ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
PYROELECTRIC CONVERTER OF ELECTROMAGNETIC WAVES

Изобретение относится к оптоэлектронике, устройствам оптико-электронных приборов, в том числе пироэлектрических приемников излучений.
Решается задача создания пироэлектрических приемников излучений, обычно используемых в видимом и ИК спектре, для более длинноволнового диапазона спектра.
Аналогом устройства выбраны радиоприемные устройства [Физическая энциклопедия / Гл. ред. A.M. Прохоров. Т. 4. Радиоприемные устройства. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - 704 с.], содержащие антенные системы и соединенные с антенной детекторы электромагнитных волн; сигнал с детектора усиливается и измеряется. В качестве детекторов могут быть применены как тепловые типа болометров, так и детекторы на p-n переходах.
Недостатком аналога являются значительные габариты антенных систем радиоприемных устройств а также отсутствие очевидного решения проблемы использования пироэлектрических преобразователей для детектирования электромагнитных волн.
Другим аналогом устройства выбраны полосковые устройства СВЧ [Проектирование полосковых устройств СВЧ: уч. пособие. - Ульяновск: Ульяновский ГТУ, 2001. - 123 с.], в которых антенны устройства выполняются компактными в виде отрезков полосковых волноводов на проводящих или диэлектрических подложках совместно с размещенными на этих же подложках полупроводниковыми или другими детекторами электромагнитных волн.
Недостатком аналога является отсутствие очевидного решения проблемы использования пироэлектрических преобразователей для детектирования электромагнитных волн.
В качестве прототипа выбран пироэлектрический приемник [Новик В.К. и др. Пироэлектрические преобразователи. - М.: Сов. Радио, 1979. - 176 с.] в виде теплоизолированной пироэлектрической пластины с обкладками по обеим ее сторонам; пластина закреплена на поверхности подложки. Закрепление выполняется теплоизолирующим, иногда элементы преобразователя закрепляются с помощью мостиковой конструкции с малым тепловым контактом с подложкой. Измеряемое излучение падает на поверхность с обкладкой, поглощается и нагревает обкладки и пироэлектрическую пластину; возникшая между обкладками разность потенциалов усиливается и измеряется с помощью операционного усилителя, который своими входами соединен с обкладками.
2
4
Недостатком прототипа при создании приемников терагерцевого и миллиметрового диапазонов является необходимость иметь поглощающую излучение чувствительную площадку преобразователя больших размеров, не меньшую в поперечнике длины волны падающего излучения, то есть в 10-10 раз большей, чем в видимом диапазоне, площади; чувствительность преобразователя при этом оказывается низкой в связи с большими потерями тепловой энергии принятого светового сигнала, а инерционность - высокой в связи с увеличенной теплоемкостью чувствительных элементов.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание приемника терагерцевого и миллиметрового диапазонов в виде антенно-связанного пироэлектрического приемника излучений.
Поставленная задача решается тем, что в пироэлектрическом преобразователе электромагнитных волн, содержащем теплоизолированную пластину пиродиэлектрика с проводящими пленочными обкладками на противоположных поверхностях пластины, подключенными к измерителю электрического сигнала, в соответствии с изобретением, одна обкладка является последовательно включенным участком электрической цепи высокочастотного тока антенны приема электромагнитных волн.
Предлагается также, что пироэлектрический преобразователь с обкладками выполнен как пластина пиродиэлектрика с обкладками, расположенная на теплоизолирующей пленочной диэлектрической мембране, закрепленной краями на подложке, причем антенна планарная и закреплена на структуре мембрана-подложка или подложке или имеет навесную конструкцию, тогда как обкладки подключены к закрепленным на подложке контактным площадкам.
Предлагается также, что электрическое сопротивление участка цепи антенны, приходящегося на обкладку, равно входному сопротивлению антенны, приведенному к точкам подключения упомянутого участка к цепи антенны.
