RU2650430C1 - RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS - Google Patents
RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650430C1 RU2650430C1 RU2017105675A RU2017105675A RU2650430C1 RU 2650430 C1 RU2650430 C1 RU 2650430C1 RU 2017105675 A RU2017105675 A RU 2017105675A RU 2017105675 A RU2017105675 A RU 2017105675A RU 2650430 C1 RU2650430 C1 RU 2650430C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- receiver
- film
- cells
- dimensional
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 54
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 239000010445 mica Substances 0.000 claims abstract description 18
- 229910052618 mica group Inorganic materials 0.000 claims abstract description 18
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 10
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 2
- 108010053481 Antifreeze Proteins Proteins 0.000 description 1
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910021542 Vanadium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N dipotassium dioxosilane oxo(oxoalumanyloxy)alumane oxygen(2-) Chemical compound [O--].[K+].[K+].O=[Si]=O.O=[Al]O[Al]=O YGANSGVIUGARFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052627 muscovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N vanadium dioxide Chemical compound O=[V]=O GRUMUEUJTSXQOI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
- G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
- G01J5/20—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using resistors, thermistors or semiconductors sensitive to radiation, e.g. photoconductive devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технике радиоизмерений. Предлагаемый приемник предназначен для измерения пространственно-энергетических характеристик лазерного излучения на длинах волн 2.08-16.6 мкм, 0.33-0.37 мм. Приемник обеспечит измерение параметров импульсно-модулированных сигналов ТГц-диапазона. Наличие отечественных приемников позволит обеспечить производство и эксплуатацию радиоэлектронных систем военной и гражданской техники.The invention relates to techniques for radio measurements. The proposed receiver is designed to measure the spatial and energy characteristics of laser radiation at wavelengths of 2.08-16.6 microns, 0.33-0.37 mm. The receiver will provide measurement of the parameters of the pulse-modulated signals of the THz range. The presence of domestic receivers will make it possible to ensure the production and operation of electronic systems of military and civilian equipment.
В качестве приемников ТГц-излучения в настоящее время чаще всего применяются болометрические приемники (сверхпроводниковые, на горячих электронах) и диоды Шоттки из GaAs. Указанным болометрам присуща высокая чувствительность и высокое быстродействие (до 50 нс), основным недостатком является необходимость их охлаждения до криогенных температур. Рабочая температура указанных болометрических приемников составляет 8-4.2 К. Основными преимуществами приемников на диодах Шоттки являются быстродействие (до 20 ГГц) и возможность работы при комнатных температурах. Недостатком диодов Шоттки является нелинейная вольтамперная характеристика, что затрудняет создание на их основе измерительных устройств.Currently, the most commonly used terahertz radiation detectors are bolometric detectors (superconducting, hot electron) and GaAs Schottky diodes. The indicated bolometers are characterized by high sensitivity and high speed (up to 50 ns), the main disadvantage is the need for their cooling to cryogenic temperatures. The operating temperature of these bolometric receivers is 8-4.2 K. The main advantages of Schottky diode receivers are speed (up to 20 GHz) and the ability to work at room temperature. The disadvantage of Schottky diodes is the non-linear current-voltage characteristic, which makes it difficult to create measurement devices on their basis.
Известны неохлаждаемые микроболометрические приемники на основе пленок VOx РФ [Разработка и применение неохлаждаемых матричных микроболометров для терагерцового диапазона / М.А. Демьяненко [и др.] // Вестник НГУ. Серия: Физика, 2010. Т. 5. 4. С. 73-78], которые функционируют на длинах волн 0.3-10.6 мкм, обладают постоянной времени не менее 10-6 с и пороговой чувствительностью 1.6×10-6 Вт. Недостатком указанных приемников является низкая чувствительность в ТГц-диапазоне длин волн.Known uncooled microbolometric receivers based on VO x RF films [Development and application of uncooled matrix microbolometers for the terahertz range / M.A. Demyanenko [et al.] // Bulletin of NSU. Series: Physics, 2010. V. 5. 4. S. 73-78], which operate at wavelengths of 0.3-10.6 μm, have a time constant of at least 10 -6 s and a threshold sensitivity of 1.6 × 10 -6 W. The disadvantage of these receivers is the low sensitivity in the THz range of wavelengths.
