ИНФРАКРАСНЫЙ СЕНСОР С ПЕРЕКЛЮЧАЕМЫМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
INFRARED SENSOR WITH SWITCHED SENSITIVE ELEMENT

Инфракрасный сенсор с переключаемым чувствительным элементом относится к устройствам для бесконтактного измерения температуры в различных системах управления и контроля.
Известна ячейка термопары на полупроводниковой подложке с изолированными областями, включающая подложку, канавку, пассивирующий слой, нанесенный поверх подложки, и примыкающую мембрану [1]. Сенсор обладает следующим недостатком: невысокий уровень разрешающей способности.
Известна ячейка термопары, включающая подложку, мембрану, термопару, жертвенный слой, нанесенный на мембрану [2]. Жертвенный слой создается с целью открытия части мембраны горячими спаями термопар. Мембрана осаждается на жесткий термически проводящий слой. Сенсор обладает следующим недостатком: низкий уровень чувствительности.
Известен инфракрасный сенсор, включающий в себя подложку, одну консольную балку, одну термопару и мембрану [3]. Консольная балка имеет два контакта. Мембрана расположена над консольной балкой и закреплена к ней спаем. Интегральная схема, которая находится под подвешенной мембраной, интегрирована с инфракрасным датчиком. Сенсор обладает следующими недостатками: низкая разрешающая способность и высокая занимаемая площадь на кристалле.
Известен сенсор, состоящий из мембраны с термочувствительным элементом, поглотителем электромагнитной энергии, прикрепленным к подложке с помощью токопроводящих шинок [4]. Термочувствительный элемент и поглотитель электромагнитной энергии объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристаллического материала. Сенсор обладает следующим недостатком: высокое энергопотребление.
Известен инфракрасный сенсор, включающий теплоприемную мембрану, термочувствительный элемент, прикрепленный непосредственно к самой мембране, с электрическими выводами на консолях их контактами к подложке [5]. Сенсор обладает следующим недостатком: низкий уровень чувствительности. Это решение выбрано нами за прототип.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении чувствительности сенсора.
Поставленная задача решается за счет того, что инфракрасный сенсор с переключаемым чувствительным элементом, содержащий теплоприемную мембрану, прикрепленную к подложке с помощью консолей и расположенную от подложки на расстоянии, обеспечивающем пренебрежимо малый теплообмен мембраны с подложкой, и прикрепленный к мембране термочувствительный элемент с электрическими выводами на консолях и их контактами к подложке, отличается тем, что на консолях имеется полевой электрод, образующий с подложкой первичную цепь электростатического реле, термочувствительный элемент представляет собой термопару с «теплым» спаем на мембране и «холодными» контактами на подложке или терморезистор, один из размыкаемых контактов которых, лежащий на подложке, соединен с p-n-переходом и служит выходом сигнала, а другой соединен с антизапорным переходом к подложке и служит омическим контактом к ней, и оба контакта образуют вторичные цепи реле, служащие для коммутации сигналов.
Вследствие отключения чувствительного элемента от измерительной цепи накопившееся тепло не «утекает» за время его накопления, что способствует повышению чувствительности сенсора [6].
Во время нагрева мембраны практически отсутствует утечка тепла с нее, а термо-ЭДС возможно измерить при замыкании на цепь измерения.
t
Время, за которое система возвращается в равновесное состояние, определяется теплопроводностью термопары G и теплоемкостью С, поглощающей ИК-излучение МЭМС-мембраны:
0
к
0
к
Когда время релаксации сенсора τ меньше времени кадра τ: τ<τ/π, напряжение холостого хода
к
к
к
где Р - мощность падающего ИК-излучения, С - полная теплоемкость фотоприемной мембраны. Поэтому увеличение напряжения холостого хода, используя переключаемый элемент, при заданном быстродействии τ может иметь смысл при достаточно низкой частоте кадров, когда в силу высокой теплопроводности при заданной площади элемента время релаксации сенсора τ<<τ/π не может быть увеличено конструктивно и технологически до значения ~ τ/π.
м
к
При использовании переключаемого чувствительного элемента длина консоли может быть существенно уменьшена, чтобы не увеличивать значительно площадь элемента и реализовать достаточно малое время механического переключения, τ<<τ. Это приведет и к снижению собственных шумов вследствие уменьшения сопротивления. При этом, конечно, длина термопары (терморезистора) должна обеспечивать время остывания мембраны по ней τ, существенно превышающее время считывания.
