ДВУХСПЕКТРАЛЬНЫЙ МАТРИЧНЫЙ ИНФРАКРАСНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ
DUAL-SPECTRUM MATRIX INFRARED RADIATION ARRAY DETECTOR FOR OPTOELECTRONIC SENSORS

Изобретение относится к приемникам инфракрасного излучения, предназначенным для использования в оптоэлектронных датчиках контрольно-измерительных приборов, таких как пирометры спектрального отношения и детекторы пламени. Заявляемый двухканальный приемник излучения имеет в своем составе фотогальванические элементы на основе селенида свинца, которые позволяют измерять параметры излучения объекта в двух разных спектральных участках инфракрасного диапазона от 1 до 5 мкм, наиболее информативных для конкретного объекта, и определять характеристики состояния объекта.
Оптоэлектронные датчики, использующие многоканальные фотоприемные устройства с чувствительными элементами разных спектральных диапазонов, обеспечивают получение более полной информации об объекте за счет селекции излучения объекта при наличии различных оптических помех. Техническая реализация многоканальных (в частности, двухканальных) фотоприемных устройств сопряжена с определенными трудностями, вызванными пространственным разнесением чувствительных элементов фотоприемного устройства, и, как следствие, сложностью в формировании согласованных угловых характеристик чувствительности. Для формирования идентичных угловых характеристик известны различные конструктивные решения фотоприемных устройств: создание матрицы чередующихся фоточувствительных элементов, соосное расположение, «один за другим» или «один в другом» фоточувствительных элементов, разделение потока излучения для каждого фоточувствительного элемента с помощью оптической системы.
Известен двухканальный фотоприемник (Пат. РФ №2290614, кл. G01J 5/60) пирометра спектрального отношения, в котором фоточувствительные элементы расположены соосно, на одной оптической оси, один за другим, образуя так называемую тандем-структуру или сэндвич-структуру.
Известен трехканальный фотоприемник (Пат. РФ №2347198, кл. G01J 5/00) трихроматичного пирометра, в котором реализована конструкция с использованием тандем-структуры и оптического разделения потока излучения. Светоделительное зеркало разделяет поток излучения на два, которые направляются на одиночный и сдвоенный фоточувствительные элементы.
Известно конструктивно-технологическое решение (патент США №5373182), формирующее многоспектральный фотоприемник на кремниевой подложке. В данном решении фоточувствительный элемент видимого диапазона, с одной стороны, и фоточувствительные элементы инфракрасного диапазона, с другой стороны, реализованы как тандем-структура матричных фотоэлементов.
К недостаткам конструктивных решений с соосным расположением, «один за другим» фоточувствительных элементов можно отнести влияние конструктивно-технологических и фотоэлектрических характеристик фоточувствительных элементов на характеристики фотоэлементов, расположенных на оптической оси за ними. В результате этого влияния возможно снижение величины потока излучения, изменение спектрального состава и пространственной конфигурации потока излучения, что вносит определенные ограничения по выбору характеристик спектральных каналов.
Конструктивное решение с разделением потока излучения требует применения сложной и чувствительной оптической системы, что является очевидным недостатком для практического использования в промышленных условиях.
Известен широкопольный двухспектральный фотоприемник (Пат. РФ №2388115, кл. H01L 31/101), один из вариантов которого представляет собой фоточувствительные элементы в виде концентрических правильных многоугольников, соосно расположенных на одной плоскости и вложенных один в другом. В данном решении спектральные характеристики чувствительности в инфракрасной области формируются подбором фоточувствительного материала. Малые размеры и близкое расположение фоточувствительных площадок не позволяет применять оптические фильтры и корректировать спектральные характеристики, что является существенным недостатком.
Известен инфракрасный многоспектральный приемник излучения (Пат. РФ №2540836, кл. G08B 17/12), представляющий собой тонкопленочные фоточувствительные элементы в форме концентрических окружностей и оптические фильтры на основе многослойных интерференционных структур в форме концентрических окружностей, повторяющих топологию фоточувствительных элементов. Недостатком данного решения можно считать возможность проявления краевого эффекта. Так как фоточувствительные элементы отделены зазором друг от друга, попадание края облученной зоны фотоприемника параллельно зазору приведет к неодинаковой засветке фоточувствительных элементов.
