ТАНДЕМ-СТРУКТУРА ДВУХКАНАЛЬНОГО ИНФРАКРАСНОГО ПРИЕМНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к приемникам инфракрасного излучения и может быть использовано в оптоэлектронных контрольно-измерительных приборах, таких как пирометры спектрального отношения и детекторы пламени.
Заявляемый фотоприемник излучения компонуется в виде тандем-структуры из двух фотогальванических элементов, выполненных по тонкопленочной технологии, и учитывает конструктивно-технологические и фотоэлектрические особенности применяемых элементов. Характеристики предложенного фотоприемника позволяют осуществлять спектральный анализ излучения объекта в двух заданных спектральных участках инфракрасного диапазона от 1 до 5 мкм с единым полем зрения и увеличенной эффективной фоточувствительной площадью за счет применения фокусирующих и концентрирующих оптических систем.
Фотоприемные устройства с чувствительными элементами двух различающихся спектральных диапазонов позволяют обеспечить в сложных условиях эксплуатации получение более полной информации об объекте с помощью селекции полезного сигнала на фоне оптических помех. В то же время, наличие пространственно разнесенных чувствительных элементов вносит определенные трудности в реализацию необходимых параметров фотоприемного устройства, в частности, единого поля зрения. Указанные трудности особенно заметны при детектировании слабого инфракрасного излучения, для которого требуются большие эффективные фоточувствительные площади фотоприемников.
В настоящее время известны конструктивные решения многоспектральных инфракрасных фотоприемных устройств, обеспечивающих единое поле зрения для спектральных каналов и большую эффективную фоточувствительную площадь за счет матричного расположения фотоэлементов с чередованием спектральных каналов или соосного расположения фотоэлементов «один за другим» (тандем-структура) в сочетании с фокусирующими и концентрирующими излучение оптическими системами.
Существенной особенностью конструктивного решения компоновки фоточувствительных элементов в виде тандем-структуры является влияние конструктивно-технологических и фотоэлектрических характеристик первого фоточувствительного элемента на характеристики фотоэлемента расположенного на оптической оси за первым. В результате этого влияния для второго фотоэлемента происходит снижение величины потока излучения, изменение спектрального состава и пространственной конфигурации потока излучения. Для реализации спектрального диапазона чувствительности второго фоточувствительного элемента необходимо, чтобы первый фотоэлемент имел высокий коэффициент пропускания в данном диапазоне. Взаимное влияние характеристик применяемых фоточувствительных элементов вносит конструктивные ограничения по выбору спектральных каналов фотоприемного устройства. Имеющиеся характеристики фоточувствительных элементов определяются используемыми материалами и технологией производства, поэтому известны различные варианты фотоприемных устройств выполненных в виде тандем-структур.
Известен двухканальный фотоприемник (Пат. РФ. №2290614, кл. G01J 5/60) пирометра спектрального отношения, в котором фоточувствительные элементы расположены на одной оптической оси, один за другим, образуя тандем-структуру, причем первый элемент также выполняет функции оптического фильтра. В приемнике применяются кремниевые фотодиоды, чувствительные в ближней инфракрасной области 600-1200 нм. Недостатком данного варианта можно считать ограниченную сферу применения, так, например, фоточувствительные элементы на основе тонких пленок не могут в полной мере выполнять функции оптических фильтров.
1-x
x
Известно конструктивно-технологическое решение (патент США №5373182) формирующее многоспектральный фотоприемник на кремниевой подложке. В данном решении фоточувствительный элемент видимого диапазона из кремния и фоточувствительные элементы ближнего, среднего и дальнего инфракрасных диапазонов на основе соединения HgCdTe реализованы как тандем-структура матричных фотоэлементов. Производство данного фотоприемника основано на кремниевых технологиях. В качестве фильтра использована кремниевая подложка, что не позволяет формировать заданные спектральные характеристики чувствительности.
Известен многоспектральный фотоприемник (Пат. РФ. №2426144, кл. G01S 7/00) представляющий собой тандем-структуру трех фотоэлементов: ультрафиолетового, инфракрасного и видимого диапазонов чувствительности. Первый элемент представляет собой алмазную пленку с нанесенными омическими контактами, второй элемент - пленка сегнетодиэлектрика с омическими контактами, третий элемент видимого диапазона, например, на кремнии. В данном исполнении при определенных углах падения излучения происходит экранирование омическими контактами первого элемента фоточувствительных площадок второго и третьего элементов, что приводит к снижению их фотосигнала и рассогласованию угловых характеристик чувствительности разных элементов фотоприемника. Кроме того, конструкция не предусматривает использование оптических фильтров, что не позволяет проводить анализ спектра излучения с необходимыми характеристиками.
