RU153286U1

RU153286U1 - MULTI-ELEMENT HEAT RECEIVER BASED ON VOX FILM

Info

Publication number: RU153286U1
Application number: RU2014151950/28U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Семенович Олейник; Рамиль Наильевич Салихов
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2015-07-10

Abstract

Тепловой приемник, содержащий герметичный корпус в виде уплощенного прямоугольного металлостеклянного тела, состоящего из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками подложки, и крышки с окном, прозрачным для регистрируемого излучения, перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительными элементами, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, в виде мозаики, заполняющих приемную площадку приемника, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки расположены пленочный нагреватель с компенсационным элементом, подобным по форме термочувствительным элементам, соединенные с контактными площадками обратной стороны подложки, отличающийся тем, что на плоскости приемной площадки установлены 37 термочувствительных элемента, расположенных на равном расстоянии друг от друга, при этом размещение элементов по вертикалям выполнено следующим образом: на центральной линии симметрии - 7 элементов, на ближайших к ней линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента, нагреватель выполнен из 37 резистивных элементов по форме и по расположению аналогичным термочувствительным элементам и последовательно соединенных между собой проводящей лентой.A heat receiver containing a sealed enclosure in the form of a flattened rectangular metal-glass body, consisting of a base with leads that are electrically connected to the corresponding contact pads of the substrate, and a lid with a window transparent to the detected radiation, a dielectric substrate coated with thermosensitive elements is installed in front of the window, made of material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, in the form of mosaics filling the receiver receiving area, each The second element has a signal and common electrodes connected to the contact pads located around the perimeter of the substrate, on the reverse side of the substrate there is a film heater with a compensation element similar in shape to the thermosensitive elements, connected to the contact pads on the reverse side of the substrate, characterized in that on the receiving plane 37 temperature-sensitive elements are installed at an equal distance from each other, while the vertical arrangement of the elements is as follows Thus: on the central line of symmetry - 7 elements, on the nearest lines on the left and right for 6 elements, on the following lines on the left and right for 5 elements and on the edge lines of 4 elements, the heater is made of 37 resistive elements in shape and in arrangement of similar heat-sensitive elements and connected in series with each other by a conductive tape.

Description

Полезная модель относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения (например, непрерывной мощности, энергии однократных импульсов, профильного распределения интенсивности излучения).The utility model relates to the field of optoelectronics, to the designs of thermal multi-element receivers designed to record the characteristics of pulsed and continuous laser radiation (for example, continuous power, energy of single pulses, profile distribution of radiation intensity).

Основные требования, предъявляемые к приемникам излучения для измерения пространственно - энергетических параметров лазерного излучения приведены в работе (Котюк А.Ф. Задача совершенствования отечественной системы обеспечения единства измерений величин и параметров, характеризующих лазерное излучение / А.Ф. Котюк, А.А. Либерман, М.В. Улановский // Лазер-информ. 2004. №15-16. С. 4-11.), а именно:The basic requirements for radiation receivers for measuring the spatially energy parameters of laser radiation are given in (Kotyuk A.F. The task of improving the domestic system for ensuring the uniformity of measurements of quantities and parameters characterizing laser radiation / A.F. Kotyuk, A.A. Liberman , M.V. Ulanovsky // Laser-Inform. 2004. No. 15-16. S. 4-11.), Namely:

- одновременно измерять все параметры пучка, характеризующие его профиль в целом;- simultaneously measure all parameters of the beam characterizing its profile as a whole;

- измерять параметры пучков как непрерывных, так и импульсных лазеров во всем диапазоне длин волн лазерного излучения;- measure the parameters of beams of both continuous and pulsed lasers in the entire wavelength range of laser radiation;

- измерять в широком диапазоне длин волн с высокой точностью интенсивностей лазерного излучения.- measure in a wide range of wavelengths with high accuracy of laser radiation intensities.

