ОПТИМИЗИРОВАННЫЙ ТЕРМОПАРНЫЙ СЕНСОР
OPTIMIZED THERMOCOUPLE SENSOR

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным сенсорам, а, более конкретно, к инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам, то есть сенсорам с термопарами в качестве термочувствительного элемента.
Целью изобретения является обеспечение максимально возможной чувствительности термопарного сенсора.
Известны кремниевые неохлаждаемые термопарные сенсоры, используемые для создания неохлаждаемых приемников ИК изображения [1, 2]. При изготовлении этих сенсоров используются различные варианты микрообработки кремния для формирования МЭМС структур в виде тонких диэлектрических мембран, теплоизолированных от подложки.
Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению является термопарный сенсор, описанный в патенте [3]. Приведенный в этом источнике сенсор содержит поглощающий ИК излучение слой на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара, «горячий спай» которой расположен на мембране, которая нагревается под действием ИК излучения, повышая температуру «горячего спая», а «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Полезный сигнал в виде термо-ЭДС, образующейся в результате возникающей разности температур между «горячим спаем» и «холодными» контактами, считывается КМОП-схемами, интегрированными непосредственно в кристалл. Приведенные в указанном патенте варианты конструкций сенсора отличаются друг от друга различными соотношениями между размерами теплочувствительной мембраны и поддерживающих консолей. При одинаковых размерах общей площади сенсора, включающей площадь теплочувствительной мембраны и площадь, приходящуюся на консоли, приведенные конструкции сенсора будут иметь разную чувствительность. Однако, оптимальные соотношения между размерами теплочувствительной мембраны и поддерживающих консолей для обеспечения максимально возможной чувствительности сенсора в патенте не определены.
Чувствительность термопарного сенсора в составе приемника ИК изображения определяется целым рядом факторов, а именно:
c
c
- площадью сенсора S, включающей в себя площадь чувствительной мембраны А и площадь S, занимаемую консолями, S=А+S;
- теплоемкостью С мембраны (включая поглощающее покрытие), равную С=сА, где с -теплоемкость мембраны на единицу площади;
t
t
t
- теплопроводностью консолей, определяемой тепловой проводимостью термопары, которая для случая, когда сенсор содержит одну термопару, равна G=2gwh/L,
t
t
где g - удельная теплопроводность материала термопары, w и h, соответственно, ее ширина и толщина, a L - длина одного плеча термопары, равная, как правило, длине консоли, на которой это плечо сформировано;
t
t
t
t
t
- электрическим сопротивлением термопары, R=2ρL/wh, где ρ - удельное электрическое сопротивление материала термопары, a L, w и h, соответственно, ее длина, ширина и толщина;
г
- временем тепловой релаксации сенсора τ;
ƒ
- временем кадра τ приемника ИК изображения.
c
Перечисленные параметры находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, оказывая влияние на чувствительность сенсора. В предлагаемом изобретении на основе проведенного теоретического рассмотрения, выявляющего указанные взаимосвязи, показано, что при известных тепло- и электрофизических параметрах материалов, используемых при создания термопарного сенсора для реализации на его основе приемника ИК изображения, а также ограничениях, определяемых заданными значениями площади сенсора и времени кадра приемника ИК изображения, существует оптимальное соотношение между площадью мембраны А и площадью S, занимаемой консолями, которое обеспечивает максимально возможную чувствительность сенсора.
Техническим результатом настоящего изобретения является реализация конструкции термопарного сенсора с максимально возможной чувствительностью за счет выбора оптимального соотношения между размерами теплочувствительной мембраны и поддерживающих консолей в пределах заданной площади сенсора.
Указанный результат достигается за счет того, что в известном термопарном сенсоре с заданной площадью S, длина консолей, на которых формируется термопара, выбирается такой, чтобы выполнялось следующее соотношение:
opt
opt
где μ - топологический фактор смежности, учитывающий площадь зазоров между термопарой и мембраной и определяемый соотношением S=А+2μwL, a S=, при этом предполагается, что S≤S.
Формула (1) получена исходя из следующий положений.
1. Основной характеристикой чувствительности является эквивалентна шуму разность температур (NETD - Noise Equivalent Temperature Difference). Оптимальные геометрические параметры конструкции сенсора достигаются при минимизации NETD.
Собственные шумы термопары определяются тепловым шумом ее сопротивления, который равен, что дает следующее значение NETD:
где Δp - поглощенная единицей площади теплоприемника избыточная мощность излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т+ΔТ, в рассматриваемом спектральном диапазоне при расположении сенсора в фокальной плоскости оптической системы, α - коэффициент Зеебека, достигающий для сенсора с термопарами из поликристаллического кремния величины 300 мкВ/К.
Выражение (2) выведено для случая, когда сенсор содержит одну термопару. С целью увеличения сигнала в ряде случаев в сенсор вводят несколько последовательно соединенных термопар. Однако, простое последовательное соединение нескольких термопар приводит лишь к увеличению NETD. Обобщенное выражение (2) для n последовательно соединенных термопар можно записать в виде:
которое иллюстрирует увеличение NETD в  раз, что связано с увеличением сопротивления термопар в  раз и теплопроводности n раз.
2. Минимизация NETD при заданной площади сенсора достигается за счет реализации условий, при которых время тепловой релаксации сенсора, характеризующее скорость реакции мембраны сенсора на изменение мощности теплового излучения, сравнимо с временем кадра приемника ИК изображения, а именно, когда выполняется следующее соотношение:
3. Исходя из уравнения теплового баланса, имеющего вид
время тепловой релаксации сенсора равно
4. Соотношение между задаваемой площадью сенсора и длиной консолей имеет вид:
opt
*
*
*
*
Тогда соотношение (1) является результатом решения уравнения (6) относительно L, с учетом условий (3) и (5). При этом наименьшее значение NETD реализуется, в случае выполнения условий (1), (6) с такой шириной термопары w, при которой S=S, а использование n последовательных термопар с эффективной топологической шириной (μ⋅w), такой, что n(μ⋅w)=μ⋅w, позволяет, в отличие от случая, иллюстрируемого формулой (2а), увеличить выходной сигнал в n раз при сохранении оптимального значения NETD.
Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.
Рисунок 1 иллюстрирует известную конструкцию термопарного сенсора, приведенного в прототипе. Здесь 1 - диэлектрическая мембрана с поглощающим тепло покрытием, 2 -поддерживающая консоль, 3 - консоли с термопарой, 4 - «горячий» спай термопары, размещенный на мембране, 5- «холодные» концы термопары, 6 - полупроводниковая подложка.
На рисунке 2 представлены графики зависимостей L=ƒ(S) и NETD=ƒ(S), соответствующие формуле (1), для варианта технологии изготовления сенсора с топологическими нормами проектирования 0,35 мкм.
2
2
На рисунке 3 показаны две конструкции термопарного сенсора с одной термопарой, в котором соотношение между площадью сенсора 5 и длиной L консолей, на которых сформирована термопара, отвечает формуле (1). Рисунок За иллюстрирует сенсор с площадью S=60×60 мкм, у которого длина консоли L=10 мкм в соответствие с формулой (1), а на фиг. 3б представлен сенсор с площадью S=30×30 мкм, у которого длина консоли, соответствующая формуле (1), уже существенно больше и равна L=54 мкм. Обозначения элементов идентичны обозначениям элементов на рисунке 1.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент США №6,335,478 В1.
2. Патент США №US 8,592,765 В2.
3. Патент США №US 6,163,061.