Известен матричный многоспектральный приемник (Пат. РФ. №2296370, кл. G08B 17/12) представляющий собой четырехэлементную прямоугольную матрицу фоточувствительных элементов в виде поликристаллических тонких пленок на основе твердых растворов селен ида свинца и селенида кадмия, фоточувствительные элементы с соответствующими фильтрами расставлены по квадрату. В приемнике реализованы два спектральных канала - основной и вспомогательный, каждый канал включает по два фотоэлемента. Таким образом, за счет использования матричной компоновки эффективная площадь увеличена в 2 раза.
Конструкция данного приемника излучения является наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели и взята в качестве прототипа. В случае использования прототипа для создания фотоприемного устройства ему присущи следующие недостатки:
1. Оптические оси отдельных фоточувствительных элементов разнесены в пространстве, что приводит к рассогласованию угловых характеристик чувствительности.
2. Небольшая размерность матрицы элементов 2×2 не позволяет в полной мере реализовать единое поле зрение, данная конструкция чувствительна к краевым эффектам (неполной засветке апертуры).
3. Применение фокусирующих и концентрирующих оптических систем представляют собой сложные технические задачи из-за большой дискретности фоточувствительной площади.
4. Увеличение размерности матрицы значительно усложняет и удорожает технологию изготовления.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является экономичное увеличение эффективной фоточувствительной площади двухканального приемника инфракрасного излучения, выполненного из двух тонкопленочных фотоэлементов на основе селенида свинца и его твердых растворов, при сохранении единого поля зрения разных спектральных каналов. Предлагаемая конструкция позволяет корректно реализовать метод спектрального анализа излучения и обеспечить высокую фоточувствительность за счет применения фокусирующих и концентрирующих излучение оптических систем. Для пирометров это означает осуществление дистанционного измерения температуры на большем расстоянии, для детекторов пламени - увеличение дальности обнаружения пламени.
Для достижения данного технического результата автором проведено исследование конструктивно-технологических и фотоэлектрических характеристик тонкопленочных фотогальванических структур из селенида свинца и его твердых растворов, выявлены неиспользуемые ранее возможности по созданию на их основе двухспектральных приемников излучения.
Фотогальванический элемент на основе селенида свинца представляет собой тонкий поликристаллический слой, в котором потенциальный барьер создается МОП структурой. Оптимальная ширина фоточувствительной области между токоведущими электродами, обеспечивающая наилучший квантовый выход, составляет около 50 мкм, поэтому для увеличения фоточувствительной площади топология чувствительной области выполнена в виде меандра.
Физический принцип работы предлагаемого конструктивного исполнения основан на способности фотогальванического элемента на основе тонких пленок селенида свинца быть частично прозрачным для излучения в областях где отсутствуют токоведущие металлические электроды. Фоточувствительная область поглощает часть излучения и вызывает появление фотоЭДС на элементе, другая часть излучения проходит через фоточувствительную область и стеклянную подложку. Автором предложено сформировать тандем-структуру с наложением двух фотогальванических элементов под прямым углом в плане, при этом электроды первого элемента формируют экран в виде решетки с пропускающими излучение ячейками шириной порядка 50 мкм. На нижнем элементе формируются зоны засветки чувствительной области излучением, проходящим через верхний элемент, в форме прямоугольной матрицы чувствительных площадок с размерами около 50 мкм. Соосное расположение чувствительных элементов фотоприемника формирует единое поле зрения для обоих элементов. Чувствительность второго элемента за счет экранирования первым элементом снижается примерно в 6 раз, что вполне допустимо в ряде практических применений и может быть компенсировано увеличением чувствительных площадок обоих элементов фотоприемника, выбором для второго элемента материала с большей интегральной фоточувствительностью (твердого раствора селенида свинца и кадмия с содержанием кадмия 4…20%) или применением фокусирующих и концентрирующих оптических систем.
Заявляемое конструктивное исполнение вносит следующие изменения в конструктивное исполнение прототипа:
1. Два фотогальванических элемента на основе тонких пленок селенида свинца размещаются соосно, в виде тандем-структуры, как можно ближе друг к другу таким образом, чтобы в плане фоточувствительные площадки элементов совпадали и токоведущие электроды одного элемента имели прямой угол с токоведущими электродами второго элемента.
2. Формирование спектральных характеристик чувствительности осуществляется общим оптическим фильтром для первого и второго фотогальванических элементов. Дополнительно для второго элемента может быть использован корректирующий оптический фильтр.
3. Увеличение эффективной фоточувствительной площади фотоприемника осуществляется увеличением чувствительных площадок каждого элемента фотоприемника или применением фокусирующих оптических систем. Оптические фокусирующие элементы могут выполнять функции оптического фильтра.
Фоточувствительные элементы формируются на стеклянной диэлектрической подложке с помощью последовательно осуществляемых операций:
- вакуумного термического напыления и активации тонких поликристаллических фоточувствительных слоев селенида свинца или его твердых растворов.
- фотолитографии для выделения фоточувствительных площадок с топологией в виде меандра, обеспечивающей наилучшую квантовую эффективность.
- ионно-плазменного напыления токоведущих электродов с целью создания невыпрямляющих омических контактов.
