ОХЛАЖДАЕМЫЙ МАТРИЧНЫЙ ФОТОПРИЕМНИК ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ С ДИАФРАГМОЙ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИАФРАГМЫ
COOLED INFRARED RADIATION DETECTOR ARRAY WITH DIAPHRAGM AND METHOD OF MAKING SAID DIAPHRAGM

Изобретения относятся к конструкции матричных полупроводниковых фотоприемников и могут использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.
Известно, что для повышения качества приема сигнала ИК-излучения, связанного с увеличением полезного сигнала оптического излучения объекта за счет отсечения паразитного излучения, используется охлаждаемая диафрагма. Такая диафрагма, способ ее изготовления и способ сборки известной диафрагмы с охлаждаемым растром описаны в патенте Японии №5343710. Известная диафрагма состоит из n-го количества цилиндрических деталей с дисковыми основаниями, где n≥1. В каждом основании выполнено отверстие, при этом все отверстия оснований имеют одну ось, совпадающую с центром инфракрасного детектора. Полупроводниковая плата с инфракрасным детектором приклеена к охлаждаемому керамическому растру, имеющему сложную ступенчатую форму. Диафрагма выполнена из ковара или меди. Первое дисковое основание, наиболее близкое к инфракрасному детектору, соединяется с охлаждаемым керамическим растром с помощью первого металлического кольца. Цилиндрическая деталь диафрагмы соединяется с первым дисковым основанием с помощью второго металлического кольца, соединенного с первым металлическим кольцом. Все соединения осуществляются с помощью сварки. В первом случае выполнения диафрагмы предложено использовать одну достаточно высокую цилиндрическую деталь с несколькими дисковыми основаниями, соединенными с цилиндрической деталью с помощью дополнительных металлических колец, приваренных к внутренней поверхности стенок цилиндрической детали. Диафрагму выполняют прочной, маленького веса и достаточно высокой (в представленном примере высота составляет 35,4 мм), при этом толщина стенок диафрагмы находится в пределах 0,1 мм. Внешние поверхности диафрагмы шлифуют и зеркально полируют. Внутренние поверхности цилиндрических деталей и дисковые основания подвергают электрохимическому чернению.
В качестве другого конструктивного варианта известного изобретения предложено выполнение цилиндрической детали диафрагмы и дискового основания в виде единой детали. Количество таких деталей n≥1. Для обеспечения достаточной высоты диафрагмы детали устанавливают друг на друга. Крепление между деталями осуществляется с помощью сварки, а крепление первой детали диафрагмы к растру осуществляют путем перпендикулярного изгиба цилиндрической стенки детали и последующего сваривания изгиба с металлическим кольцом, закрепленным на растре.
К достоинствам известной диафрагмы и способа ее изготовления, принятых за прототип, следует отнести то, что паразитное рассеянное излучение предотвращается многократным отражением за счет использования n-го количества кольцевых дисковых оснований. В данной конструкции за счет чернения внутренних поверхностей цилиндрической детали и дисковых оснований решены проблемы наличия дополнительных паразитных фоновых шумов и недостаточно высоких значений полезного сигнала объекта излучения из-за вклада в сигнал излучения корпусных деталей и переотраженного излучения. К недостаткам известного способа изготовления диафрагмы следует отнести ее нетехнологичность. Сложная ступенчатая форма растра для возможности выводов контактов, наличие металлических колец для соединения диафрагмы с растром приводят к усложнению технологического процесса и увеличению количества отдельных элементов конструкции. Взаимное соединение всех элементов диафрагмы и соединение диафрагмы с растром сваркой приводят к неремонтопригодности конструкции в целом.
Задача предложенных изобретений - создание ремонтопригодной и технологичной конструкции диафрагмы.
Технический результат достигается тем, что фотоприемник ПК-излучения с диафрагмой содержит охлаждаемые держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму, состоящую из n-количества цилиндрических деталей с дисковыми основаниями, где n≥1, при этом в дисковых основаниях выполнены отверстия, внутренние стенки цилиндрических деталей и дисковые основания матированы и зачернены, растр приклеен к держателю криостойким клеем, диафрагма приклеена к растру криостойким клеем, а при n>1 цилиндрические детали с дисковыми основаниями диафрагмы склеены между собой криостойким клеем.
Диафрагма может быть приклеена к растру двумя посадочными местами, каждое из которых включает выступ, приклеенный на торцевую поверхность растра, и участок внутренней поверхности стенки цилиндрической детали, приклеенный к боковой поверхности растра.
Способ изготовления диафрагмы фотоприемника ИК-излучения заключается в том, что вытачивают n-количество цилиндрических деталей с дисковыми основаниями, где n≥1, внешние поверхности деталей полируют, зеркально шлифуют и защищают герметиком, устойчивым к кислотам, в кислотном травителе проводят матирование и утоньшение внутренних поверхностей деталей и дисковых оснований, после чего внутренние поверхности деталей и дисковые основания подвергают электрохимическому чернению, удаляют герметик с внешних поверхностей деталей и при n>1 цилиндрические детали с дисковыми основаниями диафрагмы склеивают между собой криостойким клеем.
Сущность изобретений поясняется фигурами.
На фиг.1 показан общий вид матричного фотоприемника.
На фиг.2 показана диафрагма, вид снизу.
Диафрагма состоит из n-го количества цилиндрических деталей (1) с дисковыми основаниями (2), где n≥1. В каждом основании выполнено отверстие, при этом все отверстия оснований имеют одну ось, совпадающую с центром фоточувствительного элемента (3). Диафрагма и дисковые основания выполнены из ковара. Толщина стенок диафрагмы находится в пределах 0,1 мм. Внешние поверхности диафрагмы зеркально отполированы. Внутренние поверхности цилиндрических деталей и дисковые основания зачернены. При n>1 цилиндрические детали и дисковые основания склеены между собой криостойким клеем.
