RU2518250C1

RU2518250C1 - Thermal detector

Info

Publication number: RU2518250C1
Application number: RU2012150911/28A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Семёнович Олейник; Ефим Андреевич Журавлев
Priority date: 2012-11-27
Filing date: 2012-11-27
Publication date: 2014-06-10
Also published as: RU2012150911A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: thermal detector comprises a leakproof casing with an entrance window transparent to the radiation being registered, before the window a dielectric substrate is set, covered by temperature-sensitive coating, made from the material with hysteresis dependence of the first-order phase transition semiconductor-metal, for example, a vanadium dioxide film, in the form of temperature-sensitive elements set along the concentrical circumferences with the radiuses increasing at every next circumference in the direction from the circle centre and forming a round receiving area. A compensation temperature-sensitive element is set outside the receiving area. Each temperature-sensitive element is fitted by signal and common electrodes connected to the contact areas placed along the substrate perimeter. The round receiving area is divided into four equal quadrants by two perpendicular gaps passing through its centre. The forms of the temperature-sensitive elements are the ring sectors of similar geometrical shape divided by circular gaps. Common electrodes are set at one radius of each quadrant and are connected with each other, the signal electrodes are set at the other radius of each quadrant at side sections of each ring sector of temperature-sensitive element and are connected by riser wires with the contact areas on the opposite side of the substrate.

EFFECT: improved measurement accuracy of energy density of laser output power and improved analysis accuracy for Gaussian distribution of energy density of laser output power along the beam section.

8 dwg

Description

Изобретение относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения.The invention relates to the field of optoelectronics, to the designs of thermal multi-element receivers, designed to record the spatial and energy characteristics of pulsed and continuous laser radiation.

В двухмерных поликристаллических пленках VО₂ толщиной 70÷140 нм высота кристаллитов столбчатой формы равна толщине пленки, их размеры в плоскости пленки составляют 40÷140 нм соответственно. Скачок удельного поверхностного сопротивления при фазовом переходе составляет от 1 до 2 порядков его величины, ширина петли термического гистерезиса составляет от 21 до 10°С соответственно. При этом прямая и обратная ветви петли имеют квазилинейный характер изменения удельного поверхностного сопротивления. По достижении пленкой VО₂ температуры фазового перехода осуществляется процесс постадийной перестройки кристаллической решетки фазы VО₂ со скоростью звуковых волн. В пленках VО₂ толщиной 70-140 нм ФППН протекает за ~ 10^-11с (А.С.Олейник, А.В.Федоров. Регистрация лазерного излучения пленочными реверсивными средами на основе диоксида ванадия / Российские нанотехнологии, 2011. Т.6. №5-6. С. 120-129).In two-dimensional polycrystalline VO ₂ films with a thickness of 70–140 nm, the height of columnar crystallites is equal to the thickness of the film; their dimensions in the plane of the film are 40–140 nm, respectively. The jump in surface resistivity during a phase transition is from 1 to 2 orders of magnitude, the width of the thermal hysteresis loop is from 21 to 10 ° C, respectively. In this case, the direct and reverse branches of the loop have a quasilinear character of changes in the specific surface resistance. When the VO ₂ film reaches the phase transition temperature, the process of stepwise tuning of the crystal lattice of the VO ₂ phase with the speed of sound waves is carried out. In VO ₂ films with a thickness of 70–140 nm, the FPPN occurs in ~ 10 ⁻¹¹ s (A.S. Oleinik, A.V. Fedorov. Registration of laser radiation by film reversing media based on vanadium dioxide / Russian Nanotechnologies, 2011. V.6. No. 5-6. S. 120-129).

