ИНФРАКРАСНЫЙ МНОГОСПЕКТРАЛЬНЫЙ ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к многоспектральным фотоэлектрическим приемникам электромагнитного излучения инфракрасного диапазона, используемым для создания детекторов пожара и взрыва, абсорбционных инфракрасных газовых сенсоров.
В настоящее время известно несколько конструкций многоспектральных приемников излучения, с двумя и более чувствительными элементами.
Известен многоспектральный фотоприемник (Пат. РФ. №2426144 кл. G01S 7/00), содержащий отдельные элементы, чувствительные в ультрафиолетовом, инфракрасном и видимом диапазонах спектра. Фотоприемник выполнен на одном кристалле в виде оптически прозрачной мембраны. При этом за чувствительность к излучению ультрафиолетового диапазона, отвечает фоторезистивной приемник, выполненный на основе алмазоподобной пленки, а за чувствительность к излучению инфракрасного диапазона - фотоприемник, выполненный на основе пленки сегнетоэлектрика.
Известен многоспектральный датчика с общей апертурой (Пат. РФ. №2234177 кл. H01Q 21/28.) отличительной особенностью которого является наличие планарной антенны, являющейся приемником излучения СВЧ-диапазона. Чувствительность в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах достигается посредством двух матричных приемников.
К очевидным недостаткам отмеченных выше решений можно отнести отсутствие в конструкции приемников излучения оптических фильтров, формирующих требуемые спектральные характеристики чувствительности фоточувствительных элементов, а также использование фоточувствительных элементов, в основе функционирования которых лежат различные физические процессы. Так, в первом решении алмазоподобная пленка, по сути, является чувствительным элементом болометра, а пленка сегнетоэлектрика пироэлектрического приемника.
Известно техническое решение, заявленное в патенте США №5373182, в котором на разных сторонах одной кремниевой подложки сформированы фоточувствительные элементы, реагирующие на излучение видимого и инфракрасного диапазонов. Роль оптического фильтра играет сама кремниевая подложка, прозрачная для излучения с длинами волн более 1 мкм.
Недостатком такого решения является отсутствие возможности формирования различных требуемых спектральных характеристик оптического фильтра.
Известно конструктивное решение, заявленное в патенте США №4217490, обеспечивающее возможность функционирования нескольких фоточувствительных элементов, спектральные характеристики чувствительности которых сформированы за счет соответствующих оптических отрезающих фильтров. Конструктивно фоточувствительные элементы с оптическими фильтрами располагаются один над другим, образуя так называемую сэндвич-структуру.
К недостаткам этого решения можно отнести необходимость использования только блокирующих коротковолновых оптических фильтров, и невозможность применения полосовых и узкополосных фильтров с не перекрывающими друг друга спектральными характеристиками, т.к. излучение, попадающее на нижние элементы сэндвич-структур, проходит через расположенные выше элементы с оптическими фильтрами. Также подобная конструкция не позволяет реализовать одинаковый угол зрения отдельных фоточувствительных элементов из-за экранирования нижних элементов верхними. Кроме этого, подобные структуры не лишены нежелательных эффектов, связанных с распространением наклонно падающего излучения по торцам фильтров и подложек, на которых сформированы элементы.
Известно техническое решение, заявленное в патенте США №4423325, в котором спектральные чувствительности элементов реализованы за счет применения различных металлов при формировании диодных структур металл-полупроводник (барьеров Шоттки). При этом длинноволновая (красная) граница чувствительности таких диодных структур зависит от величины потенциального барьера на границе раздела «металл-полупроводник». Величина потенциального барьера, в свою очередь, определяется используемым металлом (силициды платины, палладия, иридия).
Недостатком этого решения является отсутствие возможности формирования требуемых спектральных характеристик фоточувствительности в узких спектральных диапазонах, что может быть достигнуто только посредством оптических фильтров.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели техническим решением, взятым нами в качестве прототипа, является инфракрасный многоспектральный приемник излучения, заявленный в патенте РФ №2296370 (кл. G08B 17/12, заявитель - ОАО «НИИ «Гириконд»).