- обеспечивать пространственную разрешающую способность порядка 1 мкм при измерении распределения интенсивности в фокальном пятне.- provide a spatial resolution of the order of 1 μm when measuring the intensity distribution in the focal spot.

В зависимости от области применения тепловых приемников, используемых для формирования инфракрасных изображений, или измерения энергетических характеристик лазерного излучения, существуют различные направления в развитии конструкции многоэлементных приемников (Олейник А.С. Методы контроля инфракрасного излучения: Монография / А.С. Олейник. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2014. 164 с).Depending on the field of application of the heat detectors used to form infrared images, or to measure the energy characteristics of laser radiation, there are various directions in the development of the design of multi-element receivers (Oleinik A.S. Methods for monitoring infrared radiation: Monograph / A.S. Oleinik. Saratov: Sarat. State Technical University, 2014.1664 s).

Отличительными особенностями известных высокочувствительных многоэлементных микроболометрических приемников являются малые площади чувствительных элементов, тонкопленочное многослойное исполнение всех функциональных составляющих, высокая степень термоизоляции каждого элемента от базового кристалла посредством вывешивания термочувствительного элемента на длинных и узких ножках.Distinctive features of the well-known high-sensitivity multi-element microbolometric detectors are small areas of sensitive elements, a thin-film multi-layer execution of all functional components, a high degree of thermal insulation of each element from the base crystal by hanging the temperature-sensitive element on long and narrow legs.

Отличительными особенностями многоэлементных тепловых приемников, используемых для измерения энергетических параметров лазерного излучения, являются малые площади термочувствительных элементов, которые размещены на тонкой диэлектрической подложке.Distinctive features of multi-element thermal receivers used to measure the energy parameters of laser radiation are small areas of heat-sensitive elements that are placed on a thin dielectric substrate.

Известна конструкция теплового приемника (Пат. №2227905 РФ МПК G01J 5/20 Тепловой приемник излучения / А.С. Олейник, М.В. Орехов. Опубл. 27.04.2004 Бюл. №12), содержащая корпус с входным окном, участки которого имеют различный коэффициент ослабления для регистрируемого излучения, в стенке корпуса установлено опорное кольцо, на котором размещена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительными элементами, на обратной стороне которой размещен пленочный нагреватель и пленочный термодатчик, к кольцу примыкает печатная плата модуля схемы управления с регулятором, выполненным в виде помещенных друг под другом печатных плат, соединенных между собой металлическими штырями, контактирующими с корпусом.The known design of the heat receiver (Pat. No. 2227905 RF IPC G01J 5/20 Thermal radiation receiver / AS Oleinik, MV Orekhov. Publ. 04/27/2004 Bull. No. 12), containing a housing with an entrance window, sections of which have a different attenuation coefficient for the detected radiation, a support ring is installed in the housing wall, on which there is a dielectric substrate coated with thermosensitive elements, on the reverse side of which there is a film heater and a film temperature sensor, the printed circuit board of the control circuit module adjoins the ring a controller, designed as placed one below the other circuit boards, interconnected metal pins in contact with the housing.

Недостатком приемника являются большие объемно-весовые показатели конструкции, отсутствие круговой симметрии в расположении термочувствительных элементов на площади приемной площадки, и недостаточное число элементов, что снижает точность анализа распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча.The disadvantage of the receiver is the large volume and weight parameters of the design, the lack of circular symmetry in the location of the heat-sensitive elements on the receiving area, and the insufficient number of elements, which reduces the accuracy of the analysis of the distribution of energy density (power) over the cross section of the laser beam.