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 селенида свинца, фоточувствительные элементы расставлены по квадрату в ячейках держателя и снабжены каждый своим фильтром. В приемнике реализованы два спектральных канала - основной и вспомогательный, обеспечивающие спектральную селекцию пламени на фоне оптических помех.
Данный приемник излучения является наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению и взят в качестве прототипа. В случае использования приемника излучения - прототипа в оптоэлектронных датчиках промышленного назначения, ему присущи следующие недостатки:
1. Возможность проявления краевого эффекта. При частичном облучении апертуры фотоприемника фоточувствительный элемент одного спектрального канала может оказаться в необлученной зоне, что вызовет искажение фотосигнала и неправильную работу датчика.
2. Оптические оси фоточувствительных элементов спектральных каналов значительно разнесены в пространстве, что приводит к рассогласованию угловых характеристик чувствительности спектральных каналов, вносит погрешность в работу датчика, связанную с углом падения излучения.
3. Не учтена топология фоточувствительных элементов, оказывающая влияние на конструктивное исполнение и угловые характеристики чувствительности.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение согласованности угловых характеристик чувствительности двухканального приемника излучения, включающего фотогальванические элементы, выполненные на основе тонкопленочных технологий из селенида свинца, и, как следствие, корректная реализация, независимо от угла падения излучения, методов спектрального анализа излучения в оптоэлектронных датчиках. Для пирометров это означает повышение точности измерения температуры при различном расположении объекта в поле зрения пирометра, для детекторов пламени - повышение помехозащищенности к оптическим помехам, находящимся в поле зрения детектора пламени.
Технический результат заявляемого изобретения достигается за счет нового конструктивного исполнения приемника излучения, а именно за счет выполнения фотогальванических элементов, снабженных оптическими фильтрами, в виде круговой матричной структуры. Предложенная автором конструкция учитывает технические требования к приемникам, а также конструктивно-технологические и фотоэлектрические характеристики фотогальванических элементов приемника, минимизирует выявленные недостатки прототипа.
Предложенное конструктивное исполнение вносит следующие изменения в конструкцию прототипа:
1. Формируются идентичные модули, состоящие из двух фотогальванических элементов, расположенных рядом в плоскости и снабженных разными оптическими фильтрами, принадлежащими спектральным каналам с разными спектральными характеристиками чувствительности.
2. Модули размещаются на основании приемника излучения (на подложке) вокруг единого центра по окружности в конгруэнтных круговых секторах таким образом, чтобы границы чувствительных площадок двух фотогальванических элементов, составляющих один модуль, располагались симметрично относительно биссектрисы центрального угла соответствующего сектора, а фотогальванические элементы двух разных спектральных каналов чередовались по окружности.
Возможные варианты конструктивного исполнения заявляемого приемника излучения приведены на Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 и представляют по существу выполненные на подложке круговые матрицы, состоящие соответственно из четырех, пяти и шести модулей.
Фоточувствительные элементы формируются на диэлектрической подложке с помощью последовательно осуществляемых операций:
- вакуумного термического напыления тонких поликристаллических слоев селенида свинца или его твердых растворов. На данном этапе за счет выбранного фоточувствительного материала определяется диапазон спектральной чувствительности элементов.
- фотолитографии для выделения фоточувствительных площадок с топологией чувствительных областей в виде меандра, обеспечивающей наилучшую квантовую эффективность.
- ионно-плазменного напыления материала токоведущих электродов с целью создания омических контактов.
В качестве оптических фильтров могут использоваться абсорбционные материалы (монокристаллические, поликристаллические или аморфные пластины) или интерференционные фильтры, сформированные методами вакуумного осаждения на подложку пленок с различными показателями преломления.
В качестве примера рассмотрим вариант исполнения заявляемого приемника излучения, представленный на Фиг. 2, где матричная структура, выполненная на подложке по тонкопленочной технологии, сформирована из пяти модулей - пяти пар фотогальванических элементов, снабженных оптическими фильтрами. Каждый модуль включает по два фотогальванических элемента (1) и (2) и два соответствующих им оптических фильтра (1ф) и (2ф). При этом фотогальванический элемент (1) с оптическим фильтром (1ф) и фотогальванический элемент (2) с оптическим фильтром (2ф), формируют заданные спектральные характеристики чувствительности двух разных спектральных каналов приемника излучения.
