ОХЛАЖДАЕМЫЙ ФОТОПРИЕМНИК

Предлагаемое устройство относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к инфракрасному (ИК) излучению, и может использоваться для комплектования перспективной ИК оптико-электронной аппаратуры широкого применения, в особенности малогабаритных тепловизионных приборов, работающих в спектральных диапазонах 0,5-3,0 мкм и 3,0-5,0 мкм.
Известен фотоприемник (ФП) с термоэлектрическим охлаждением, содержащий герметичный корпус с входным окном, заполненный тяжелым инертным газом (например, ксеноном) с малой теплопроводностью. Внутри герметичного корпуса на двухкаскадном термоэлектрическом охладителе (ТЭО) размещен многоплощадочный фоточувствительный элемент (ФЧЭ), содержащий 64 фоторезистора на основе халькогенида свинца. Для считывания электрических сигналов с фоторезисторов каждый из них снабжен герметичным выводом для соединения с соответствующим входом системы предварительного усиления. Для связи контактных дорожек ФЧЭ с гермовыводами использованы тонкие проволочные проводники.(см. например пат. 35685, Н 01 L 31/ОО на полезную модель " Охлаждаемое фотоприемное устройство ).
Основной недостаток такой конструкции состоит в том, что с увеличением числа фоточувствительных площадок резко возрастают тепловые нагрузки на ТЭО, что в сочетании с газонаполненным корпусом не позволяет достичь необходимой температуры охлаждения ФЧЭ. Это, в свою очередь, приводит к снижению фотоэлектрических параметров ФП.
Между тем, существующая тенденция повышения чувствительности и разрешающей способности тепловизионных приборов тесно связана с ростом количества фоточувствительныу площадок применяемых в них ФП. При этом для снижения тепловой нагрузки на ТЭО используется вакуумированный корпус, а для считывания электрических сигналов - расположенные в рабочем объеме мультиплексоры, с помощью которых существенно уменьшается число выводов.
Известен ФП фирмы Northrop Grumman Corporation, США, содержащий вакуумированный корпус с входным окном, внутри которого размещены охлаждаемый 3-х каскадным ТЭО ФЧЭ из 256 фоторезисторных чувствительных площадок из халькогенида свинца, два мультиплексора, обеспечивающие уменьшение числа внешних выводов до 30, и система гермовыводов электрических сигналов, соединенная с выходами мультиплексоров, (см. проспект Northop Grumman Corporation, США, 2004 г., приборы серии 2105 на сульфиде и селениде свинца).
Данный ФП, как наиболее близкий к предлагаемому, принят за прототип.
Основной недостаток данного ФП - недостаточная глубина охлаждения ФЧЭ. Действительно, рабочая температура ФЧЭ в этих ФП составляет 220°К, в то время как оптимальным для приборов на халькогенидах свинца является охлаждение до 200°К. В результате фотоэлектрические параметры известного ФП не достигают уровня, требуемого для современных малогабаритных тепловизионных систем.
Настоящее предложение решает задачу понижения температуры охлаждения многоплощадочного ФЧЭ путем теплотехнической оптимизации конструкции ФП.
Для решения этой задачи в известном ФП, содержащим вакуумированный корпус с входным окном, внутри которого
размещены установленный на многокаскадном ТЭО многоплощадочный ФЧЭ, мультиплексоры, входы которых соединены с ФЧЭ, и система гермовыводов электрических сигналов, соединенная с выходами мультиплексоров, мультиплексоры установлены в плоскости ФЧЭ на площадках держателя из материала с высокой теплопроводностью, смонтированного на базовом каскаде ТЭО и окружающего по периметру остальные каскады, причем, выходы мультиплексоров соединены с системой гермовыводов через введенную в ФП коммутационную плату из материала с низкой теплопроводностью, объединяющую одноименные выходы мультиплексоров, а базовый каскад ТЭО выполнен с холодопроизводительностью, повышенной на величину активных тепловыделений мультиплексоров и пассивных теплопритоков от соединений выходов мультиплексоров с системой гермовыводов.