Наиболее близким к полезной модели является тепловой приемник оптического излучения (Пат. №2397458 РФ Тепловой приемник. / А.С. Олейник, А.Ф. Федоров; опубл. 20.08.2010 г. Бюл. №23), выполненный в виде уплощенного прямоугольного металлостеклянного тела, состоящего из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками, расположенными по периметру подложки, и крышки с окном, термочувствительные элементы ориентированы на плоскости приемной площадки в виде мозаики из элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью на одинаковую величину, от центра круга, равную удвоенному размеру элемента, по сравнению с предыдущей, при этом термочувствительные элементы на каждой окружности расположены на равноудаленном расстоянии друг от друга, а минимально допустимое расстояние между соседними элементами равно размеру элемента, вне приемной площадки распложен компенсационный элемент.Closest to the utility model is a thermal receiver of optical radiation (Pat. No. 2397458 RF Thermal receiver. / A.S. Oleinik, A.F. Fedorov; publ. 08/20/2010 Bull. No. 23), made in the form of a flattened rectangular a metal-glass body consisting of a base with terminals that are electrically connected to the corresponding contact pads located along the perimeter of the substrate, and a lid with a window, the thermosensitive elements are oriented on the plane of the receiving pad in the form of a mosaic of elements located on the concentric circles with radii increasing with each subsequent circle by the same amount from the center of the circle equal to twice the size of the element compared to the previous one, while the heat-sensitive elements on each circle are located at an equal distance from each other, and the minimum allowable distance between adjacent elements equal to the size of the element, a compensation element is located outside the receiving area.

Недостатком приемника являются невысокий коэффициент заполнения термочувствительными элементами площади приемной площадки приемника. Термочувствительные элементы не равномерно заполняют площадь приемной площадки, что снижает точность анализа распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча.The disadvantage of the receiver is its low fill factor with thermosensitive elements of the receiver receiving area. Heat-sensitive elements do not uniformly fill the receiving area, which reduces the accuracy of the analysis of the distribution of energy density (power) over the cross section of the laser beam.

Задачей настоящей полезной модели является повышение точности измерения пространственно-энергетических характеристик оптического излучения.The objective of this utility model is to increase the accuracy of measuring the spatial and energy characteristics of optical radiation.

Техническим результатом является повышение зонной чувствительности многоэлементного приемника с сохранением автономности работы и идентичности параметров каждого термочувствительного элемента (измерительного канала) за счет равного шага между элементами.The technical result is to increase the zone sensitivity of a multi-element receiver while maintaining autonomy and the identity of the parameters of each heat-sensitive element (measuring channel) due to an equal step between the elements.

Это достигнуто за счет расположения термочувствительных элементов квадратной формы с электродами на плоскости круговой приемной площадки подложки в виде 37 термочувствительных элемента в форме квадратов на равном расстоянии друг от друга, при этом расположение элементов по вертикалям выполнено следующим образом: на центральной линии симметрии - 7 элементов, на ближайших к ней линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента, нагреватель выполнен из 37 резистивных элементов по форме и по расположению аналогичным термочувствительным элементам и последовательно соединенных между собой проводящей лентой.This was achieved due to the arrangement of square-shaped thermally sensitive elements with electrodes on the plane of the circular receiving pad of the substrate in the form of 37 thermally-sensitive elements in the form of squares at an equal distance from each other, while the vertical arrangement of the elements is as follows: on the center line of symmetry - 7 elements, on the lines closest to it, on the left and right, by 6 elements, on the following lines on the left and right, by 5 elements and on the edge lines by 4 elements, the heater is made of 37 resistive elements comrade in form and arrangement of the same heat-sensitive element and connected in series between a conductive tape.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается равномерным заполнением термочувствительными элементами квадратной формы круговой приемной площадки приемника с максимальной плотностью, при этом расстояние между элементами равно размеру элемента (что обеспечивает автономность функционирования каждого элемента). Это достигнуто за счет мозаики из 37 термочувствительных элементов квадратной формы с электродами, с постоянным шагом между элементами, занимающих площадь приемной площадки приемника.Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by uniform filling of square-shaped circular receiving platforms of the receiver with maximum density by heat-sensitive elements, while the distance between the elements is equal to the size of the element (which ensures the autonomous functioning of each element). This was achieved due to a mosaic of 37 thermally sensitive square-shaped elements with electrodes, with a constant step between the elements occupying the receiver receiving area.