Приемник излучения - прототип содержит 4 фоточувствительных элемента, которые закреплены в держателе с ячейками и образуют четырехэлементную матрицу. Фоточувствительные элементы расставлены по квадрату в ячейках держателя и снабжены каждый своим оптическим фильтром. Спектральные характеристики оптических фильтров выбраны с таким расчетом, чтобы в полной мере реализовать принципы спектральной селекции при решении задач обнаружения источников пламени и взрыва. На коммутационной плате нанесены металлизированные контактные площадки для внутренней коммутации проводами фотоэлектрических элементов каналов, каналов и внешних выводов соответственно. Корпус имеет входное окно.
Прототип - наиболее совершенный из известных заявителям многоэлементных многоспектральных приемников оптического излучения. Тем не менее, ему присущи некоторые недостатки:
1) в приемнике оптического излучения -прототипе используется сочетание фоточувствительных элементов, выполненных из разных составов полупроводникового материала на основе твердых растворов химических соединений селенида свинца и селенида кадмия. Использование многоэлементных приемников на основе таких элементов приводят к существенным практическим трудностям вследствие различия температурных зависимостей интегральных (по спектру) фоточувствительностей элементов, выполненных из полупроводника разного состава;
1-x
x
2) быстродействие и длинноволновая (красная) граница спектральной чувствительности элементов такого фотоприемника, определяемые концентрацией селенида кадмия в твердом растворе PbCdSe, также имеют различные температурные зависимости для различных составов полупроводникового материала;
3) топология фото чувствительных элементов позволяет использовать их только в режиме источника напряжения. А, как известно, в таком режиме работы выходной сигнал в виде напряжения имеет нелинейную зависимость от падающего потока излучения, что усложняет электронную схему обработки сигнала;
4) оптические оси отдельных чувствительных элементов с фильтрами такого фотоприемника разнесены в пространстве, что существенно снижает функциональные возможности таких многоэлементных приемников из-за разных углов зрения каждого из чувствительных элементов.
Таким образом, известный многоспектральный приемник не позволяет реализовать широкий набор требуемых спектральных характеристик чувствительности элементов, в следствие того, что не обеспечена общая оптическая ось и осесимметричное поле зрения всех чувствительных элементов, входящих в состав многоспектрального приемника.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является увеличение эффективного поля зрения и как следствие - повышение чувствительности многоспектральных приемников излучения, обеспечение селективности к видам возгорания и видам оптических помех, удешевление и обеспечение возможности массового производства, расширение функциональных возможностей приемника в целом. Технический результат достигается за счет использования фоточувствительных элементов со специальной топологией, выполненных в едином технологическом цикле на единой подложке из композитов на основе твердых растворов химических соединений, образованных введением селенида кадмия в селенид свинца, в совокупности с многоспектральными оптическими инфракрасными интерференционными фильтрами в монолитном исполнении на единой подложке с топологией, повторяющей топологию фоточувствительных элементов, при этом фоточувствительные элементы и оптические фильтры имеют общую оптическую ось.
Для достижения данного технического результата авторами было предложено усовершенствовать прототип таким образом, чтобы:
- реализовать идентичность температурных зависимостей фотоэлектрических параметров (чувствительность, быстродействие, красная граница чувствительности) отдельных фоточувствительных элементов;
- сформировать чувствительные элементы фотоприемника таким образом, чтобы они обладали единой общей оптической осью;
- для отдельных чувствительных элементов обеспечить симметричный угол зрения относительно общей оптической оси;
- обеспечить возможность формирования спектральных характеристик отдельных чувствительных элементов посредством применения оптических фильтров;
- обеспечить возможность промышленного производства усовершенствованных многоспектральных фотоприемников и упростить процесс их изготовления в целом.
3
3
В частности, задача реализации идентичности температурных зависимостей таких фотоэлектрических параметров отдельных элементов, как чувствительность, быстродействие, красная граница чувствительности, решена за счет того, что все чувствительные элементы формируются в едином технологическом цикле на единой подложке (субстрате). Фоточувствительные элементы изготавливаются из одного и того же состава полупроводникового материала на основе композитных пленок селенида свинца, состоящих из плотно прижатых друг другу и электрически соединенных кристаллитов полупроводника и аморфной фазы, в состав которой входят PbSeO и PbSiO. Композитные пленки формируются в процессе высокотемпературной обработки в кислородсодержащей среде поликристаллических пленок селенида свинца, полученных путем вакуумного термического испарения полупроводникового материала с последующим осаждением на аморфные подложки. В результате такой высокотемпературной обработки происходит инверсия типа проводимости приповерхностных слоев кристаллитов селенида свинца, которая приводит к образованию потенциального барьера, способствующего пространственному разделению фотовозбужденных носителей и возникновению вследствие этого фотопроводимости. Инверсия типа проводимости приповерхностных слоев кристаллитов PbSe осуществляется за счет легирования их кислородом, которое является объемным эффектом.