Известно устройство, тепловой приемник излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, участки которого имеют различный коэффициент ослабления для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки диоксида ванадия, в виде мозаики, на основе равностоящих друг от друга равной длины линеек, из элементов квадратной формы, заполняющих площадь приемной круговой площадки, каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединение с контактами площадки, расположенными по периметру подложки, на обратной стороне подложки размещен пленочный нагреватель и термодатчик, соединение с контактными площадками, в корпусе размещена схема управления с регулятором с возможностью обеспечения последовательной коммутации элементов на вход мостовой схемы и термостатирования пленки диоксида ванадия (Патент РФ №2227905. Тепловой приемник излучения. / А.С.Олейник, М.В.Орехов; опубл. 27.04.2004 г.).A device is known, a thermal radiation receiver, comprising a sealed enclosure with an input window, sections of which have different attenuation coefficients for the detected radiation. A dielectric substrate coated with a thermally sensitive layer is installed in front of the window, made of a material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, for example, vanadium dioxide films, in the form of a mosaic, based on equal-sized equal lengths of rulers, from square-shaped elements filling the receiving area a circular pad, each heat-sensitive element has a signal and common electrodes, connected to the pad contacts located along the perimeter of the substrate, on the back of the substrate a film heater and a temperature sensor, connection with contact pads were placed, a control circuit with a controller was placed in the housing with the possibility of sequential switching of elements to the input of the bridge circuit and thermostating of a vanadium dioxide film (RF Patent No. 2227905. Thermal radiation detector. / A.S. Oleinik , M.V. Orekhov; publ. 04/27/2004).

Недостатками приемника являются отсутствие круговой симметрии в расположении термочувствительных элементов на площади приемной площадки и недостаточное число термочувствительных элементов, что снижает точность анализа гауссова распределения по сечению лазерного луча. Кроме того, отсутствие компенсационного термочувствительного элемента снижает точность измерений. Для регистрации лазерного излучения целесообразна круговая симметрия в расположении термочувствительных элементов на плоскости приемной площадки приемника.The disadvantages of the receiver are the lack of circular symmetry in the location of the thermally sensitive elements on the receiving area and the insufficient number of thermally sensitive elements, which reduces the accuracy of the analysis of the Gaussian distribution over the cross section of the laser beam. In addition, the absence of a compensation thermosensitive element reduces the accuracy of the measurements. To register laser radiation, circular symmetry in the arrangement of heat-sensitive elements on the plane of the receiver receiving area is advisable.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тепловой приемник излучения, содержащий герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде термочувствительных элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью от центра круга и образующими круговую приемную площадку. Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки (Патент РФ №2397458. Тепловой приемник. / А.С.Олейник, А.Ф.Федоров; опубл. 20.08.2010 г. Бюл. №23).Closest to the proposed invention is a thermal radiation detector containing a sealed enclosure with an input window that is transparent to the detected radiation. A dielectric substrate coated with a thermosensitive layer is installed in front of the window, made of a material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, for example, films of vanadium dioxide, in the form of thermosensitive elements located along concentric circles with radii increasing with each subsequent circle from the center of the circle and forming a circular receiving platform. Outside the receiving area is a compensation thermosensitive element. Each heat-sensitive element has a signal and a common electrode connected to pads located around the perimeter of the substrate (RF Patent No. 2397458. Heat receiver. / A.S. Oleinik, A.F. Fedorov; publ. 08.20.2010 Bull. No. 23).

Недостатком приемника является невысокий коэффициент заполнения термочувствительными элементами квадратной формы площади приемной площадки приемника. Наличие только четырех колец из термочувствительных элементов обеспечивает только грубый анализ гауссова распределения излучения по сечению пучка, а невысокий коэффициент заполнения снижает точность измерения.The disadvantage of the receiver is the low fill factor of the heat-sensitive elements of the square shape of the receiving area of the receiver. The presence of only four rings of heat-sensitive elements provides only a rough analysis of the Gaussian distribution of radiation over the beam cross section, and a low duty cycle reduces the measurement accuracy.

Задачей настоящего изобретения является:The objective of the present invention is:

- повышение точности измерения плотности энергии мощности лазерного излучения за счет повышения коэффициента заполнения приемной площадки приемника;- improving the accuracy of measuring the energy density of laser radiation power by increasing the fill factor of the receiver receiving area;

- обеспечение повышения точности анализа гауссова распределения плотности энергии мощности лазерного излучения по сечению луча за счет принципиально нового расположения и формы термочувствительных элементов.- ensuring increased accuracy of the analysis of the Gaussian distribution of the energy density of the laser radiation power over the beam cross section due to a fundamentally new location and shape of thermosensitive elements.