В качестве оптических фильтров могут использоваться абсорбционные материалы (монокристаллические, поликристаллические или аморфные пластины) или интерференционные фильтры. Фокусирующие оптические системы изготавливаются из материалов, имеющих высокий коэффициент пропускания в рабочем спектральном диапазоне.
Рассмотрим подробнее сущность заявляемого технического решения и конкретные примеры исполнения приемника излучения.
На Фиг. 1 показаны два фотогальванических элемента (1), выполненные из селенида свинца по тонкопленочной технологии на одинаковых стеклянных подложках с фоточувствительными площадками одинакового размера. Топология фоточувствительных областей обоих фотоэлементов (2) выполнена в виде меандра и окружающих его токоведущих электродов (3). Меандр состоит из нескольких параллельных сегментов (от 10 и более) и максимально заполняет фоточувствительную площадку элемента. Для подключения внешних цепей предназначены контактные электроды, электрически связанные с токоведущими электродами.
На Фиг. 2 показана матричная структура, представляющая собой совокупность фоточувствительных областей и токоведущих электродов двух фоточувствительных элементов, полученная при их соосном наложении под углом 90°. Размерность матричной структуры определяется количеством сегментов в меандре и составляет от 10×10 и больше. Фоточувствительные области имеют максимальное перекрытие, а токоведущие электроды взаимно-перпендекулярны.
На Фиг. 3 представлен один из вариантов исполнения заявляемого приемника излучения. Два фотогальванических элемента (1) расположены в виде тандем-структуры соосно вместе с общим оптическим фильтром (4), корректирующим фильтром (5) для второго фотогальванического элемента (если требуется) и диафрагмой (6). Оптические фильтры формируют необходимые спектральные характеристики чувствительности двух каналов приемника излучения, диафрагма формирует общую апертуру обоих каналов во всем поле зрения.
На Фиг. 4 заявляемая тандем-структура приемника излучения дополнительно содержит концентрирующую оптическую систему (7), в которой дополнительный поток излучения создается отражением и диффузным рассеянием от поверхности системы.
На Фиг. 5 представлен вариант исполнения заявляемого приемника излучения, в котором вместо общего оптического фильтра использована фокусирующая оптическая система (8), данный вариант позволяет формировать узкое поле зрения приемника излучения.
Заявляемое конструктивное исполнение двухканального инфракрасного приемника излучения обладает характеристиками предпочтительными для создания пирометров спектрального отношения с небольшим показателем визирования и для детекторов пламени общего применения.
В таблице 1 приведено сравнение существенных признаков заявляемого конструктивного исполнения с конструктивным исполнением прототипа.
Как видно из таблицы, отличительные признаки заявляемого технического решения свидетельствуют о новизне и изобретательском уровне. Указанные признаки являются существенными и взаимосвязанными и образуют устойчивую совокупность признаков, достаточную для получения требуемого технического результата.
В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого конструктивного исполнения приводим конкретный пример разработанного двухканального приемника инфракрасного излучения с тандем-структурой и фокусирующей линзой, предназначенного для изготовления пирометра спектрального отношения.
0,8
0,2
2
Фотогальванический элемент на основе твердого раствора PbCdSe расположен за фотогальваническим элементом на основе чистого селенида свинца PbSe. Размеры фоточувствительных площадок элементов составляют 1×1 мм, для формирования общей апертуры использована диафрагма с круглым отверстием. Германиевая линза, предназначенная для фокусирования излучения, формирует угол поля зрения 6° и одновременно выполняет функции оптического фильтра. Фоточувствительные элементы и германиевая линза формируют два спектральных канала фотоприемника с чувствительностью в диапазонах 1,8…3,2 мкм и 1,8…4,3 мкм - данные диапазоны выбраны с использованием методики изложенной в статье автора заявляемого изобретения «Оптимизация спектральных характеристик фотоприемников пирометра спектрального отношения» (журнал «Датчики и системы» №2, 2001 г.). Таким образом, двухканальный фотоприемник с разными диапазонами фоточувствительности характеризуется единым полем зрения для обоих каналов и увеличенной эффективной фоточувствительной площадью за счет использования фокусирующей оптической системы. Разработанный пирометр спектрального отношения на основе данного приемника излучения позволил проводить дистанционное измерение температуры объектов от 250 до 1100°С и успешно прошел испытания на сталелитейном предприятии «Северсталь», г. Череповец. Таким образом, были подтверждены конструктивная реализуемость и высокие технические характеристики инфракрасных двухканальных приемников излучения на основе тонкопленочных структур из селенида свинца, выполненных в виде тандем-структуры.
Прилагаемые чертежи
Фиг. 1 - топология фотогальванического элемента на основе селенида свинца и его твердых растворов
Фиг. 2 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения, вид сверху
Фиг. 3 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения, вид в разрезе
Фиг. 4 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения с концентрирующей оптической системой
Фиг. 5 - патентуемая тандем-структура заявляемого ИК-приемника излучения с фокусирующей оптической системой