ТЕПЛОВОЙ ПРИЕМНИК
THERMAL DETECTOR

Изобретение относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения.
2
2
2
2
-11
В двухмерных поликристаллических пленках VО толщиной 70÷140 нм высота кристаллитов столбчатой формы равна толщине пленки, их размеры в плоскости пленки составляют 40÷140 нм соответственно. Скачок удельного поверхностного сопротивления при фазовом переходе составляет от 1 до 2 порядков его величины, ширина петли термического гистерезиса составляет от 21 до 10°С соответственно. При этом прямая и обратная ветви петли имеют квазилинейный характер изменения удельного поверхностного сопротивления. По достижении пленкой VО температуры фазового перехода осуществляется процесс постадийной перестройки кристаллической решетки фазы VО со скоростью звуковых волн. В пленках VО толщиной 70-140 нм ФППН протекает за ~ 10с (А.С.Олейник, А.В.Федоров. Регистрация лазерного излучения пленочными реверсивными средами на основе диоксида ванадия / Российские нанотехнологии, 2011. Т.6. №5-6. С. 120-129).
Известно устройство, тепловой приемник излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, участки которого имеют различный коэффициент ослабления для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки диоксида ванадия, в виде мозаики, на основе равностоящих друг от друга равной длины линеек, из элементов квадратной формы, заполняющих площадь приемной круговой площадки, каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединение с контактами площадки, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки размещен пленочный нагреватель и термодатчик, соединение с контактными площадками, в корпусе размещена схема управления с регулятором с возможностью обеспечения последовательной коммутации элементов на вход мостовой схемы и термостатирования пленки диоксида ванадия (Патент РФ №2227905. Тепловой приемник излучения. / А.С.Олейник, М.В.Орехов; опубл. 27.04.2004 г.).
Недостатками приемника являются отсутствие круговой симметрии в расположении термочувствительных элементов на площади приемной площадки и недостаточное число термочувствительных элементов, что снижает точность анализа гауссова распределения по сечению лазерного луча. Кроме того, отсутствие компенсационного термочувствительного элемента снижает точность измерений. Для регистрации лазерного излучения целесообразна круговая симметрия в расположении термочувствительных элементов на плоскости приемной площадки приемника.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тепловой приемник излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде термочувствительных элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью от центра круга и образующими круговую приемную площадку. Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки (Патент РФ №2397458. Тепловой приемник. / А.С.Олейник, А.Ф.Федоров; опубл. 20.08.2010 г. Бюл. №23).
Недостатком приемника является невысокий коэффициент заполнения термочувствительными элементами квадратной формы площади приемной площадки приемника. Наличие только четырех колец из термочувствительных элементов обеспечивает только грубый анализ гауссова распределения излучения по сечению пучка, а невысокий коэффициент заполнения снижает точность измерения.
Задачей настоящего изобретения является:
- повышение точности измерения плотности энергии мощности лазерного излучения за счет повышения коэффициента заполнения приемной площадки приемника;
- обеспечение повышения точности анализа гауссова распределения плотности энергии мощности лазерного излучения по сечению луча за счет принципиально нового расположения и формы термочувствительных элементов.
Поставленная задача решается тем, что тепловой приемник содержит герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью от центра круга и образующими круговую приемную площадку. Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки. Согласно предлагаемому решению круговая приемная площадка разделена двумя перпендикулярными зазорами, проходящими через ее центр, на четыре одинаковых квадранта. Термочувствительные элементы имеют форму секторов колец подобной геометрической формы, разделенных круговыми зазорами. Общие электроды расположены по одному радиусу каждого квадранта и соединены между собой. Сигнальные электроды расположены по другому радиусу каждого квадранта на боковых отрезках каждого сектора кольца термочувствительного элемента и сквозными выводами соединены с контактными площадками на обратной стороне подложки.
Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, являются неселективность в широком спектральном диапазоне, высокая чувствительность, малый уровень собственных шумов, малая инерционность, линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока, одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке приемника, устойчивость к действиям излучения, малый вес и габариты. Развитие тепловых приемников идет в направлении разработки многоэлементных приемников, способных регистрировать пространственно-энергетические характеристики лазерного излучения (Технологические лазеры: Справочник: В 2Т. Т.2 / Г.А.Абильсиитов, В.Г.Гонтарь, Л.А.Новицкий и др. Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова, М.: Машиностроение, 1991, 554 с.).
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается высоким процентом заполнения термочувствительными элементами площади приемной площадки приемника. Это достигнуто за счет формы, размеров, способа размещения подобных термочувствительных элементов, выполненных в виде секторов колец, и использования сквозного сигнального вывода от каждого элемента. Четное число элементов (из-за аксиальной симметрии лазерного излучения) с зазорами между собой образуют соответствующее кольцо. Совокупность колец из термочувствительных элементов с зазорами между собой заполняют всю площадь приемной площадки. Термочувствительные элементы соответствующих колец подобны между собой и их сопротивление одинаково. Принцип подобия термочувствительных элементов обеспечивает формирование колец, внутренние и внешние радиусы которых монотонно увеличиваются от центра к периферии круговой площадки. Это позволяет при выборе необходимого числа колец использовать минимальное число термочувствительных элементов.
2
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на Фиг.1 показан общий вид приемника, на Фиг.2 показан поперечный разрез приемника, на Фиг.3 показана топология термочувствительных элементов круговой приемной площадки теплового приемника с сигнальными и общими электродами, на Фиг.4 показана топология контактных площадок, на Фиг.5 показан разрез подложки приемника в изометрии (а - лицевая сторона, б - обратная сторона), на Фиг.6 представлен поперечный разрез сквозного вывода, на Фиг.7 приведена гистерезисная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя приемника на основе пленки VO толщиной 60 нм, на Фиг.8 представлена схема коммутации и обработки сигнала с элементов приемника.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - диэлектрическая подложка, 2 - термочувствительные элементы, 3 - компенсационный термочувствительный элемент, 4 - общий электрод, 5 - сигнальные электроды, 6 - сквозные выводы, 7 - контактные площадки, 8 - крышка герметичного корпуса, 9 - основание герметичного корпуса, 10 - выводы герметичного корпуса, 11 - изоляция выводов герметичного корпуса, 12 - диэлектрические выступы герметичного корпуса, 13 - провода, соединяющие контактные площадки с выводами герметичного корпуса, 14 - входное окно, 15 - конденсаторы, 16 - мультиплексор, 17 - микроконтроллер, 18 - шина микроконтроллер-мультиплексор, 19 - шина микроконтроллер-ПК, 20 - вход АЦП микроконтроллера, 21 - вход аналогового компаратора микроконтроллера, 22 - линия запуска измерения, 23 - линия сброса, 24 - сигнальная линия, 25 - преобразователь тока в напряжение, 26 - КМОП транзистор.
Тепловой приемник (Фиг.1, 2) содержит герметичный корпус, состоящий из основания 9 с 28 позолоченными выводами 10, изолированными от основания изоляторами 11, и крышки 8 с входным окном 14, прозрачным для регистрируемого излучения, выполненного, например, из материала ФБС-И. На основании герметичного корпуса 9 с помощью диэлектрических выступов 12, размещена диэлектрическая подложка 1 из слюды. Лицевая сторона подложки покрыта термочувствительным слоем из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде термочувствительных элементов 2 из шести колец с зазорами между собой, каждое кольцо состоит из четырех элементов в виде секторов колец. Термочувствительные элементы образуют приемную площадку. Приемная площадка разделена двумя перпендикулярными зазорами, проходящими через ее центр, на четыре одинаковых квадранта. Ширина колец увеличивается от центра к краю приемной площадки таким образом, что геометрические формы термочувствительных элементов 2 подобны между собой (Фиг.3). Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент 3, геометрическая форма которого подобна геометрическим формам термочувствительных элементов 2.