Поставленная задача решается тем, что тепловой приемник содержит герметичный корпус с входным окном, прозрачным для регистрируемого излучения. Перед окном установлена диэлектрическая подложка, покрытая термочувствительным слоем, из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде элементов, расположенных по концентрическим окружностям с радиусами, увеличивающимися с каждой последующей окружностью от центра круга и образующими круговую приемную площадку. Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент. Каждый термочувствительный элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками, расположенными по периметру подложки. Согласно предлагаемому решению круговая приемная площадка разделена двумя перпендикулярными зазорами, проходящими через ее центр, на четыре одинаковых квадранта. Термочувствительные элементы имеют форму секторов колец подобной геометрической формы, разделенных круговыми зазорами. Общие электроды расположены по одному радиусу каждого квадранта и соединены между собой. Сигнальные электроды расположены по другому радиусу каждого квадранта на боковых отрезках каждого сектора кольца термочувствительного элемента и сквозными выводами соединены с контактными площадками на обратной стороне подложки.The problem is solved in that the heat receiver contains a sealed enclosure with an input window that is transparent to the detected radiation. In front of the window there is a dielectric substrate coated with a thermosensitive layer made of a material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, for example, films of vanadium dioxide, in the form of elements arranged in concentric circles with radii increasing with each subsequent circle from the center of the circle and forming circular reception area. Outside the receiving area, a compensation thermosensitive element is located. Each heat-sensitive element has a signal and a common electrode connected to pads located around the perimeter of the substrate. According to the proposed solution, the circular receiving platform is divided by two perpendicular gaps passing through its center into four identical quadrants. The thermosensitive elements are in the form of sectors of rings of a similar geometric shape, separated by circular gaps. Common electrodes are located along one radius of each quadrant and are interconnected. The signal electrodes are located on a different radius of each quadrant on the lateral segments of each sector of the ring of the heat-sensitive element and through the leads are connected to the pads on the back of the substrate.

Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, являются неселективность в широком спектральном диапазоне, высокая чувствительность, малый уровень собственных шумов, малая инерционность, линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока, одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке приемника, устойчивость к действиям излучения, малый вес и габариты. Развитие тепловых приемников идет в направлении разработки многоэлементных приемников, способных регистрировать пространственно-энергетические характеристики лазерного излучения (Технологические лазеры: Справочник: В 2Т. Т.2 / Г.А.Абильсиитов, В.Г.Гонтарь, Л.А.Новицкий и др. Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова, М.: Машиностроение, 1991, 554 с.).The main requirements for radiation receivers are non-selectivity in a wide spectral range, high sensitivity, low level of intrinsic noise, low inertia, linear dependence of the output signal on the magnitude of the incident radiant flux, the same sensitivity over the entire working platform of the receiver, resistance to radiation, small weight and dimensions. The development of thermal receivers goes in the direction of the development of multi-element receivers capable of recording the spatial and energy characteristics of laser radiation (Technological lasers: Reference: V 2T. T.2 / G.A.Abilsiitov, V.G. Gontar, L.A. Novitsky, etc. Under the general editorship of G.A.Abilciitov, M.: Mechanical Engineering, 1991, 554 pp.).