Предлагается также, что подключение обкладок к контактным площадкам выполнено в виде электрического соединения с помощью полосковых волноводов.
Изобретение поясняется с помощью фиг. 1-3.
На фиг. 1 схематически представлено устройство пироэлектрического преобразователя электромагнитных волн. Здесь 1 - пластина пиродиэлектрика, 2 и 3 - проводящие пленочные обкладки, 4 - теплоизолирующие столбики, с помощью которых пластина с обкладками закреплена на основании 5, 6 - антенна (четвертьволновый вибратор), 7 - электрическое подсоединение антенны к электроду, 8 - проводник подсоединения электрода к входу измерителя 10 электрического сигнала, 9 - проводник подсоединения электрода 2 к другому входу измерителя 10, L - элемент индуктивной развязки высокочастотной цепи антенны и низкочастотной цепи измерителя сигнала, включенный последовательно в цепь линии 9, С - электрическая емкость, замыкающая высокочастотный ток ~i антенны на «землю».
На фиг. 2 схематически представлено устройство пироэлектрического преобразователя электромагнитных волн с полуволновым вибратором в качестве антенны. Здесь 11 - одно из двух плеч полуволновой антенны, 12 - электрический проводник, соединяющий среднюю точку обкладки 3 с входом измерителя 10 электрического сигнала; остальные обозначения совпадают с обозначениями фиг. 1.
На фиг. 3 показан вариант конструкции пироэлектрического преобразователя с обкладками в виде пластины пиродиэлектрика с обкладками, расположенной на теплоизолирующей мембране. Здесь 13 - подложка, выполняющая функцию основания преобразователя, выполненная в виде пластины с центральным отверстием, перекрытым мембраной 14, края отверстия показаны пунктирной окружностью, 15 и 16 - плечи планарной антенны в виде полуволнового вибратора, закрепленной на структуре «мембрана - подложка», 17 - пироэлектрическая пластина в виде квадратного участка тонкой пленки из пиродиэлектрика, 18 - нижняя обкладка пластины пиродиэлектрика -пироэлектрического преобразователя, 19 - полосковый волновод, электрически соединяющий обкладку 18 и контактную площадку 23, 20 - верхняя обкладка пластины пиродиэлектрика - пироэлектрического преобразователя, электрически соединенная с плечами 15 и 16 антенны, 21 - полосковый волновод, электрически соединяющий верхнюю обкладку 20 и контактную площадку 22, С - электрическая емкость, замыкающая высокочастотный ток ~i антенны, текущий через нижнюю обкладку 18 на «землю».
Устройство на фиг. 1 работает следующим образом.
Электромагнитная волна поглощается антенной 6. Высокочастотный ток антенны замыкается на землю, проходя последовательно обкладку 3, линию 8 и емкость С, которая может быть образована емкостью специального конденсатора или входной емкостью измерителя 10. Проходя обкладку, указанный ток ее нагревает; оптимальное согласование антенны с обкладкой достигается при равенстве активного сопротивления обкладки волновому сопротивлению антенны, пересчитанному на точку контакта соединительной линии с обкладкой. Выделившееся в обкладке тепло нагревает пироэлектрик 1, между обкладками возникает разность электрических потенциалов, пропорциональная мощности принятой электромагнитной волны, возникает избыточный электрический заряд. Величина потенциала или заряда измеряется измерителем 10, входные клеммы которого подсоединены к верхней обкладки соединительной линией 8, к нижней обкладке соединительной линией 9. Через соединительную линию 9 может протекать часть высокочастотного тока антенны благодаря межобкладочной электрической емкости, для уменьшения этого тока можно в цепь линии последовательно включить элемент L с индуктивным сопротивлением.
Таким образом, отклик пироэлектрического преобразователя возникает за счет нагревания обкладки высокочастотным током антенны, а не путем непосредственного поглощения попадающего излучения обкладкой.
Устройство на фиг. 2 работает следующим образом.