На охлаждаемом коваровом держателе (4) при помощи криостойкого клея (5) закреплен растр (6) из сапфира или керамики. На растре при помощи криостойкого клея закреплен матричный фоточувствительный элемент. Диафрагма закреплена на растре с помощью двух посадочных мест (7) диафрагмы. Каждое посадочное место представляет собой выступ (8) на внутренней поверхности стенки цилиндрической детали, приклеенный на торцевую поверхность растра, и участок внутренней поверхности цилиндрической детали, примерно равный толщине растра и приклеенный к боковой поверхности растра. Диафрагма закреплена на растре с помощью криостойкого клея. Через клей, которым диафрагма закреплена на растре, и держатель она охлаждается до -196°С.
Дисковые основания цилиндрических деталей могут быть выполнены как в виде самостоятельных конструктивных элементов, так и в виде единой детали с цилиндрическими деталями, как показано на фиг.1.
Принцип работы матричного фотоприемника заключается в следующем: ИК-излучение от объекта через просветленное окно фотоприемника поступает в отверстие диафрагмы на матричный фоточувствительный элемент. При этом паразитное излучение отражается от матированных почерненных внутренних стенок диафрагмы и почерненных дисковых оснований (ловушки ИК-излучения), в результате чего оно либо поглощается в элементах конструкции диафрагмы, либо выходит наружу через входное отверстие диафрагмы. Таким образом, матричный фоточувствительный элемент накапливает только полезное ИК-излучение от объекта, увеличивая отношение сигнал/шум.
Способ изготовления диафрагмы заключается в следующем:
n-количество заготовок из ковара в виде цилиндрических деталей с дисковыми основаниями вытачивают на токарном станке, при этом минимальная толщина стенок составляет 0,2 мм. Дисковые основания выполняют в виде единой детали с цилиндрическими деталями, как показано на фиг.1, или в виде самостоятельных конструктивных элементов. На одной из заготовок изготавливают посадочные места для дальнейшего крепления диафрагмы к растру. Для этого с внутренней стороны заготовки выполняют два посадочных выступа. Внешние поверхности стенок заготовок шлифуют и полируют до зеркального состояния. Затем внешние поверхности заготовок защищаются герметиком - устойчивым к кислотам. Далее в кислотном травителе проводят матирование внутренних стенок заготовок и дисковых оснований с целью увеличения шероховатости и одновременно утоньшают стенки с целью облегчения конструкции. После этого производят электрохимическое чернение этих развитых поверхностей при помощи электролита "черный хром". Далее удаляют защитный герметик с внешних поверхностей кипячением в ацетоне. Полученные заготовки склеивают между собой криостойким клеем. Полученную диафрагму приклеивают к растру с помощью посадочных мест так, что посадочные выступы приклеены на торцевую поверхность растра, а участки внутренних стенок цилиндрической детали приклеены к боковой поверхности растра. Поскольку все соединения предложенной конструкции осуществляются посредством клея, это дает возможность в случае необходимости осуществить ремонт. Например, в случае повреждения разводки возможно разобрать как саму диафрагму, так и отсоединить диафрагму от растра. Клеевые соединения позволяют поэтапную сборку конструкции. Например, приклеивание первой цилиндрической детали к растру, а затем приклеивание последующих деталей диафрагмы.
Предлагаемая конструкция была опробована на предприятии-изготовителе при создании экспериментальных образцов матричного фоточувствительного элемента на основе антимонида индия. Однако предлагаемая диафрагма применима и к другим полупроводниковым материалам.
Пример диафрагмы
На коваровый держатель высотой 47 мм и диаметром 8 мм последовательно наклеивались при помощи криостойкого клея марки «Орион-22» растр из лейкосапфира диаметром 16,6 мм с разводкой из золотых дорожек и матричный фоточувствительный элемент на основе антимонида индия с количеством элементов 65536. Далее после разварки контактов к растру этим же клеем приклеивалась диафрагма из ковара высотой 24 мм и диаметром 17 мм с отверстием 9 мм.
Пример изготовления диафрагмы
Три детали из ковара в виде цилиндрических деталей с основаниями в виде дисков с отверстиями были выточены на токарном станке. При этом минимальная толщина стенки цилиндрической детали составляла 0.2 мм (возможность станка). Затем внешние поверхности деталей шлифовали и зеркально полировали. Внешние поверхности заготовок защищали герметиком - лаком ХСЛ - устойчивым к кислотам. Далее в кислотном травителе проведено матирование внутренних стенок и кольцевых элементов заготовок диафрагмы с целью увеличения поверхности (глубина протравливания 20 мкм) и одновременно утоньшение стенок заготовок до 0.1 мм с целью облегчения конструкции. После этого производят электрохимическое чернение этих развитых поверхностей при помощи электролита «черный хром». Далее защитный герметик удаляют с внешних поверхностей кипячением в ацетоне. После этого для получения готовой диафрагмы заготовки были склеены по чертежу криостойким клеем «Орион-22», и полученная диафрагма приклеена к растру.
Далее конструкция монтировалась в корпус и охлаждалась при помощи холодильной машины типа Интегральный Стирлинг до -196°С. При этом скорость охлаждения увеличивается в 1,5 раза. Время накопления увеличивается в 6 раз. Пороговая чувствительность ФП улучшается в 2,5 раза. Матирование поверхности заготовок за счет увеличения ее шероховатости увеличивает диффузное рассеяние паразитного излучения.