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается высоким процентом заполнения термочувствительными элементами площади приемной площадки приемника. Это достигнуто за счет формы, размеров, способа размещения подобных термочувствительных элементов, выполненных в виде секторов колец, и использования сквозного сигнального вывода от каждого элемента. Четное число элементов (из-за аксиальной симметрии лазерного излучения) с зазорами между собой образуют соответствующее кольцо. Совокупность колец из термочувствительных элементов с зазорами между собой заполняют всю площадь приемной площадки. Термочувствительные элементы соответствующих колец подобны между собой и их сопротивление одинаково. Принцип подобия термочувствительных элементов обеспечивает формирование колец, внутренние и внешние радиусы которых монотонно увеличиваются от центра к периферии круговой площадки. Это позволяет при выборе необходимого числа колец использовать минимальное число термочувствительных элементов.Comparative analysis with the prototype shows that the inventive device is characterized by a high percentage of filling with heat-sensitive elements of the receiving area of the receiver. This is achieved due to the shape, size, method of placement of such heat-sensitive elements, made in the form of sectors of the rings, and the use of a through signal output from each element. An even number of elements (due to the axial symmetry of the laser radiation) with gaps between them form the corresponding ring. A set of rings of heat-sensitive elements with gaps between each other fill the entire area of the receiving platform. The thermosensitive elements of the respective rings are similar to each other and their resistance is the same. The principle of similarity of thermosensitive elements provides the formation of rings, the inner and outer radii of which monotonically increase from the center to the periphery of the circular platform. This allows you to use the minimum number of heat-sensitive elements when choosing the required number of rings.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на Фиг.1 показан общий вид приемника, на Фиг.2 показан поперечный разрез приемника, на Фиг.3 показана топология термочувствительных элементов круговой приемной площадки теплового приемника с сигнальными и общими электродами, на Фиг.4 показана топология контактных площадок, на Фиг.5 показан разрез подложки приемника в изометрии (а - лицевая сторона, б - обратная сторона), на Фиг.6 представлен поперечный разрез сквозного вывода, на Фиг.7 приведена гистерезисная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя приемника на основе пленки VO₂ толщиной 60 нм, на Фиг.8 представлена схема коммутации и обработки сигнала с элементов приемника.The invention is illustrated by drawings: in Fig. 1 shows a General view of the receiver, Fig. 2 shows a cross-section of the receiver, Fig. 3 shows the topology of the heat-sensitive elements of the circular receiving pad of the heat sink with signal and common electrodes, Fig. 4 shows the topology of the pads , Fig. 5 shows a section of the receiver substrate in isometry (a is the front side, b is the reverse side), Fig. 6 is a transverse section through the output, Fig. 7 shows the hysteresis dependence of the specific surface resistance temperature sensing layer based on the receiver VO ₂ film thickness of 60 nm at 8 is the signal switching and processing circuitry with receiver elements.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - диэлектрическая подложка, 2 - термочувствительные элементы, 3 - компенсационный термочувствительный элемент, 4 - общий электрод, 5 - сигнальные электроды, 6 - сквозные выводы, 7 - контактные площадки, 8 - крышка герметичного корпуса, 9 - основание герметичного корпуса, 10 - выводы герметичного корпуса, 11 - изоляция выводов герметичного корпуса, 12 - диэлектрические выступы герметичного корпуса, 13 - провода, соединяющие контактные площадки с выводами герметичного корпуса, 14 - входное окно, 15 - конденсаторы, 16 - мультиплексор, 17 - микроконтроллер, 18 - шина микроконтроллер-мультиплексор, 19 - шина микроконтроллер-ПК, 20 - вход АЦП микроконтроллера, 21 - вход аналогового компаратора микроконтроллера, 22 - линия запуска измерения, 23 - линия сброса, 24 - сигнальная линия, 25 - преобразователь тока в напряжение, 26 - КМОП транзистор.The positions in the drawings indicate: 1 - dielectric substrate, 2 - thermosensitive elements, 3 - compensation thermosensitive element, 4 - common electrode, 5 - signal electrodes, 6 - through leads, 7 - contact pads, 8 - sealed housing cover, 9 - base of a sealed enclosure, 10 — conclusions of a sealed enclosure, 11 — isolation of the conclusions of a sealed enclosure, 12 — dielectric protrusions of a sealed enclosure, 13 — wires connecting pads to leads of a sealed enclosure, 14 — input window, 15 — capacitors, 16 — multipl Ksor, 17 - microcontroller, 18 - bus microcontroller-multiplexer, 19 - bus microcontroller-PC, 20 - ADC input of the microcontroller, 21 - input of the analog comparator of the microcontroller, 22 - measurement start line, 23 - reset line, 24 - signal line, 25 - current to voltage converter, 26 - CMOS transistor.

Тепловой приемник (Фиг.1, 2) содержит герметичный корпус, состоящий из основания 9 с 28 позолоченными выводами 10, изолированными от основания изоляторами 11, и крышки 8 с входным окном 14, прозрачным для регистрируемого излучения, выполненного, например, из материала ФБС-И. На основании герметичного корпуса 9 с помощью диэлектрических выступов 12, размещена диэлектрическая подложка 1 из слюды. Лицевая сторона подложки покрыта термочувствительным слоем из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода первого рода полупроводник-металл, например пленки из диоксида ванадия, в виде термочувствительных элементов 2 из шести колец с зазорами между собой, каждое кольцо состоит из четырех элементов в виде секторов колец. Термочувствительные элементы образуют приемную площадку. Приемная площадка разделена двумя перпендикулярными зазорами, проходящими через ее центр, на четыре одинаковых квадранта. Ширина колец увеличивается от центра к краю приемной площадки таким образом, что геометрические формы термочувствительных элементов 2 подобны между собой (Фиг.3). Вне приемной площадки расположен компенсационный термочувствительный элемент 3, геометрическая форма которого подобна геометрическим формам термочувствительных элементов 2.The heat receiver (Fig. 1, 2) contains a sealed enclosure consisting of a base 9 with 28 gold-plated terminals 10, insulators 11 isolated from the base, and a cover 8 with an input window 14, transparent for the detected radiation, made, for example, from FBS- material AND. On the basis of the sealed housing 9 with the help of dielectric protrusions 12, a dielectric substrate 1 of mica is placed. The front side of the substrate is covered with a heat-sensitive layer of material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, for example, films of vanadium dioxide, in the form of heat-sensitive elements 2 of six rings with gaps between each other, each ring consists of four elements in the form of ring sectors. Thermosensitive elements form a receiving platform. The receiving area is divided by two perpendicular gaps passing through its center into four identical quadrants. The width of the rings increases from the center to the edge of the receiving platform so that the geometric shapes of the heat-sensitive elements 2 are similar to each other (Figure 3). Outside the receiving platform, there is a compensation thermosensitive element 3, the geometric shape of which is similar to the geometric shapes of the thermosensitive elements 2.

