ПРИЕМНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к конструкции фоточувствительных полупроводниковых приборов, в частности, к приемникам излучения с охлаждаемым фильтром и монолитно выполненной матрицей фоточувствительных элементов с засветкой с обратной стороны, предназначенных для устройств различного назначения, принцип работы которых основан на обнаружении и регистрации инфракрасного излучения (тепловидение, теплопеленгация и др.).
Известен приемник инфракрасного излучения, содержащий в корпусе кристалл с фоточувствительными элементами, в котором формирование требуемой области спектральной чувствительности осуществляется с помощью охлаждаемого фильтра. В конструкцию такого приемника вводится пластина фильтра с элементами крепления к охлаждаемой поверхности (см. У.Вольф. Справочник по инфракрасной технике, М., «Мир», 1999, т.3, с.46). В такой конструкции охлаждаемая масса, определяемая фильтром и элементами его крепления, может достигать 20% от общей охлаждаемой массы фотоприемника, и, следовательно, увеличивать время выхода на рабочий режим. Кроме того, в подобных устройствах возникают фоновые паразитные излучения от внутренних элементов приемника, в частности, от фильтра и элементов его крепления в переходном процессе охлаждения кристалла, диафрагмы, фильтра и других элементов приемника.
Известен наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому приемник излучения содержащий расположенные на одной оптической оси, входное окно, закрепленное на корпусе приемника, охлаждаемую диафрагму, закрепленную на цилиндрической части держателя, с пластиной фильтра, кристалл с фоточувствительными элементами, закрепленный на торцевой части охлаждаемого держателя, (см. Хадсон р. Инфракрасные системы. Перевод с англ. М., «Мир», 1972 г., с.275). Однако, такая конструкция обладает довольно большой охлаждаемой массой фильтра, и в ней возникают паразитные фоновые излучения от внутренних элементов приемника, в частности, от фильтра и диафрагмы, увеличивающие время выхода приемника на рабочий режим в переходном процессе охлаждения кристалла, диафрагмы, фильтра и других элементов приемника. Кроме того, такая конструкция не является достаточно надежной из-за крепления массивной пластины фильтра на высокой тонкостенной цилиндрической диафрагме при работе приемника в условиях вибраций и ударов.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является сокращение времени выхода сигнала приемника на установившееся значение в процессе охлаждения приемника до криогенных температур и повышение надежности работы приемника излучения в условиях механических вибраций и ударов, а также при многократных захолаживаниях приемника до 80 К.
Технический результат при ее использовании: снижение охлаждаемой массы и паразитного фонового излучения от внутренних элементов приемника, а также повышение надежности работы приемника.
Указанный технический результат достигается тем, что приемник излучения содержит закрепленные на цоколе вакуумированный корпус с входным окном и размещенный внутри корпуса цилиндрический охлаждаемый держатель, на котором установлены охлаждаемые диафрагма и кремниевый кристалл, на одной стороне которого расположены фоточувствительные элементы, а на поверхность другой стороны, обращенной к входному окну, последовательно нанесены слой окиси кремния и оптический фильтр, выполненный в виде многослойного тонкопленочного покрытия.
Слой окиси кремния и оптический фильтр выполнены напылением непосредственно на противоположную фоточувствительным элементам сторону кристалла, через которую осуществляется облучение фоточувствительных элементов.
Новым в предложенной полезной модели является размещение тонкопленочного оптического фильтра непосредственно на охлаждаемом кристалле с фоточувствительными элементами и наличие промежуточного слоя окиси кремния, который обеспечивает надежное крепление многослойного оптического фильтра к кристаллу кремния при многократных захолаживаниях приемника до 80 К.
Использование тонкопленочного материала при формировании светофильтра существенно (до 20%) уменьшает охлаждаемую массу приемника излучения, что ведет к сокращению времени выхода сигнала приемника излучения на установившееся значение.
Нанесение оптического фильтра непосредственно на кристалл уменьшает время охлаждения фильтра до установившегося значения и делает его практически совпадающим с установлением температуры криостатирования фоточувствительных элементов.
Повышение надежности работы приемника излучения при эксплуатации обеспечивается в условиях механических вибраций и ударов исключением массивной пластины охлаждаемого фильтра, располагаемого на высокой тонкостенной цилиндрической диафрагме, а в условиях многократных захолаживаний приемника до 80 К наличием промежуточного слоя окиси кремния.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема устройства.
Приемник инфракрасного излучения содержит закрепленные на цоколе 1 вакуумированный корпус 2 и размещенный внутри корпуса цилиндрический охлаждаемый держатель 3. На держателе 3 установлены охлаждаемые диафрагма 4 и кремниевый кристалл 5, размещенный напротив выполненного в корпусе 2 входного окна 6. На одной стороне кристалла 5 расположены фоточувствительные элементы 7, а на поверхность другой стороны, обращенной к входному окну 6, последовательно нанесены слой окиси кремния 8 и оптический фильтр 9, выполненный в виде многослойного тонкопленочного покрытия.
При работе устройства в переходном процессе захолаживания газовой криогенной машиной время выхода сигнала приемника на установившееся значение определяется теплоемкостью и массой охлаждаемых элементов, суммарными теплопритоками и холодопроизводительностью газовой криогенной машины в пусковом режиме, а также паразитными фоновыми излучениями, обусловленными влиянием изменения температуры диафрагмы, фильтра и других элементов конструкции приемника, излучение от которых попадает на фоточувствительные элементы. В результате чего на выходе приемника излучения происходит изменение сигнала даже тогда, когда температура фоточувствительных элементов достигла своего установленного значения. Таким образом, уменьшение времени выхода сигнала приемника на установившееся значение обеспечивается уменьшением общей охлаждаемой массы на величину массы пластины фильтра, местом расположения фильтра, которое делает практически одинаковыми процессы изменения температур фоточувствительных элементов и фильтра, а также сужением спектра паразитного фонового излучения от элементов приемника, попадающего на фоточувствительные элементы.
Данная конструкция была реализована для приемника ИК излучения с матрицей фоточувствительных элементов на основе силицида платины, которая располагалась на торцевой части цилиндрического охлаждаемого держателя, изготовленного из титана марки ВТ6 (ГОСТ 19807-74). С другой стороны держатель закреплен в цоколе методом пайки припоем ПСР-72 В. На торцевой поверхности держателя закреплен керамический наконечник с токопроводящими дорожками, соответствующими топологии контактных площадок матрицы, нанесенными методом вакуумного напыления. Диафрагма закреплена на наконечнике клеем «Криотек». Промежуточный слой SiO толщиной 0,5±10% мкм был нанесен на кремниевый кристалл методом испарения материала SiO в вакууме на установке ВУ-1А. Аналогичным методом на слой SiO наносился оптический фильтр, представляющий собой пятислойную интерференционную структуру с заданной областью пропускания 3-5 мкм, согласованной с областью чувствительности фоточувствительных элементов. Применение современных микронных технологий обеспечивает получение фильтров со стабильными воспроизводимыми параметрами. Входное окно приемника выполнено из просветленного сапфира.
Таким образом, расположение оптического фильтра, выполненного в виде многослойного тонкопленочного покрытия, и наличие промежуточного слоя окиси кремния на поверхности кристалла с фоточувствительными элементами обеспечивают сокращение времени выхода сигнала приемника на установившееся значение в процессе охлаждения приемника до криогенных температур за счет уменьшения охлаждаемой массы и паразитного фонового излучения от внутренних элементов приемника и повышение надежности работы приемника излучения за счет уменьшения массы, располагаемой на диафрагме, и за счет устойчивого к многократным захолаживаниям крепления фильтра.