Предлагаемое техническое решение (полезная модель) поясняется чертежами:The proposed technical solution (utility model) is illustrated by drawings:

На фиг. 1 показан общий вид приемника.In FIG. 1 shows a general view of the receiver.

На фиг. 2 поперечный разрез приемника.In FIG. 2 cross section of the receiver.

На фиг. 3 показана топология термочувствительных элементов с сигнальными и общими электродами, расположенными на площади круговой приемной площадки теплового приемника.In FIG. Figure 3 shows the topology of thermosensitive elements with signal and common electrodes located on the area of the circular receiving area of the heat receiver.

На фиг. 4 показана топология пленочного нагревателя, расположенного на обратной стороне подложки под термочувствительным слоем.In FIG. 4 shows the topology of a film heater located on the reverse side of the substrate under a heat-sensitive layer.

На фиг. 5 приведена гистерезисная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO₂ толщиной 60 нм от температуры.In FIG. Figure 5 shows the hysteresis dependence of the specific surface resistance of a thermosensitive layer based on a 60 nm thick VO ₂ film on temperature.

Тепловой приемник излучения (фиг. 1, 2) содержит герметичный корпус, состоящий из основания 1 и крышки 2 с входным окном 3, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, например, из BaF₂. Основание корпуса 1 имеет позолоченные выводы 4. На основании корпуса 1 с помощью диэлектрической прокладки 5 закреплена диэлектрическая подложка 6. Подложка 6 заполнена термочувствительными элементами 7.The thermal radiation detector (Fig. 1, 2) contains a sealed enclosure consisting of a base 1 and a cover 2 with an input window 3 made of a material transparent to the detected radiation, for example, BaF ₂ . The base of the housing 1 has gold-plated leads 4. On the base of the housing 1, a dielectric substrate 6 is fixed using a dielectric gasket 6. The substrate 6 is filled with heat-sensitive elements 7.

На фиг. 3 показана мозаика состоящая из 37 квадратных термочувствительных элементов 7 с сигнальными и общими электродами, равностоящих друг от друга на плоскости круговой приемной площадки 8 приемника. Поверхность подложки 6 со стороны входного окна 3 покрыта 37 термочувствительными элементами 7, образующими семь вертикальных параллельных рядов, причем центральный ряд образован 7-ю элементами, а шесть остальных расположены симметрично относительно центрального по три ряда с каждой стороны, и образована 6-ю, 5-ю и 4-мя элементами, соответственно. Термочувствительные элементы 7 имеют сигнальные и один общий электроды, соединенные с контактными площадками 9 и одной общей контактной площадкой 10, соответственно, и расположенными по периметру подложки 5. Контактные площадки 9 и 10 с помощью проводников соединены с выводами корпуса 4. Расстояние между элементами 7 друг относительно друга одинаковое, поэтому имеет место равномерное заполнение термочувствительными элементами приемной площадки приемника 8.In FIG. 3 shows a mosaic consisting of 37 square heat-sensitive elements 7 with signal and common electrodes, which are equal to each other on the plane of the circular receiving platform 8 of the receiver. The surface of the substrate 6 from the side of the input window 3 is covered with 37 heat-sensitive elements 7, forming seven vertical parallel rows, with the central row formed by 7 elements, and the remaining six are symmetrically relative to the central three rows on each side, and formed 6, 5 and 4 elements, respectively. The thermosensitive elements 7 have signal and one common electrodes connected to the contact pads 9 and one common contact pad 10, respectively, and located along the perimeter of the substrate 5. The contact pads 9 and 10 are connected with the leads of the housing 4 using the conductors 4. The distance between the elements 7 is different relative to each other is the same, therefore, uniform filling of the heat-sensitive elements of the receiving platform of the receiver 8 takes place.