Термочувствительные элементы 2 из шести колец практически полностью (за исключением площади зазоров между кольцами) заполоняют площадь приемной площадки. Это обеспечивает измерение плотности энергии (мощности) лазерного излучения по всей площади сечения луча, что повышает точность измерения величины энергии (мощности) излучения. Наличие шести колец из термочувствительных элементов 2 повышает точность анализа гауссова распределения плотности энергии мощности по сечению луча.Thermosensitive elements 2 of six rings almost completely (except for the gap between the rings) fill the area of the receiving area. This provides a measurement of the density of energy (power) of laser radiation over the entire cross-sectional area of the beam, which increases the accuracy of measuring the amount of energy (power) of the radiation. The presence of six rings of heat-sensitive elements 2 increases the accuracy of the analysis of the Gaussian distribution of power energy density over the beam cross section.

Диэлектрическая подложка 1 с контактными площадками 7 изолирована от основания герметичного корпуса 9 диэлектрическими выступами 12. Контактные площадки 7 соединены с выводами герметичного корпуса 10 проводами 13 (Фиг.2).The dielectric substrate 1 with the pads 7 is isolated from the base of the sealed enclosure 9 by dielectric protrusions 12. The pads 7 are connected to the terminals of the sealed enclosure 10 by wires 13 (FIG. 2).

Приемная круговая площадка приемника (Фиг.3) заполнена 24 термочувствительными элементами в виде секторов колец с электродами 4, 5, а 25 компенсационный термочувствительный элемент 3 с электродами 4, 5 расположен вне круговой приемной площадки. Каждый термочувствительный элемент 2 имеет общий 4 и сигнальный 5 электроды, которые соединены сквозными выводами 6 с контактными площадками 7, расположенными по периметру на обратной стороне подложки, последние соединены с выводами герметичного корпуса 10 посредством проводов 13.The receiving circular platform of the receiver (Fig. 3) is filled with 24 heat-sensitive elements in the form of sectors of rings with electrodes 4, 5, and 25 the compensating heat-sensitive element 3 with electrodes 4, 5 is located outside the circular receiving platform. Each heat-sensitive element 2 has a common 4 and signal 5 electrodes, which are connected through leads 6 to pads 7 located around the perimeter on the back side of the substrate, the latter are connected to the leads of the sealed enclosure 10 via wires 13.

Поверхность обратной стороны подложки под круговой приемной площадкой разбита на четыре квадранта. В каждом квадранте часть поверхности занимают сквозные выводы 6. Сквозные выводы соединены с контактными площадками 7, расположенными по периметру подложки 1 (Фиг.4).The surface of the reverse side of the substrate under the circular receiving platform is divided into four quadrants. In each quadrant, a part of the surface is occupied by through leads 6. The through leads are connected to the contact pads 7 located along the perimeter of the substrate 1 (Figure 4).

