МОДУЛЬ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ МАТРИЧНЫЙ

Заявляемый фотоэлектронный модуль относится к области фоточувствительных устройств, предназначенных для обнаружения и регистрации инфракрасного излучения. Он обеспечивает детектирование ИК-излучения, режим временной задержки и накопления сигнала, усиление и мультиплексирование сигнала. Модуль предназначен для тепловизионной аппаратуры, работающей в режиме временной задержки и накопления (ВЗН), и является законченным устройством, требующим для своей работы только подачи напряжений электропитания. Модуль фотоэлектронный матричный может быть использован в тепловизионных каналах широкого назначения, как для передвижных, так и для стационарных оптико-электронных систем. Модуль предназначен для комплектации сканирующих тепловизионных систем, используемых в различных отраслях промышленности для нужд геологии, медицины, пожарной охраны, экологического контроля и контроля утечек тепла.
Аналогами предлагаемого устройства являются многорядные фоточувствительные модули ФУК4М формата 4×48 элементов и ФУК2М формата 2×256 элементов производства ФГУП «НПО «Орион» («Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения и фотоприемные устройства», справочник, Москва 2009 г., ФГУП «НПО «Орион», с.49). Эти фотоприемные устройства содержат меньшее количество фоточувствительных элементов, что ухудшает пороговые параметры аппаратуры на их основе. Конструктивно ФЧЭ и БИС модулей ФУК2М и ФУК4М стыкуются на промежуточный растр, что увеличивает размеры охлаждаемого узла и усложняет технологию сборки.
Наиболее близким аналогом (прототипом) фотоэлектронного модуля является устройство PLUTON LW 288х4 фирмы Sofradir (43-47 rue Camille Pelletan, 92290 Chatenay-Malabry, France, рекламный проспект), а также идентичное ему 288х4 МСТ LWIR IDCA фирмы SCD SemiConductor Devices (SCD SemiConductor Devices, P.O.Box 2250, Haifa, 31021, Israel, рекламный проспект). Устройства чувствительны в длинноволновом инфракрасном диапазоне, содержат матрицу фотодиодов на основе твердого раствора кадмий-ртуть-теллур (КРТ), кремниевую схему считывания, охлаждающую систему. Устройства позволяют регулировать время накопления, реализовать двунаправленное сканирование в режиме ВЗН, производить программируемую деселекцию дефектных элементов, поддерживают работу в режиме snapshot.
Все аналогичные МФПУ для режима ВЗН применяют схемы задержки и суммирования аналоговых фотосигналов непосредственно в фокальной плоскости. Схемы выполняются как на основе приборов с зарядовой связью - ПЗС (CCD), так и с использованием КМОП (CMOS) схемотехники. Наряду с очевидными преимуществами такой организации МФПУ, заключающимися в полной реализации режима ВЗН непосредственно в МФПУ, имеется и ряд недостатков. К ним следует отнести необходимость введения в состав охлаждаемой электроники предварительно программируемых схем деселекции дефектных элементов, заметную нелинейность и ограниченный динамический диапазон аналоговых схем задержки и суммирования сигналов. Представленная полезная модель реализует концепцию построения МФПУ в которой суммирование сигналов в фокальной плоскости для реализации режима ВЗН заменено на цифровое суммирование сигналов вне фокальной плоскости в специализированных блоках электронной обработки. Значительное упрощение функций, выполняемых охлаждаемой схемой считывания и предварительной обработки сигнала в фокальной плоскости, повышает надежность, позволяет реализовать схемотехнику БИС при более низких проектных нормах по разрешению фотолитографических процессов, требует более низкой разрядности аналого-цифровых преобразователей. При этом фотоэлектрические параметры МФПУ и тепловизионной аппаратуры с использованием таких МФПУ не снижаются, и близки к теоретическому пределу.
Основные преимущества разработанного модуля:
1. Возможность работы с различными типами сканирования без изменения схемотехники.
2. Возможность работы с более светосильной оптикой.
3. Повышенная стойкость к спецвоздействиям БИС считывания, изготавливаемой по n-МОП технологии.
4. Увеличенный динамический диапазон, большая точность при реализации режима ВЗН.
5. Возможность использования АЦП с меньшей разрядностью при одинаковом отношении сигнал/шум.