Модули расположены в конгруэнтных секторах (3) с учетом симметрии чувствительных площадок спектральных каналов (С1) и (С2) (показаны только на одном модуле) относительно биссектрисы (4) угла сектора. Благодаря специфическому расположению элементов разных спектральных каналов в данной конфигурации (чередование фотогальванических элементов 1-2-1-2-…-1-2 по окружности) значительно снижается влияние краевого эффекта. Можно отметить, что при количестве модулей 5 и более краевой эффект не оказывает существенного влияния на работу датчика. Также благодаря осевой симметрии конструкции и близкому расположению элементов формируются симметричные угловые характеристики чувствительности спектральных каналов с минимальным рассогласованием.
Предложенное конструктивное исполнение позволяет формировать необходимую структуру как из отдельных фоточувствительных элементов и фильтров, так и с помощью групповых технологий на единых подложках, как для фоточувствительных элементов, так и для фильтров. Фоточувствительные элементы каждого спектрального канала могут электрически соединяться как параллельно, так и последовательно, конструкция приемника в виде круговой матрицы обеспечивает технологичное решение данной задачи. Примеры параллельного и последовательного включения дискретных фоточувствительных элементов приведены на  Фиг. 4 и Фиг. 5 соответственно. Преимуществами заявляемого конструктивного исполнения являются возможность независимого выбора материала фоточувствительных элементов и оптических фильтров и, как следствие, независимого формирования спектральных характеристик чувствительности спектральных каналов, а также большая эффективная фоточувствительная площадь.
Конструкция двухканального инфракрасного приемника излучения обладает характеристиками, предпочтительными для создания пирометров спектрального отношения с большим показателем визирования и для детекторов пламени с широким углом обзора.
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.
В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого технического решения приводим пример конкретного изготовления заявляемого приемника излучения (Фиг. 4), разработанного для пирометра спектрального отношения.
0,8
0,2
В приемнике пирометра первый спектральный канал использует фотогальванический элемент на основе твердого раствора PbCdSe, снабженный оптическим фильтром из германия и имеет фоточувствительность в диапазоне 1,7…3,5 мкм, второй канал использует фотогальванический элемент из чистого селенида свинца PbSe с полосовым оптическим фильтром и имеет чувствительность в диапазоне 2,6…4,2 мкм. Выбор диапазонов спектральной чувствительности осуществлен на основе методики, изложенной в статье автора заявляемого изобретения «Оптимизация спектральных характеристик фотоприемников пирометра спектрального отношения» (журнал «Датчики и системы» №2, 2001 г.). Измерение угловых характеристик чувствительности показало, что нормированные угловые характеристики двух спектральных каналов для всех значений углов поля зрения различаются не более чем на 3%, влияние краевого эффекта обнаружено не было. На основе данного приемника излучения был успешно создан и испытан пирометр спектрального отношения для измерения температуры агломерата на сталелитейном предприятии «Северсталь», г. Череповец.
Применение фотогальванических элементов из твердых растворов селенида свинца со спектральной чувствительностью в среднем инфракрасном диапазоне (до 5 мкм) и заявленного конструктивного исполнения приемника излучения позволило расширить применимость спектрального метода дистанционного измерения температуры на низкотемпературный диапазон (от +50°С до +600°С).
Прилагаемые чертежи
Фиг. 1 - патентуемая матричная структура заявляемого ИК-приемника излучения, состоящая из четырех модулей.
Фиг. 2 - патентуемая матричная структура заявляемого ИК-приемника излучения, состоящая из пяти модулей.
Фиг. 3 - патентуемая матричная структура заявляемого ИК-приемника излучения, состоящая из шести модулей.
Фиг. 4 - пример конкретного исполнения заявляемого приемника излучения с параллельным соединением дискретных элементов, разработанного для пирометра спектрального отношения.
Фиг. 5 - пример конкретного исполнения заявляемого приемника излучения с последовательным соединением дискретных элементов, разработанного для пирометра спектрального отношения.