На Фиг.5 (а) в изометрии показана часть лицевой поверхности диэлектрической подложки 1, покрытой термочувствительными элементами 2 в виде 24 секторов колец, разделенных четырьмя осевыми зазорами и пятью кольцевыми зазорами. Каждый термочувствительный элемент 2 имеет (на соответствующих боковых отрезках) сигнальный 5 и общий 4 электроды. Общие электроды 4 расположены по одному радиусу каждого квадранта и соединены между собой, а сигнальные электроды 5 расположены по другому радиусу каждого квадранта на боковых отрезках каждого сектора кольца термочувствительного элемента 2. Общий электрод 4 (в виде четырех взаимно перпендикулярных отрезков) соединяет соответствующие боковые отрезки всех 24 термочувствительных элементов 2 и с помощью сквозного вывода 6 электрически соединен с контактной площадкой 7. Сигнальные электроды 5 термочувствительных элементов 2 соответствующими сквозными выводами 6 электрически соединены с соответствующими контактными площадками 7 (Фиг.5(б)).Figure 5 (a) isometric shows a part of the front surface of the dielectric substrate 1, covered by heat-sensitive elements 2 in the form of 24 sectors of the rings, separated by four axial clearances and five annular clearances. Each heat-sensitive element 2 has (on the corresponding lateral segments) a signal 5 and a common 4 electrodes. The common electrodes 4 are located along one radius of each quadrant and are connected to each other, and the signal electrodes 5 are located along a different radius of each quadrant on the side segments of each sector of the ring of the heat-sensitive element 2. The common electrode 4 (in the form of four mutually perpendicular segments) connects the corresponding side segments of all 24 thermosensitive elements 2 and through a through terminal 6 is electrically connected to the contact pad 7. Signal electrodes 5 of the thermosensitive elements 2 corresponding kvoznymi terminals 6 are electrically connected to corresponding contact pads 7 (Figure 5 (b)).

Сквозные выводы (Фиг.6) выполнены на основе двухслойной пленки Cu-Ni. Благодаря двухстадийному процессу химической металлизации на обеих сторонах диэлектрической подложки 1 со сквозными отверстиями сверху каждое отверстие заполнено двухслойной пленкой Cu-Ni. Слой никеля обеспечивает коррозийную стойкость пленки Cu-Ni до 500°С в течение нескольких минут, что позволяет изготовить на его поверхности термочувствительный слой из пленки VO₂ (Патент РФ №2293953. Тепловой приемник. / А.С.Олейник, С.К.Дауров, В.И.Орлов; опубл. 11.10.2005 г.).Through conclusions (Fig.6) is made on the basis of a two-layer film of Cu-Ni. Due to the two-stage process of chemical metallization on both sides of the dielectric substrate 1 with through holes at the top, each hole is filled with a two-layer Cu-Ni film. The nickel layer provides corrosion resistance of the Cu-Ni film to 500 ° C for several minutes, which makes it possible to produce a heat-sensitive layer of VO ₂ film on its surface (RF Patent No. 2293953. Heat receiver. / A.S. Oleinik, S.K. Daurov, V.I. Orlov; publ. 10/11/2005).

Термочувствительный слой на основе пленки VO₂ имеет гистерезисную зависимость удельного поверхностного сопротивления от температуры (Фиг.7). В диапазоне 45-69°С имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя от температуры нагрева (прямая ветвь петли 1s). При воздействии внешнего излучения на термочувствительный слой происходит его нагрев и как следствие изменение удельного поверхностного сопротивления. Изменение удельного поверхностного сопротивления позволяет судить о плотности энергии (мощности) излучения.The heat-sensitive layer based on the VO ₂ film has a hysteretic dependence of the specific surface resistance on temperature (Fig. 7). In the range of 45-69 ° С, there is a quasilinear character of the change in the value of the specific surface resistance of the heat-sensitive layer from the heating temperature (direct branch of the loop 1s). When external radiation acts on a heat-sensitive layer, it heats up and, as a result, changes in specific surface resistance. The change in surface resistivity allows us to judge the density of radiation energy (power).

Схема коммутации и обработки сигнала с элементов приемника (Фиг.8) предусматривает два режима опроса приемника: постоянный дискретный опрос и импульсный опрос для анализа коротких импульсов регистрируемого излучения.The circuit for switching and processing the signal from the elements of the receiver (Fig. 8) provides for two modes of polling the receiver: continuous discrete polling and pulse polling for analysis of short pulses of the detected radiation.

Геометрические размеры всех термочувствительных элементов подобны, поэтому их начальные сопротивления равны.The geometric dimensions of all thermosensitive elements are similar, therefore their initial resistances are equal.