0
1
р,n
1
р,n
Динамика тепловых и электрических процессов определяется иерархией времен τ, τ, τ и τ, где τ - собственное время тепловой релаксации консоли, τ - время электрической релаксации в ней:
.
2
c
При накоплении тепла в мембране холодные контакты термопары не имеют непосредственного контакта с подложкой и, таким образом, теплообмен мембраны с подложкой осуществляется только через дополнительные поддерживающие консоли из SiO с теплопроводностью G.
В такой ситуации при переключении чувствительного элемента на подложку за малое время τ устанавливается квазистационарное состояние термопары с разницей температуры ΔT(t) на ее спаях и постоянным градиентом, в результате чего мембрана за время τ остывает (экспоненциально) от  до .
На фиг. 1 изображен инфракрасный сенсор с переключаемым чувствительным элементом терморезистором, где 1 - теплоприемная мембрана, которая выполняет роль фотоприемной части ИК-излучения; 2 - подложка предназначена для создания гетероструктур; 3 - консоли предназначены для фиксации термочувствительного элемента; 4 - термочувствительный элемент, выполняющий функцию измерения напряжения на электрических выводах 5; 6 - «холодные» контакты, способные к размыканию и замыканию с помощью упругой и электростатической сил; 7 - полевой электрод первичной цепи электростатического реле, выполняющий функцию ключа для замыкания и размыкания цепи; 8 - электростатическое реле с областями 9 выполняет функцию коммутации сигналов: p-n-переходы и/или p-n-переход (9а) и антизапорный (n+-n) переход (9б).
На фиг. 2 изображен инфракрасный сенсор с переключаемым чувствительным элементом термопарой, где 4а и 4б - плечи для разнородных проводников; 10 - теплый «спай» термопары.
При подаче на полевой электрод электрического потенциала, достаточной величины, в силу электростатического взаимодействия контакты 6 (фиг. 1 и фиг. 2) приходят в соприкосновение [6].
x
1'-x
2
Для инфракрасного сенсора с переключаемым чувствительным элементом термопарой, элементы которого изготовлены, например, - мембрана из SiNi; подложка - монокристаллического n-Si; консоли - SiO, термопара - из поликристаллического Si; «холодные» контакты, «теплый» спай и полевой электрод - Al.
2
Для инфракрасного сенсора с переключаемым чувствительным элементом терморезистором, элементы которого изготовлены, например мембрана из α-Si; подложка - монокристаллического n-Si; консоли - SiO; терморезистор - из поликристаллического Si; «холодные» контакты, «теплый» спай и полевой электрод - Al.
2
2
0
к
2
2
Поскольку коэффициент теплопроводности SiO примерно в 30 раз меньше, чем коэффициент теплопроводности Si*, то, например, при длине SiO консоли 100 мкм, ширине 2 мкм и толщине 0,5 мкм при площади фотоприемной мембраны 5000 мкм τ≈1 c. Поэтому при τ>3 с использованием переключаемого чувствительного элемента и SiO консоли позволило бы получить напряжение холостого хода, в 30 раз превышающее, при прочих одинаковых условиях, напряжение холостого хода с элементом на такой же Si* консоли: время релаксации такого сенсора τ≈0,03 с.
Для термопары длиной l=10 мкм:
0
0
р,n
Si*
2
-7
2
τ≈1 c, τ≈τ/300≈0,003 с, , τ≈l/D≈10 c (D≈10 см/с).
Таким образом, вакуумные ИК-фотоприемники с переключаемым чувствительным элементом могут быть достаточно эффективными для тепловизионных систем.
Источники информации
1. Патент США №9324760
2. Европейский патент №2887032
3. Патент США №6335478
4. Патент РФ №2511275
5. Патент США №20140326883 - прототип
6. Федирко В.А., Фетисов Е.А. Электромеханика МДП МЭМС. // Труды Первой российско-белорусской конференции «Элементная база отечественной радиоэлектроники». РНТОРЭС им. А.С. Попова, Нижний Новгород. 2013. Т. 2. С. 13-16.
7. Фетисов Е.А., Федирко В.А., Тимофеев А.Е. Исследование теплового ИК-фотоприемника на вакуумной микро/наноэлектромеханической системе с нестационарным термоэлектрическим эффектом. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ. АПЭП-2016. Саратов. 2016. Т. 2. С. 590-596.