В настоящее время актуальной задачей является повышение чувствительности микроболометра на основе пленок VOx в ИК-диапазоне и обеспечение резкого повышения чувствительности в ТГц-диапазоне.Currently, the urgent task is to increase the sensitivity of the microbolometer based on VO x films in the IR range and provide a sharp increase in sensitivity in the THz range.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является многоэлементный тепловой приемник на основе пленки VOx [патент на полезную модель RU №153286], содержащий плоский металлостеклянный корпус с окном, внутри корпуса перед окном расположена подложка. На плоскости круговой приемной площадки установлено 37 термочувствительных элементов, 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 ним линиях слева и справа по 6 элементов, на следующих линиях слева и справа по 5 элементов и на краевых линиях по 4 элемента.Closest to the proposed invention is a multi-element thermal receiver based on a VO x film [patent for utility model RU No. 153286], comprising a flat metal-glass case with a window, a substrate is located inside the case in front of the window. On the plane of the circular receiving platform, 37 heat-sensitive elements are installed, located 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 nearest lines to the left and right of 6 elements, on the following lines on the left and on the right of 5 elements and on the boundary lines of 4 elements.
Недостатком наиболее близкого аналога является низкая чувствительность к среднему и дальнему ИК-диапазону, кроме того, крайне низкая чувствительность к источникам ТГц-излучения.The disadvantage of the closest analogue is the low sensitivity to the middle and far infrared, in addition, the extremely low sensitivity to sources of THz radiation.
Техническая проблема настоящего изобретения заключается в невозможности обеспечения измерения энергетических параметров непрерывного и импульсного инфракрасного и терагерцового излучений при комнатной температуре.The technical problem of the present invention is the impossibility of measuring the energy parameters of continuous and pulsed infrared and terahertz radiation at room temperature.
Поставленная проблема решается тем, что предлагается приемник ИК- и ТГц-излучений, содержащий плоский герметичный металлостеклянный корпус, состоящий из основания с выводами, которые электрически соединены с соответствующими контактными площадками подложки, и крышки с окном, прозрачным для регистрируемых излучений, перед окном установлена слюдяная подложка толщиной 40 мкм, на лицевой поверхности которой размещена двумерная пленочная алюминиевая решетка с квадратными ячейками, заполняющая круговую приемную площадку приемника, период двумерной решетки определен соотношением d=a+b=0.50-0.52, где а - размер ячейки, а=0.22 мм; b - ширина перемычки между ячейками, b=0.03 мм, и компенсационный элемент из пленки VOx, размеры которого подобны термочувствительным элементам из VOx, которые расположены на обратной стороне подложки под ячейками решетки, термочувствительные элементы выполнены в виде мозаики на площади приемной площадки, каждый элемент имеет сигнальный и общий электроды, соединенные с контактными площадками подложки.The problem is solved by the fact that the proposed receiver of infrared and THz radiation, containing a flat sealed metal-glass case, consisting of a base with leads that are electrically connected to the corresponding contact pads of the substrate, and a lid with a window that is transparent for the detected radiation, a mica is installed in front of the
Технический результат предлагаемого устройства заключается в расширении спектрального диапазона длин волн за счет использования в качестве поглощающего слоя тонкой слюдяной подложки, покрытой с лицевой стороны двумерной пленочной алюминиевой решеткой (частотно-избирательной поверхностью), а с обратной стороны мозаикой из термочувствительных элементов (из пленки VOx) со схемой токовой разводки (указанная структура выполняет функцию конвертера). Конвертер обеспечивает резонансное поглощение ИК- и ТГц-излучений. Поглощение в среднем ИК-диапазоне определяется кристаллической структурой подложки, а в ТГц-диапазоне определяется геометрическими размерами ячеек и шага сетки. Малая теплоемкость ИК-ТГц-конвертера обуславливает малую постоянную времени приемника, что позволяет использовать его для измерения импульсного излучения на длинах волн 2.08-16.6 мкм и 0.33-0.37 мм.The technical result of the proposed device is to expand the spectral range of wavelengths due to the use of a thin mica substrate as an absorbing layer, coated on the front side with a two-dimensional aluminum film grating (frequency-selective surface), and on the reverse side with a mosaic of heat-sensitive elements (from VO x film ) with a current wiring diagram (this structure performs the function of a converter). The converter provides resonant absorption of infrared and THz radiation. Absorption in the mid-IR range is determined by the crystal structure of the substrate, and in the THz range is determined by the geometric dimensions of the cells and the grid pitch. The low heat capacity of the IR-THz converter causes a small receiver time constant, which allows it to be used to measure pulsed radiation at wavelengths of 2.08–16.6 μm and 0.33–0.37 mm.