Принцип действия приемника основан на параллельной регистрации термочувствительными элементами 2 приемной площадки регистрируемого излучения на длинах волн 0,3-10,6 мкм, при этом термочувствительные элементы 2 изменяют свое сопротивление пропорционально степени нагрева. После воздействия регистрируемого излучения на термочувствительные элементы 2 и изменения их сопротивления происходит параллельный съем информации с приемника, запоминание ее в аналоговых устройствах, выборка и хранение с последующим преобразованием в цифровую форму. Также используется калибровочный сигнал с компенсационного элемента 3, не облучаемого падающим излучением.The principle of operation of the receiver is based on the parallel registration of the heat-sensitive elements 2 of the receiving area of the detected radiation at wavelengths of 0.3-10.6 μm, while the heat-sensitive elements 2 change their resistance in proportion to the degree of heating. After exposure of the detected radiation to the thermally sensitive elements 2 and changes in their resistance, parallel information is taken from the receiver, stored in analog devices, sampled and stored, followed by digitalization. A calibration signal from the compensation element 3, which is not irradiated with incident radiation, is also used.

На общий электрод 4 подается заданный уровень напряжения. При воздействии регистрируемого излучения на термочувствительные элементы 2 приемной площадки происходит изменение их поверхностного удельного сопротивления. Изменение поверхностного удельного сопротивления приводит к изменению силы тока, проходящего через каждый термочувствительный элемент и проводящие элементы приемника 4, 5, 6, 7, это приводит к изменению скорости накопления заряда на конденсаторах 15. Время накопления заряда на конденсаторах 15 задается микроконтроллером 17 и осуществляется путем открытия транзистора 26 через линию 22. Уровень напряжения на каждом конденсаторе 15 определяется сопротивлением соответствующего термочувствительного элемента 2. Мультиплексор 16 под управлением микроконтроллера 17 через шину 18 последовательно коммутирует уровни напряжений с конденсаторов 15 на вход АЦП 20. После преобразования уровней напряжения на АЦП в цифровой вид измерительная информация через шину 19 передаются на ПК. После анализа измерительной информации микроконтроллер 17 осуществляет сброс уровней напряжений с конденсаторов 15 посредствам открытия транзисторов 26 через линию 23.A common voltage 4 is supplied to the common electrode 4. Under the influence of the detected radiation on the heat-sensitive elements 2 of the receiving area, a change in their surface resistivity occurs. The change in surface resistivity leads to a change in the current passing through each thermally sensitive element and the conductive elements of the receiver 4, 5, 6, 7, this leads to a change in the charge accumulation rate on the capacitors 15. The charge accumulation time on the capacitors 15 is set by the microcontroller 17 and is carried out opening the transistor 26 through line 22. The voltage level at each capacitor 15 is determined by the resistance of the corresponding thermosensitive element 2. Multiplexer 16 under the control of rokontrollera 17 via the bus 18 sequentially switches the voltage levels from capacitor 15 to the input of ADC 20. After conversion, the voltage level at the ADC to digital measurement information via the bus 19 are transmitted to the PC. After analyzing the measurement information, the microcontroller 17 resets the voltage levels from the capacitors 15 by opening the transistors 26 through line 23.

Если устройство используется для анализа непрерывного режима излучения, описанный алгоритм измерения повторяется необходимое количество раз (которое определяется пользователем).If the device is used to analyze continuous radiation, the described measurement algorithm is repeated as many times as necessary (as determined by the user).

В импульсном режиме опроса алгоритм измерения выполняется один раз, после того как напряжение на входе аналогового компаратора 21 микроконтроллера 17 превысит пороговое напряжение чувствительности приемника излучения. Импульсный режим активируется линией 24 и транзисторами 26. Аналоговый компаратор 21 микроконтроллера 17 сравнивает напряжения, сформированные преобразователем тока в напряжение 25, из токов с компенсационного элемента 3 и одного из центральных термочувствительных элементов 2 приемной площадки.In the pulsed interrogation mode, the measurement algorithm is performed once, after the voltage at the input of the analog comparator 21 of the microcontroller 17 exceeds the threshold voltage of the sensitivity of the radiation receiver. The pulse mode is activated by line 24 and transistors 26. The analog comparator 21 of the microcontroller 17 compares the voltages generated by the current to voltage converter 25 from the currents from the compensation element 3 and one of the central heat-sensitive elements 2 of the receiving platform.