Электромагнитная волна поглощается симметричной антенной с плечами 11. Высокочастотный ток антенны замыкается, проходя обкладку 3. Средняя точка обкладки является точкой симметрии антенны и заземляется с помощью соединительной электрической линии 12 через емкость С, которая может быть образована емкостью специального конденсатора или входной емкостью измерителя 10. Проходя обкладку, указанный ток ее нагревает; оптимальное согласование антенны с обкладкой достигается при равенстве активного сопротивления обкладки волновому сопротивлению антенны, пересчитанному на точки контакта соединительных линий с обкладкой. Выделившееся в обкладке тепло нагревает пироэлектрик 1, между обкладками возникает разность электрических потенциалов, пропорциональная мощности принятой электромагнитной волны, возникает избыточный электрический заряд. Величина потенциала или заряда измеряется измерителем 10, входные клеммы которого подсоединены к верхней обкладки соединительной линией 8, к нижней обкладке соединительной линией 9. Через соединительную линию 9 может протекать часть высокочастотного тока антенны благодаря межобкладочной электрической емкости, для уменьшения этого тока можно в цепь линии последовательно включить элемент L с индуктивным сопротивлением.
Устройство на фиг. 3 работает следующим образом.
Электромагнитная волна поглощается симметричной планарной антенной с плечами 15 и 16, антенна может быть полуволновым вибратором или быть более сложным устройством. Высокочастотный ток антенны замыкается через обкладку 20 и нагревает ее; условия согласования антенны с обкладкой, которая является нагрузкой антенны, аналогичны указанным выше. Антенна расположена поверх мембраны 14 и подложки 13, только частично располагаясь на мембране, однако такое положение не является обязательным. Мембрана и подложка могут быть диэлектрическими или проводящими, в последнем случае плечи антенны должна быть отделены от мембраны и подложки зазором, сравнимым по величине с длиной волны принимаемого излучения, или диэлектрическими прокладками от проводящих поверхностей.
Тепловыделяющим элементом в пироэлектрическом преобразователе является верхняя обкладка 20. Мембрана 14 обеспечивает механическую поддержку элементов преобразователя и тепловую изоляцию преобразователя от подложки за счет ее изготовления достаточно тонкой - толщиной до долей микрометра - и из материала с малой теплоемкостью и теплопроводностью, например, из стеклянной или полимерной пленки. Нижняя обкладка 18 преобразователя расположена в виде проводящей пленки между мембраной и пироэлектрическим элементом.
Пироэлектрический элемент 17, например, в виде участка тонкой пленки, предпочтительно, должен быть по габаритам близок к габаритам обкладок, хотя может занимать весь проем отверстия в подложке; пленка пироэлемента может при таком размере выполнять роль мембраны, и специальная пленка мембраны не требуется. Допускается выполнять пироэлектрический преобразователь и без специальной мембраны, заполняющей проем отверстия в подложке, например, использовать антенну в качестве опоры для размещения в ее центральной части обкладок и пироэлектрической пластины или пленки и закрепить плечи антенны на краях отверстия.
Обкладки электрически соединены с измерителем 10 с помощью полосковых волноводов 19 и 21 и контактных площадок 22 и 23. Ширина полоски волновода выбирается меньше длины волны принимаемого излучения. Полосковый волновод 19 обеспечивает электрическое разделение высокочастотной цепи тока в антенне от низкочастотной цепи тока через измеритель, поэтому его необходимо выполнить или имеющим большое значение индуктивности, например, в виде «змейки», или в и виде четвертьволнового трансформатора сопротивлений с длиной, равной четверти длины электромагнитной волны в нем.
Полосковый волновод 21 подсоединен к середине длины обкладки 20 как к точке симметрии полуволнового вибратора и заземляет эту точку; волновод электрически соединяет верхнюю обкладку 20 с измерителем 10. Требования к величине активного (омического) сопротивления волноводов 19 и 21 могут быть различными в зависимости от типа операционного усилителя, который используется в измерителе 10; если используется схема измерения пироэлектрического заряда или тока, сопротивление волноводов должно быть минимальным.