Термочувствительные элементы 2 из шести колец практически полностью (за исключением площади зазоров между кольцами) заполоняют площадь приемной площадки. Это обеспечивает измерение плотности энергии (мощности) лазерного излучения по всей площади сечения луча, что повышает точность измерения величины энергии (мощности) излучения. Наличие шести колец из термочувствительных элементов 2 повышает точность анализа гауссова распределения плотности энергии мощности по сечению луча.
Диэлектрическая подложка 1 с контактными площадками 7 изолирована от основания герметичного корпуса 9 диэлектрическими выступами 12. Контактные площадки 7 соединены с выводами герметичного корпуса 10 проводами 13 (Фиг.2).
Приемная круговая площадка приемника (Фиг.3) заполнена 24 термочувствительными элементами в виде секторов колец с электродами 4, 5, а 25 компенсационный термочувствительный элемент 3 с электродами 4, 5 расположен вне круговой приемной площадки. Каждый термочувствительный элемент 2 имеет общий 4 и сигнальный 5 электроды, которые соединены сквозными выводами 6 с контактными площадками 7, расположенными по периметру на обратной стороне подложки, последние соединены с выводами герметичного корпуса 10 посредством проводов 13.
Поверхность обратной стороны подложки под круговой приемной площадкой разбита на четыре квадранта. В каждом квадранте часть поверхности занимают сквозные выводы 6. Сквозные выводы соединены с контактными площадками 7, расположенными по периметру подложки 1 (Фиг.4).
На Фиг.5 (а) в изометрии показана часть лицевой поверхности диэлектрической подложки 1, покрытой термочувствительными элементами 2 в виде 24 секторов колец, разделенных четырьмя осевыми зазорами и пятью кольцевыми зазорами. Каждый термочувствительный элемент 2 имеет (на соответствующих боковых отрезках) сигнальный 5 и общий 4 электроды. Общие электроды 4 расположены по одному радиусу каждого квадранта и соединены между собой, а сигнальные электроды 5 расположены по другому радиусу каждого квадранта на боковых отрезках каждого сектора кольца термочувствительного элемента 2. Общий электрод 4 (в виде четырех взаимно перпендикулярных отрезков) соединяет соответствующие боковые отрезки всех 24 термочувствительных элементов 2 и с помощью сквозного вывода 6 электрически соединен с контактной площадкой 7. Сигнальные электроды 5 термочувствительных элементов 2 соответствующими сквозными выводами 6 электрически соединены с соответствующими контактными площадками 7 (Фиг.5(б)).
2
Сквозные выводы (Фиг.6) выполнены на основе двухслойной пленки Cu-Ni. Благодаря двухстадийному процессу химической металлизации на обеих сторонах диэлектрической подложки 1 со сквозными отверстиями сверху каждое отверстие заполнено двухслойной пленкой Cu-Ni. Слой никеля обеспечивает коррозийную стойкость пленки Cu-Ni до 500°С в течение нескольких минут, что позволяет изготовить на его поверхности термочувствительный слой из пленки VO (Патент РФ №2293953. Тепловой приемник. / А.С.Олейник, С.К.Дауров, В.И.Орлов; опубл. 11.10.2005 г.).
2
Термочувствительный слой на основе пленки VO имеет гистерезисную зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры (Фиг.7). В диапазоне 45-69°С имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя от температуры нагрева (прямая ветвь петли 1s). При воздействии внешнего излучения на термочувствительный слой происходит его нагрев и как следствие изменение удельного поверхностного сопротивления. Изменение удельного поверхностного сопротивления позволяет судить о плотности энергии (мощности) излучения.
Схема коммутации и обработки сигнала с элементов приемника (Фиг.8) предусматривает два режима опроса приемника: постоянный дискретный опрос и импульсный опрос для анализа коротких импульсов регистрируемого излучения.
Геометрические размеры всех термочувствительных элементов подобны, поэтому их начальные сопротивления равны.