На фиг. 4 показана топология пленочного нагревателя, выполненного в виде аналогичной мозаики из 37 квадратных резистивных элементов 10, например, из NiCr последовательно соединенных между собой проводящей лентой 11, например, из меди, выводы ленты соединены с контактными площадками 12. Рядом расположен компенсационный элемент 13, представляющий собой квадратный терморезистор из пленки VO₂, выводы которого соединены с контактными площадками 14. Контактные площадки нагревателя 12 и выводы терморезистора 14 соединены с выводами корпуса 4. Пленочный нагреватель 11 используется для нагрева термочувствительных элементов 7 до середины петли гистерезиса (45°C), а компенсационный элемент 13 контролирует заданную температуру нагрева. Это обеспечивает режим внутренней памяти. С учетом точности термостатирования ±0.5°C относительно середины петли гистерезиса динамический диапазон нагрева термочувствительных элементов приемника составляет 1-24°C (фиг. 5).In FIG. 4 shows the topology of a film heater made in the form of a similar mosaic of 37 square resistive elements 10, for example, of NiCr connected in series with each other by a conductive tape 11, for example, of copper, the leads of the tape are connected to the contact pads 12. A compensation element 13 is located nearby a thermistor square of VO ₂ film, the conclusions of which are connected to contact pads 14. The contact pads of the heater 12 and the terminals of the thermistor 14 are connected to terminals 4. The film heating body Spruce 11 is used to heat the temperature sensing elements 7 to the middle of the hysteresis loop (45 ° C), a compensation element 13 controls the predetermined heating temperature. This provides an internal memory mode. Given the accuracy of temperature control ± 0.5 ° C relative to the middle of the hysteresis loop, the dynamic range of heating of the heat-sensitive elements of the receiver is 1-24 ° C (Fig. 5).

На фиг. 5 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO₂, толщиной 60 нм от температуры. В диапазоне 45-69°C имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя от температуры нагрева.In FIG. Figure 5 shows the temperature dependence of the specific surface resistance of a heat-sensitive layer based on a VO ₂ film with a thickness of 60 nm. In the range of 45-69 ° C, there is a quasilinear character of the change in the specific surface resistance of the heat-sensitive layer from the heating temperature.

Термочувствительные элементы на основе VO_x, где x=1,5-2,02 наносится на диэлектрическую подложку с помощью двухстадийного метода приведенного в работе (Олейник А.С. Регистрация лазерного излучения пленочными реверсивными средами на основе диоксида ванадия / А.С. Олейник, А.В. Федоров // Российские нанотехнологии, 2011. Т. 6 №5-6. С. 120-129).Thermosensitive elements based on VO _x , where x = 1.5-2.02, is applied to a dielectric substrate using the two-stage method described in (Oleinik A.S. Registration of laser radiation by film reversing media based on vanadium dioxide / A.S. Oleinik , A.V. Fedorov // Russian Nanotechnology, 2011. V. 6 No. 5-6. P. 120-129).