Контактные площадки 22 и 23 могут быть тонкопленочными и иметь малое электрическое сопротивление. Если создается преобразователь с навесной антенной, то контактные площадки служат также для присоединения к ним электрических соединительных линий от антенны.
Планарная антенна не обязательно должна быть симметричной, может иметь форму несимметричного вибратора, плоского вибратора с питанием в одной точке, быть рамочной и др. В этом случае антенна также может располагаться на структуре «мембрана - подложка» или без мембраны на подложке.
Мембрана не обязательно имеет форму плоской закрепленной по периметру перепонки, она может иметь форму микромостика, закрепленного концами на поверхности пластины с зазором между пластиной и пролетом мостика, как в прототипе.
Выигрыш в чувствительности приема излучения и в инерционности приемника в случае антенно-связанного пироприемника в сравнении с пироприемником, непосредственно поглощающим падающее излучение своей площадью, становится заметным при изготовлении обкладок преобразователя с размерами меньше длины волны детектируемого излучения. Чувствительность определяется при прочих равных факторах балансом между поглощаемой энергией электромагнитных волн и теплоотводом из пиропреобразователя в окружающее пространство и через теплоотводящие элементы в подложку (на фиг. 1 через элементы 4, на фиг. 3 - через мембрану 14). При меньшем теплоотводе равенство потоков поглощаемой энергии и теплоотвода устанавливается при более высокой температуре пиродиэлектрика, что увеличивает электрический отклик.
a
a
a
a
2
2
2
В случае мембранной конструкции преобразователя поглощение пропорционально площади преобразователя  ( - его сторона) при непосредственном поглощении излучения, теплоотвод за счет теплопроводности пропорционален периметру преобразователя, то есть величине ; выигрыш в чувствительности оказывается пропорционален уменьшению линейного размера преобразователя. При поглощающем излучение преобразователе, как в прототипе, поперечник преобразователя не может быть меньше длины волны излучения, поэтому ≥λ (λ - длина волны принимаемого излучения). В антенно-связанном преобразователе поперечник может быть много меньше длины волны, и чувствительность может быть многократно больше (пропорционально уменьшению поперечника).
a
2
Инерционность зависит от теплоемкости преобразователя, которая пропорциональна его объему, поэтому выигрыш в уменьшении инерционности антенно-связанного преобразователя может быть пропорционален отношению (λ/) при равенстве толщин структурных элементов в сравниваемых случаях.
Пироэлектрический преобразователь может быть многоэлементным, например иметь структуру матрицы пиропреобразователей с выводами от каждого элементарного преобразователя, коммутируемыми с помощью микроэлектронных ключей, которые могут располагаться на подложке с микроантеннами и пиропреобразователями.
Таким образом доказана обоснованность и целесообразность предложений по данному изобретению.
Для изготовления устройства могут быть использованы материалы: для подложки - стекло или полупроводниковые пластины; для пиропреобразователя обкладки - металлическая напыляемая в вакууме пленка, пироэлектрическая пластина - тонкая пленка пироэлектрической керамики или пироэлектрической полимерной пленки; мембрана может быть стеклянной или полимерной.
Технология изготовления может быть разработана на основе технологий микроэлектронных приборов и микромеханических устройств.
Пироэлектрический преобразователь может быть применен в качестве чувствительного детектора электромагнитных волн в широком диапазоне спектра - от ПК до субмиллиметровых волн (терагерцевом диапазоне). Преимуществом предложенной системы может быть ее более высокая чувствительность и лучшее быстродействие в сравнении с применяемыми в настоящее время в этом диапазоне неохлаждаемыми приемниками излучений.
Техническим результатом изобретения может стать создание неохлаждаемых пироэлектрических приемников сигналов и приемников изображений в терагерцевом диапазоне спектра.