Принцип действия приемника основан на параллельной регистрации термочувствительными элементами 2 приемной площадки регистрируемого излучения на длинах волн 0,3-10,6 мкм, при этом термочувствительные элементы 2 изменяют свое сопротивление пропорционально степени нагрева. После воздействия регистрируемого излучения на термочувствительные элементы 2 и изменения их сопротивления происходит параллельный съем информации с приемника, запоминание ее в аналоговых устройствах, выборка и хранение с последующим преобразованием в цифровую форму. Также используется калибровочный сигнал с компенсационного элемента 3, не облучаемого падающим излучением.
На общий электрод 4 подается заданный уровень напряжения. При воздействии регистрируемого излучения на термочувствительные элементы 2 приемной площадки происходит изменение их поверхностного удельного сопротивления. Изменение поверхностного удельного сопротивления приводит к изменению силы тока, проходящего через каждый термочувствительный элемент и проводящие элементы приемника 4, 5, 6, 7, это приводит к изменению скорости накопления заряда на конденсаторах 15. Время накопления заряда на конденсаторах 15 задается микроконтроллером 17 и осуществляется путем открытия транзистора 26 через линию 22. Уровень напряжения на каждом конденсаторе 15 определяется сопротивлением соответствующего термочувствительного элемента 2. Мультиплексор 16 под управлением микроконтроллера 17 через шину 18 последовательно коммутирует уровни напряжений с конденсаторов 15 на вход АЦП 20. После преобразования уровней напряжения на АЦП в цифровой вид измерительная информация через шину 19 передаются на ПК. После анализа измерительной информации микроконтроллер 17 осуществляет сброс уровней напряжений с конденсаторов 15 посредствам открытия транзисторов 26 через линию 23.
Если устройство используется для анализа непрерывного режима излучения, описанный алгоритм измерения повторяется необходимое количество раз (которое определяется пользователем).
В импульсном режиме опроса алгоритм измерения выполняется один раз, после того как напряжение на входе аналогового компаратора 21 микроконтроллера 17 превысит пороговое напряжение чувствительности приемника излучения. Импульсный режим активируется линией 24 и транзисторами 26. Аналоговый компаратор 21 микроконтроллера 17 сравнивает напряжения, сформированные преобразователем тока в напряжение 25, из токов с компенсационного элемента 3 и одного из центральных термочувствительных элементов 2 приемной площадки.
-6
Следует заметить, что время съема информации (время заряда конденсаторов 15) со всех 24 независимых каналов приемника задает микроконтроллер 17 и оно составляет ~ 10 с. Эксперименты показали, что за это время не происходит ощутимых изменений в информационном сигнале с приемника, т.к. время съема коррелирует с постоянной времени приемника. Поэтому в данном техническом решении не используется пленочный нагреватель с терморегулятором, который обеспечивает режим внутренней памяти приемника.
Был изготовлен тепловой приемник лазерного излучения на основе пленки VOx, представляющий собой малогабаритный металлостеклянный корпус размером 39×29×4,5 мм с окном из материала ФБС-И, прозрачным в спектральном диапазоне 0,3-25 мкм. Корпус имеет 28 позолоченных выводов диаметром 0,3 мм и высотой 6 мм. Диэлектрическая подложка выполнена из слюды размером 30×24×0,5 мм. На лицевую поверхность диэлектрической подложки нанесены 25 термочувствительных элементов, 24 из которых формируют приемную площадку в виде круга. Диаметр приемной площадки 10 мм.
-5
-7
1/2
Постоянная времени и чувствительность приемника зависят от размеров термочувствительных элементов. Поэтому в предлагаемом приемнике указанные параметры определяются по наибольшему размеру термочувствительного элемента. При диаметре приемной площадки приемника 10 мм τ=10 с. Удельный световой поток Ф=2·10 Вм/(см·Гц) на длинах волн 0,3-3,38 мкм.
Полученный приемник обеспечивает повышение точности измерения плотности энергии (мощности) лазерного излучения за счет равенства площади термочувствительных элементов приемника 90% (при диаметре приемной площадки 10 мм) площади сечения лазерного луча. Наличие шести колец из термочувствительных элементов повышает точность анализа гауссова распределения плотности (энергии) мощности лазерного излучения по сечению луча.