Кроме того, держатель может быть снабжен дополнительными площадками для размещения на них в случае необходимости охлаждаемой апертурной диафрагмы.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен ФП в разрезе, на фиг.2 - вид сверху сборки ФЧЭ и мультиплексоров с ТЭО и системы гермовыводов.
Заявляемый ФП содержит вакуумированный корпус 1 с входным окном 2. Внутри корпуса 1 на многокаскадном ТЭО 3 размещен многоплощадочный ФЧЭ 4. Корпус 1 снабжен также системой гермовыводов электрических сигналов 5. (см. фиг.2). На базовом каскаде ТЭО 3 смонтирован (например, методом пайки) выполненный из материала с высокой теплопроводностью держатель 6 с площадками, на которых в плоскости ФЧЭ 4 размещены мультиплексоры 7. ФЧЭ 4 соединен с входами мультиплексоров 7, например, с помощью гибких шлейфовых кабелей 8, имеющих сеть токопроводящих металлизированных дорожек. Выходы
мультиплексоров 7 выводятся на систему гермовыводов 5 через коммутационную плату 9, объединяющую одноименные выходы мультиплексоров 7, что существенно уменьшает необходимое количество гермовыводов.
Во избежание дополнительных заметных теплопритоков коммутационная плата 9 выполняется из материала с низкой теплопроводностью, например ситалла. Держатель 6 в случае необходимости может быть снабжен дополнительными площадками 10 для размещения охлаждаемой апертурной диафрагмы 11.
Поскольку держатель 6 играет роль теплового моста для отвода активных тепловыделений мультиплексоров 7 и пассивных теплопритоков по электрическим выводам, холодопроизводительность базового каскада повышена на соответствующую величину.
Предлагаемый фотоприемник работает следующим образом.
Перед началом работы с помощью ТЭО 3 ФЧЭ 4, охлаждается до заданной температуры. Поток ИК излучения через входное окно 2 поступает на ФЧЭ 4, в результате чего сопротивление фоторезисторных чувствительных площадок изменяется. Сигнал, соответствующий изменению сопротивления каждой чувствительной площадки, поступает на соответствующие входы мультиплексоров 7, где он усиливается, коммутируется и передается на коммутационную плату 9, где сигналы с одноименных выходов мультиплексоров 7 объединяются на один выход и поступают на внешний гермовывод. При этом тепловыделения мультиплексоров 7 передаются через теплопроводящий держатель 6 на базовый каскад ТЭО 3, снимая тепловую нагрузку с первого каскада, ответственного за охлаждение ФЧЭ 4. Это способствует более эффективному охлаждению ФЧЭ 4 и одновременно обеспечивает незначительную разность температур между ФЧЭ 4 и мультиплексорами 7, что позволяет улучшить фотоэлектрические параметры ФП.
Кроме того, так как охлаждаемый базовым каскадом ТЭОЗ держатель 6 окружает по периметру остальные каскады, экранируя их тем самым от лучистого потока, идущего от корпуса 1, обеспечивается дополнительная теплотехническая оптимизация конструкции ФП.
Сочетание описанных особенностей конструкции позволило создать ФП, обладающий высокой степенью теплотехнического совершенства с реализацией пониженного по сравнению с известными уровня охлаждения ФЧЭ и отвечающего современным требованиям по числу фоточувствительных площадок и уровню фотоэлектрических параметров.
Были изготовлены и испытаны образцы предлагаемого ФП. ФЧЭ изготавливались на два спектральных диапазона:
- 0,5-3,0 мкм на основе сульфида свинца;
- 3,0-5,0 мкм на основе селенида свинца. Оба типа ФЧЭ представляли собой двурядные линейки по 128 площадок в каждой с шахматным расположением. С помощью коммутационной платы число внешних гермовыводов уменьшается до 28. Четырехкаскадный ТЭО обеспечил температуру охлаждения не более 200°К при температуре окружающей среды 293±1°К. При этом реализованы фотоэлектрические параметры, превосходящие прототип не менее, чем на 20%.