Для создания фоточувствительных элементов, обладающих единой общей оптической осью разработана специальная топология, представляющая собой совокупность фоточувствительных областей и токоведущих электродов в виде концентрических окружностей, а контактные площадки выведены за фоточувствительные области чувствительных элементов. Кроме этого, предложенная топология чувствительных элементов позволяет не только реализовать единую оптическую ось чувствительных элементов, но и обеспечить осевую симметрию плоского угла зрения для каждого элемента в двух взаимно перпендикулярных меридиональной и сагиттальной плоскостях, содержащих оптическую ось.
Использование чувствительных элементов в режиме генератора тока обеспечивает линейную зависимость выходного сигнала (тока) от интенсивности падающего излучения, что существенным образом упрощает последующую схемотехническую обработку сигнала и повышает достоверность измерений. Поэтому для реализации возможности функционирования фоточувствительных элементов в режиме генератора тока, топология чувствительных элементов выполнена таким образом, чтобы обеспечить параллельно-последовательное соединение минимальных фоточувствительных площадок.
Области спектральной чувствительности отдельных элементов формируются за счет использования соответствующих оптических фильтров. Для исключения нежелательных эффектов, отмеченных выше и присущих конструкциям, в которых элементы с оптическими фильтрами располагаются один над другим, образуя так называемую сэндвич-структуру, оптические фильтры, заявляемой конструкции фотоприемника, выполнены в виде тонкослойных интерференционных покрытий, сформированных на единой подложке. При этом интерференционные покрытия выполнены со специальной топологией, представляющей собой совокупность концентрических окружностей и идентичной топологии фоточувствительных элементов.
1-x
x
Возможность промышленного производства усовершенствованных многоспектральных фотоприемников обеспечивается применением типовых технологических процессов, используемых при изготовлении приемников оптического излучения на основе пленок PbSe и твердых растворов PbCdSe. При этом с изготовлением чувствительных элементов приемника в едином технологическом цикле реализуются принципы групповой технологии, применяемой в полупроводниковой промышленности, вследствие чего существенным образом снижаются трудоемкость и себестоимость выпускаемой продукции.
В таблице 1 приведено сравнение существенных признаков заявляемой конструкции приемника излучения и конструкции прототипа.
Таблица 1.
Сравнение существенных признаков патентуемого фотоприемника и прототипа
Существенные признаки
Прототип
Патентуемое решение
1. Использование оптических фильтров
Да
Да
2. Фоточувствительные элементы выполнены на основе полупроводникового материала одного состава
Нет
Да
3. Общая оптическая ось фото чувствительных элементов
Нет
Да
4. Осевая симметрия поля зрения приемника
Нет
Да
Как видно из таблицы, отличительные признаки заявляемого технического решения свидетельствуют о новизне и изобретательском уровне.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточных для получения требуемого технического результата.
В качестве доказательства промышленной применимости заявляемого технического решения приводим пример конкретного исполнения заявляемого инфракрасного многоспектрального приемника излучения (фиг. 1).
Фоточувствительные элементы выполнены на единой аморфной подложке (1) в виде совокупности чередующихся концентрических окружностей фоточувствительных областей (2) и токоведущих электродов (3). Фоточувствительные области (2) состоят из тонкой композитной пленки, сформированной вакуумным термическим напылением полупроводникового материала селенида свинца или его твердых растворов, образованного введением в селенид свинца селенида кадмия, с последующим высокотемпературным отжигом в кислородсодержащей среде. Токоведущие электроды выполнены с помощью методов фотолитографии и ионно-плазменного и магнетронного нанесения металлов, например, золота или никеля, таким образом, чтобы обеспечить параллельно-последовательное соединение минимальных фоточувствительных площадок.
Расстояние между концентрическими окружностями электродов, сравнимое с длиной свободного пробега носителей заряда (порядка 25-50 мкм), выбрано с таким расчетом, чтобы обеспечить наилучшую квантовую эффективность элемента. Контактные площадки (4) чувствительных элементов выведены за фоточувствительную область. Элементы отделены друг от друга зазором (5), чтобы исключить боковые засветки при наклонном падении излучения.
