на термоэлектрическом охладителе, причем термоэлектрический охладитель закреплен на пластине из медно-молибденового сплава, вставленной в основание корпуса. В частном случае выполнения компоненты в медно-молибденовом сплаве содержатся в равном соотношении.
-6
Наличие медно-молибденовой пластины в основании снижает тепловое сопротивление корпуса, так как медно-молибденовый сплав обладает большей теплопроводностью по сравнению с коваром. Медь имеет более высокую теплопроводность (~390 Вт/м·град) и более высокий коэффициент теплового линейного расширения (КТЛР) - 16,2·10 1/град. Высокий КТЛР меди не позволяет ее использовать в качестве материала вставки, так как приводит к разрушению ТЭО в процессе работы. В медно-молибденовом сплаве КТЛР ниже и хорошо согласуется с другими конструкционными материалами прибора. При этом сохраняется возможность размещения гермовыводов в выполненной из ковара части основания корпуса и не ухудшаются параметры надежности прибора.
Медно-молибденовый сплав с равным соотношением компонентов был выбран из соображений наибольшей теплопроводности по сравнению с другими составами.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема устройства.
Приемник излучения содержит кристалл 1 с фоточувствительными элементами, установленный на термоэлектрический охладитель 2, расположенные в герметичном корпусе, состоящем из основания 3 и крышки 4 с входным окном 5. В основание 3 встроены металлостеклянные гермовыводы 6 и медно-молибденовая пластина 7, на которой установлен термоэлектрический охладитель 2. При этом часть основания 3 корпуса выполнены из ковара, который по температурному коэффициенту линейного расширения хорошо согласуется со стеклянным изолирующим материалом гермовывода.
В процессе работы прибора происходит охлаждение кристалла с помощью термоэлектрического охладителя до рабочей температуры фоточувствительных элементов. Для оптимизации режимов работы приемника и реализации максимального перепада температуры ТЭО необходимо увеличить отвод тепла из горячей зоны ТЭО. Для этого в предлагаемой конструкции термоэлектрический охладитель установлен на встроенную в основание 3 корпуса пластину 7 из медно-молибденового сплава, теплопроводность которого составляет ~240 Вт/м·К, что более, чем в 10 раз превышает теплопроводность ковара.
x
1-x
Предложенная конструкция была реализована для приемника излучения на основе фоторезистивных чувствительных элементов из гетероэпитаксиальных структур CdHgTe в собственной области проводимости. Охлаждение осуществлялось двухкаскадным термоэлектрическим охладителем марки 2MC10-081-15 отечественной фирмы ООО «RMT», г. Москва. Для изготовления корпуса использовался ковар марки 29НК, входное окно - из просветленного сульфидом цинка германия (5). Соединение вставки из MoCu производилось до монтажа ТЭО в корпус с помощью оловянно-медного припоя (93% олова).
x
1-x
Были проведены эксперименты по определению перепада температуры (ΔT) между температурой окружающей среды и температурой в холодной зоне для двух вариантов исполнения конструкции приемника излучения при одинаковых мощностях ТЭО: корпус целиком из ковара (по прототипу) и с вставкой из сплава Mo(50%)Cu, результаты которых приведены в таблице. Как видно из приведенных в таблице данных, использование вставленной в основание корпуса пластины из медно-молибденового сплава понижает температуру в плоскости ФЧЭ в среднем на 6,3 градуса. С учетом обратной экспоненциальной зависимости величины сигнала от температуры ФЧЭ величина сигнала фотоответа на длине волны 10,6 мкм при понижении рабочей температуры от -(52…54)°C до -(58…61)°C увеличивается в ~1,5 раза для гетероэпитаксиальных структур CdHgTe состава x=0,189 мольных долей теллурида кадмия.
Таким образом, наличие в предложенной конструкции вставленной в основание корпуса медно-молибденовой пластины обеспечивает повышение теплоотвода от кристалла с ФЧЭ и улучшение фотоэлектрических параметров приемника излучения.