Был изготовлен тепловой приемник лазерного излучения на основе пленки VO_x окислов ванадия, представляющий собой малогабаритный металлостеклянный корпус, состоящий из основания 1210.29-5Н и крышки 155.15-2 с прозрачным окном, выпускаемый ОАО «Завод «МАРС», г. Торжок с позолоченными выводами, размером 39×29×4,5 мм, с окном из материала ФБС-И, прозрачным в спектральном диапазоне 0,3-15 мкм. Корпус имел 42 позолоченных вывода диаметром 0,3 мм и высотой 6 мм. Диэлектрическая подложка выполнена из поликора ВК-100 размером 36×24×0,5 мм. На поверхность диэлектрической подложки нанесены 37 термочувствительных элемента квадратной формы размером 0,7×0,7 мм, которые заполняют площадь правильного шестиугольника, вписанного в круговую приемную площадку. Диаметр приемной площадки составил 10 мм. Нагреватель выполнен в виде 37 резистивных элементов (NiCr) последовательно соединенных между собой проводящей лентой из меди и точно расположенных под термочувствительными элементами в виде ломанной кривой из пленки. Терморезистор выполнен из пленки окислов ванадия (VO_x).A thermal laser radiation receiver was made on the basis of a VO _x film of vanadium oxides, which is a small-sized metal-glass case consisting of a base 1210.29-5Н and a cover 155.15-2 with a transparent window, manufactured by JSC MARS Plant, Torzhok with gold-plated findings, size 39 × 29 × 4.5 mm, with a window made of FBS-I material, transparent in the spectral range of 0.3-15 microns. The case had 42 gold-plated terminals with a diameter of 0.3 mm and a height of 6 mm. The dielectric substrate is made of VK-100 polycor 36 × 24 × 0.5 mm in size. On the surface of the dielectric substrate, 37 square-shaped thermosensitive elements 0.7 × 0.7 mm in size are applied, which fill the area of a regular hexagon inscribed in a circular receiving area. The diameter of the receiving platform was 10 mm. The heater is made in the form of 37 resistive elements (NiCr) connected in series with each other by a conductive tape made of copper and precisely located under the heat-sensitive elements in the form of a broken curve from the film. The thermistor is made of a film of vanadium oxides (VO _x ).

Мозаика из 37 термочувствительных элементов обеспечивает оптимальное заполнение площади круговой приемной площадки, а постоянный шаг между элементами повышает точность измерения распределения плотности энергии (мощности) по сечению лазерного луча. Минимальное расстояние между элементами не должно превышать размеры самого элемента, при этом обеспечивается автономность работы каждого элемента. Размер термочувствительных элементов выполненных по стандартной методике фотолитографии может составлять порядка 5×5 мкм².A mosaic of 37 heat-sensitive elements ensures optimal filling of the circular receiving area, and a constant step between the elements increases the accuracy of measuring the distribution of energy density (power) over the cross section of the laser beam. The minimum distance between the elements should not exceed the dimensions of the element itself, while ensuring the autonomy of each element. The size of the thermosensitive elements made by the standard photolithography technique can be about 5 × 5 μm ² .

Таким образом, предлагаемое техническое решение повышает точность выявления Гауссова распределения источника излучения. Кроме того, по сравнению с существующими тепловыми приемниками предлагаемый приемник излучения обладает большей разрешающей способностью, и может эксплуатироваться как в режиме памяти, так и в динамичном режиме измерений, при максимальной чувствительности.Thus, the proposed technical solution improves the accuracy of detecting the Gaussian distribution of the radiation source. In addition, compared with existing heat receivers, the proposed radiation receiver has a higher resolution, and can be operated both in memory mode and in dynamic measurement mode, with maximum sensitivity.

Claims

A heat receiver containing a sealed enclosure in the form of a flattened rectangular metal-glass body, consisting of a base with leads that are electrically connected to the corresponding contact pads of the substrate, and a lid with a window transparent to the detected radiation, a dielectric substrate coated with thermosensitive elements is installed in front of the window, made of material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, in the form of mosaics filling the receiver receiving area, each The second element has a signal and common electrodes connected to the contact pads located around the perimeter of the substrate, on the reverse side of the substrate there is a film heater with a compensation element similar in shape to the thermosensitive elements, connected to the contact pads on the reverse side of the substrate, characterized in that on the receiving plane 37 temperature-sensitive elements are installed at an equal distance from each other, while the vertical arrangement of the elements is as follows Thus: on the central line of symmetry there are 7 elements, on the lines closest to it on the left and right by 6 elements, on the following lines on the left and right by 5 elements and on the edge lines by 4 elements, the heater is made of 37 resistive elements in shape and in arrangement of similar heat-sensitive elements and connected in series with each other by a conductive tape.