6. Пониженные требования к разрешению фотолитографических процессов при производстве.
7. Уменьшенное расстояние между группами линеек (42 мкм вместо 100 мкм), что позволяет снизить требования на линейность и стабильность сканирования.
Полезная модель поясняется чертежами, где
На фиг.1 представлен внешний вид фотоэлектронного модуля.
На фиг.2 представлена топология расположения ФЧЭ для МФПУ.
На фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема кремниевой БИС считывания.
На фиг.4 представлена принципиальная электрическая схема одного канала БИС считывания.
Модуль фотоэлектронный матричный выполняет преобразование инфракрасного излучения спектрального диапазона 8-12 мкм, подаваемого на его оптический вход с помощью объектива и оптико-механического развертывающего устройства, в электрические выходные сигналы. Внешний вид модуля представлен на фиг.1.
Состав модуля:
- матричное фотоприемное устройство (МФПУ), осуществляющее преобразование инфракрасного (ИК) изображения в электрический сигнал,
- блок сопряжения (БС), интегрированный с МФПУ и обеспечивающий формирование напряжений питания и сигналов управления МФПУ, а также согласование аналоговых выходов фотоприемника (ФП).
В свою очередь МФПУ состоит из:
- матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) на основе фотодиодов из эпитаксиального полупроводникового материала кадмий-ртуть-теллур (КРТ) формата 4×288 элементов;
- кремниевой большой интегральной схемы (БИС) МОП-мультиплексора, обеспечивающей считывание, предварительное усиление и мультиплексирование сигналов МФЧЭ;
- двух газопоглотителей (ГП) для поддержания уровня вакуума в полости криостатируемого корпуса МФПУ;
- двух диодных кремниевых датчиков температуры (ДТ);
- криостатируемого вакуумного корпуса МФПУ, в котором размещены кремниевая БИС, МФЧЭ, ДТ и ГП, интегрированного с микрокриогенной системой охлаждения (МКС) типа «интегральный стирлинг»;
В качестве исходного материала для изготовления фоточувствительных элементов используются эпитаксиальные слои КРТ различного состава для разных ИК-диапазонов. Толщина этих эпитаксиальных слоев составляет от 8 до 12 мкм.
Длинноволновая граница спектральной чувствительности определяется граничной длиной волны материала КРТ выбранного состава, а коротковолновая граница спектральной чувствительности обеспечивается оптическим фильтром.
Многорядная фотодиодная матрица представляет собой эпитаксиальный слой КРТ р-типа проводимости, с диэлектрическим покрытием, в котором сформированы локальные n-области, омические контакты к ним и базовой р-области, а также индиевые столбики над контактами для гибридизации с растром.
Кристалл МФЧЭ формата 4×288 содержит две группы по четыре линейки, в каждой из которых с шагом 42(28) мкм расположены 144 фотодиода. Топология элементов ФЧЭ показана на фиг.2.
Для считывания информационного сигнала с многорядной линейки 4×288 ПК фотодиодов используются БИС считывания и мультиплексирования сигналов на основе кремниевых охлаждаемых n-канальных МОП транзисторов. Электрическое и механическое объединение кристаллов кремниевой БИС считывания и мультиплексирования сигналов и матрицы ПК фотодиодов на основе КРТ производится методом "перевернутого монтажа" с помощью массива индиевых столбиков.
МОП мультиплексор обеспечивает:
- последовательную коммутацию шин затворов (матричный мультиплексор),
- параллельное накопление зарядов с фоточувствительных ИК диодов каждого столбца на емкости накопления,
- параллельный перенос накопленного заряда на емкости хранения,
- последовательное считывание информации с емкостей хранения на общий выход для последующей обработки.
Принципиальная электрическая схема кристалла интегрального МОП мультиплексора формата 4×288 (фиг.3) включает в себя два зеркально расположенных МОП мультиплексора формата 2×288 с входными контактами для связи с линейкой ИК диодов и внешними контактами для соединения с электроникой теплой зоны. Каждый из 1152 каналов (фиг.4) секции накопления (СН) интегрального МОП мультиплексора содержит:
- входной транзистор,
- транзистор управления временем накопления,
- конденсатор накопления,
- транзистор заряда конденсатора накопления,
- транзистор управляющий переносом заряда из конденсатора накопления в конденсатор хранения,
- транзистор заряда конденсатора хранения,
- конденсатор хранения,
- транзистор истокового повторителя линейки считывания (ЛС).