На поверхность подложки (1) с фоточувствительными элементами крепится через иммерсионный элемент (6) вторая аморфная подложка (7), на которой сформированы оптические фильтры (8).
Оптические фильтры (8), представляют собой многослойную тонкопленочную структуру, выполненную на единой подложке с топологией в виде концентрических окружностей и повторяющей топологию чувствительных элементов, таким образом, чтобы каждому фоточувствительному элементу, входящему в состав многоспектрального приемника, соответствовал фильтр с одним спектральным диапазоном. Граница, разделяющая области фильтров (8) с различными спектральными характеристиками, располагается в центре зазора (5), разделяющего отдельные чувствительные элементы.
Топология оптических фильтров (8) формируется с применением методов фотолитографии. Многослойное тонкопленочное покрытие интерференционных фильтров (8) изготавливается методами вакуумного осаждения чередующихся пленок с высоким и низким показателями преломления. В качестве материалов для изготовления тонкопленочных покрытий могут быть использованы такие вещества, как, например, германий, кремний, двуокись и моноокись кремния, сульфид и селенид цинка, теллурид и фторид свинца, халькогениды мышьяка и др. Толщина каждой пленки тонкопленочного интерференционного покрытия подбирается с таким учетом, чтобы реализовать требуемые спектральные характеристики оптического фильтра. При этом число пленок в интерференционной структуре оптического фильтра может варьироваться от 1 до нескольких десятков.
В качестве подложки (субстрата) для изготовления оптического фильтра используются материалы, прозрачные в рабочем спектральном диапазоне. Для инфракрасного диапазона спектра к таким материалам относятся, например, кремний, германий, кварцевое стекло марки КИ, селенид цинка, арсенид галлия и др.
Иммерсионный элемент (6), обеспечивающий пропускание не менее 80% в спектральной области чувствительности элемента и соединяющий подложку (1) с чувствительными элементами и подложку (7) с оптическими фильтрами (8), служит для концентрации потока излучения, а также для уменьшения потерь на отражение, возникающее при распространении излучения через границу раздела двух сред с различными показателями преломления (френелевское отражение). Иммерсионный элемент может быть изготовлен из вещества, не имеющего поглощения в рабочем спектральном диапазоне фотоприемника 1-5 мкм, и позволяющего создавать оптический контакт между фоточувствительным элементом и оптическим фильтром. К таким веществам относятся бескислородные стекла - халькогениды (селениды, сульфиды, теллуриды) германия, мышьяка, фосфора и сурьмы, а также клеящие вещества, как органической, так и неорганической природы, например, раствор поливинилиденфторида (PVDF) в винилпирролидоне или раствор сополимера трифторхлорэтилена с дифторэтиленом в нетоксичном растворителе этилацетате и бути л ацетате.
Одной из областей применения патентуемого технического решения является его использование в качестве основного функционального элемента многодиапазонных датчиков пламени и взрыва. Так, например, на предприятии ОАО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт-Петербург) осуществлена разработка и промышленное производство серии пожарных многодиапазонных датчиков пламени типа «Набат» с годовым объемом производства до 20000 шт. Каждая из модификаций серии предназначена для использования в различных условиях эксплуатации и адаптирована к различным типам очагов пожара. Идентифицирующим принципом обнаружения пламени для этих типов датчиков является принцип спектральной селекции.
В настоящее время в качестве приемника излучения в датчиках пламени и взрыва серии «Набат» используется многодиапазонный приемник, заявленный в патенте РФ №2296370 (заявитель - ОАО «НИИ «Гириконд») и выбранный в качестве прототипа. Как было отмечено выше, решение обладает некоторыми существенными недостатками. Большинство указанных недостатков отсутствуют у патентуемого решения.
Использование заявляемого приемника излучения в датчиках пламени «НАБАТ» позволит существенно повысить чувствительность извещателей, обеспечить селективность к видам возгорания и видам оптических помех, обеспечить массовость производства.
Имеющаяся в ОАО «НИИ «Гириконд» научная и технологическая база в области производства фотоприемников способна обеспечить высокий технический уровень заявляемого в качестве полезной модели многоспектрального приемника излучения.
Таким образом, по нашему мнению, заявленный многоспектральный приемник соответствует всем требованиям, предъявляемым к полезной модели - он нов, неочевиден и промышленно применим.