Следует заметить, что время съема информации (время заряда конденсаторов 15) со всех 24 независимых каналов приемника задает микроконтроллер 17 и оно составляет ~ 10^-6 с. Эксперименты показали, что за это время не происходит ощутимых изменений в информационном сигнале с приемника, т.к. время съема коррелирует с постоянной времени приемника. Поэтому в данном техническом решении не используется пленочный нагреватель с терморегулятором, который обеспечивает режим внутренней памяти приемника.It should be noted that the information retrieval time (capacitor charge time 15) from all 24 independent channels of the receiver is set by the microcontroller 17 and it is ~ 10 ^-6 s. The experiments showed that during this time there are no noticeable changes in the information signal from the receiver, because pickup time correlates with receiver time constant. Therefore, this technical solution does not use a film heater with a temperature controller, which provides the mode of the internal memory of the receiver.

Был изготовлен тепловой приемник лазерного излучения на основе пленки VOx, представляющий собой малогабаритный металлостеклянный корпус размером 39×29×4,5 мм с окном из материала ФБС-И, прозрачным в спектральном диапазоне 0,3-25 мкм. Корпус имеет 28 позолоченных выводов диаметром 0,3 мм и высотой 6 мм. Диэлектрическая подложка выполнена из слюды размером 30×24×0,5 мм. На лицевую поверхность диэлектрической подложки нанесены 25 термочувствительных элементов, 24 из которых формируют приемную площадку в виде круга. Диаметр приемной площадки 10 мм.A thermal laser radiation detector based on a VOx film was manufactured, which was a small-sized metal-glass case measuring 39 × 29 × 4.5 mm with a window made of FBS-I material transparent in the spectral range of 0.3–25 μm. The housing has 28 gold-plated terminals with a diameter of 0.3 mm and a height of 6 mm. The dielectric substrate is made of mica with a size of 30 × 24 × 0.5 mm. On the front surface of the dielectric substrate, 25 heat-sensitive elements are applied, 24 of which form a receiving area in the form of a circle. The diameter of the receiving platform is 10 mm.

Постоянная времени и чувствительность приемника зависят от размеров термочувствительных элементов. Поэтому в предлагаемом приемнике указанные параметры определяются по наибольшему размеру термочувствительного элемента. При диаметре приемной площадки приемника 10 мм τ=10^-5 с. Удельный световой поток Ф=2·10^-7 Вм/(см·Гц^1/2) на длинах волн 0,3-3,38 мкм.The time constant and receiver sensitivity depend on the size of the thermally sensitive elements. Therefore, in the proposed receiver, these parameters are determined by the largest size of the heat-sensitive element. When the diameter of the receiving platform of the receiver is 10 mm, τ = 10 ⁻⁵ s. The specific luminous flux f = 2 · 10 ^-7 Vm / (cm · Hz ^1/2 ) at wavelengths of 0.3-3.38 microns.

Полученный приемник обеспечивает повышение точности измерения плотности энергии (мощности) лазерного излучения за счет равенства площади термочувствительных элементов приемника 90% (при диаметре приемной площадки 10 мм) площади сечения лазерного луча. Наличие шести колец из термочувствительных элементов повышает точность анализа гауссова распределения плотности (энергии) мощности лазерного излучения по сечению луча.The resulting receiver provides an increase in the accuracy of measuring the energy density (power) of laser radiation due to the equality of the area of the heat-sensitive elements of the receiver 90% (with a diameter of the receiving pad 10 mm) of the cross-sectional area of the laser beam. The presence of six rings of heat-sensitive elements increases the accuracy of the analysis of the Gaussian distribution of the density (energy) of the laser radiation power over the beam cross section.

Claims

A heat receiver containing a sealed enclosure with an entrance window transparent to the detected radiation, in front of which a dielectric substrate coated with a thermosensitive layer is installed, made of a material with a hysteretic dependence of the first-order semiconductor-metal phase transition, for example, vanadium dioxide films, in the form of heat-sensitive elements located along concentric circles with radii increasing with each subsequent circle from the center of the circle and forming a circular receiving platform, in a compensation thermosensitive element is located at the receiving site, with each heat-sensitive element having a signal and a common electrode connected to pads located along the perimeter of the substrate, characterized in that the circular receiving platform is divided into two identical quadrants by two perpendicular gaps passing through its center, and thermosensitive elements are in the form of sectors of rings of a similar geometric shape, separated by circular gaps, common electrodes are located about one radius of each quadrant and are interconnected, and the signal electrodes are located on a different radius of each quadrant on the lateral segments of each sector of the ring of the heat-sensitive element and through the leads are connected to the contact pads on the back of the substrate.