- транзисторный ключ ЛС.
Одним из основных элементов кремниевой БИС считывания и мультиплексирования сигналов является входной МОП транзистор, выполняющий функции усилительного и согласующего элемента. Он работает в подпороговом режиме, при котором достигается максимально возможная крутизна (при заданном токе с фотодиода), что важно для обеспечения коэффициента инжекции фототока, близкого к единице.
Для увеличения стабильности работы транзистора в подпороговом режиме в цепь питания шины затворов входных транзисторов установлен стабилизатор напряжения на двух МОП транзисторах, а для снижения импульсных помех на шину питания затворов к ее началу и концу подключены два конденсатора фильтра. Для сканирования информации и управления СН используются двухфазные динамические регистры сдвига (PC). Каждый канал PC включает в себя 4 МОП транзистора и один конденсатор.
ИС содержит цепь смещения, общую для всех входных преобразовательных МОП-транзисторов, которые для входного сигнала от фотодиода включены по схеме с общим затвором. Ток преобразовательного транзистора через ключевой транзистор, управляемый фазой накопления, разряжает накопительную емкость на величину, определяемую величиной фототока и длительностью фазы накопления: .
Из накопительной емкости фазой переписи сигнал переносится в (5-10) раз меньшую по величине емкость хранения. Получившийся в результате сигнал определяет напряжение на затворе выходного транзистора. Последовательный опрос этих транзисторов производится через ключи, управляемые регистром считывания.
Все электрические сигналы управления, питания и выходов с ИС производятся через 36 контактных площадок, расположенных с двух сторон кристалла. Габариты кристалла составляют 4,4×10 мм.
Контактный растр обеспечивает электрическое, механическое и тепловое соединение гибридной сборки с вакуумным криостатируемым корпусом МФПУ.
Фотоприемник размещается в металлокерамической вакуумной конструкции, интегрированной с микрокриогенной системой, работающей по циклу Стирлинга. Холодопроизводительность МКС 0,7 Вт при температуре охлаждаемого узла 80 К.
Блок сопряжения предназначен для формирования стабилизированных напряжений питания и сигналов управления МФПУ и осуществляет предварительную аналоговую обработку сигналов МФПУ.
Конструктивно блок сопряжения состоит из трех плат: платы блока управляющих напряжений и двух плат блока усилителей. Постоянные уровни напряжений, необходимые для управления работой МФПУ, формируются в блоке управляющих напряжений. Блок усилителей состоит из восьми усилительных каскадов (по четыре на каждой из двух печатных плат), формирователя регулируемого напряжения смещения для установки рабочей точки матрицы фотодиодов МФПУ и формирователя опорного напряжения для сдвига постоянной составляющей дифференциальных сигналов на выходе усилительных ОУ.
Основные конструктивные и технико-экономические показатели ФЭМ формата 4×288 элементов.
Наименование параметра, единица измерения, режим измерения
Буквенное обозначение параметра
Значение параметра
Спектральный диапазон чувствительности:
длинноволновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,5, мкм
λ<sub>д 0,5</sub>
≥10,3
коротковолновая граница спектральной чувствительности по уровню 0,5, мкм
λ<sub>к 0,5</sub>
≤7,5
Среднее значение удельной обнаружительной способности по недефектным каналам в максимуме спектральной чувствительности при времени интегрирования 25 мкс в режиме ВЗН, см.Вт-1.Гц1/2
<img file="00000003.tif" he="6" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" />
≥1,3·10<sup>11</sup>
Вольтовая чувствительность недефектных каналов при времени интегрирования 18 мкс в режиме ВЗН, В/Вт
Su
≥2·10<sup>7</sup>
Эффективный размер фоточувствительной площадки, мкм
(28±5)×(28±5)
Динамический диапазон, дБ
≥60
Фотоэлектрическая взаимная связь между соседними площадками, %
К<sub>вз</sub>
≤5
Максимальная частота опроса сигнальных выходов, МГц
F<sub>опр</sub>
≥7,5
Масса МФПУ с МКС и БС, г
m
≤1400