Предлагаемое изобретение поясняется с помощью чертежей: фиг. 1-6:The invention is illustrated using the drawings: FIG. 1-6:
на фиг. 1 (а) показана лицевая сторона подложки, заполненная металлической периодической структурой в виде двумерной решетки с квадратными ячейками, с компенсационным термочувствительным элементом, электродами и контактными площадками;in FIG. 1 (a) shows the front side of the substrate, filled with a metal periodic structure in the form of a two-dimensional lattice with square cells, with a compensating heat-sensitive element, electrodes and contact pads;
на фиг. 1 (б) показана обратная сторона подложки с топологией термочувствительных элементов в виде мозаики, заполняющей приемную площадку приемника, электродами и контактными площадками;in FIG. 1 (b) shows the reverse side of the substrate with the topology of the thermosensitive elements in the form of a mosaic filling the receiver receiving area with electrodes and contact pads;
на фиг. 2 представлен общий вид приемника ИК- и ТГц-излучений (а), его вид в разрезе (б);in FIG. 2 shows a General view of the receiver of infrared and THz radiation (a), its view in section (b);
на фиг. 3 приведен спектр пропускания слюдяной подложки толщиной 40 мкм марки СТ-1 на длинах волн 2.08-14.28 мкм;in FIG. Figure 3 shows the transmission spectrum of a mica substrate with a thickness of 40 microns of the CT-1 grade at wavelengths of 2.08-14.28 microns;
на фиг. 4 (а, б, в) приведены графики отражения, пропускания, поглощения со следующими геометрическими размерами квадратных ячеек двумерной решетки: а=0.1 мм, b=0.03 мм; а=0.15 мм, b=0.03 мм; а=0.2 мм, b=0.03 мм;in FIG. Figure 4 (a, b, c) shows graphs of reflection, transmission, and absorption with the following geometric dimensions of the square cells of a two-dimensional lattice: a = 0.1 mm, b = 0.03 mm; a = 0.15 mm, b = 0.03 mm; a = 0.2 mm, b = 0.03 mm;
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;
на фиг. 6 приведена пороговая экспозиция источников излучения на длинах волн 0.3-15 мкм, 0.33-0.37 мм, приводящая к нагреву термочувствительного слоя на 1°С.in FIG. Figure 6 shows the threshold exposure of radiation sources at wavelengths of 0.3–15 μm, 0.33–0.37 mm, leading to a heating of the heat-sensitive layer by 1 ° C.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - слюдяная подложка; 2 - алюминиевая сетка; 3 - компенсационный термочувствительный элемент (VOx); 4 - электроды с контактными площадками компенсационного термочувствительного элемента (VOx); 5 - термочувствительные элементы (VOx); 6 - электроды с контактными площадками термочувствительных элементов (VOx); 7 - приемная площадка приемника; 8 - общий электрод с контактной площадкой термочувствительных элементов; 9 - контактные площадки компенсационного термочувствительного элемента (VOx); 10 - основание корпуса приемника; 11 - крышка корпуса приемника; 12 - входное окно корпуса приемника; 13 - позолоченные выводы; 14 - диэлектрическая прокладка; 15 - ИК-ТГц-конвертер.The positions in the drawings indicate: 1 - mica substrate; 2 - aluminum mesh; 3 - compensation thermosensitive element (VO x ); 4 - electrodes with pads compensation thermosensitive element (VO x ); 5 - thermosensitive elements (VO x ); 6 - electrodes with contact pads of thermosensitive elements (VO x ); 7 - receiver receiving area; 8 - a common electrode with a contact pad of thermosensitive elements; 9 - contact pads compensation thermosensitive element (VO x ); 10 - the base of the receiver; 11 - the cover of the receiver; 12 - input window of the receiver; 13 - gold-plated findings; 14 - dielectric gasket; 15 - IR-THz converter.
На фиг. 1 представлена конструкция ИК-ТГц-конвертера, выполненного на слюдяной подложке 1 толщиной 40 мкм. Лицевая сторона подложки покрыта пленочной двумерной алюминиевой решеткой с квадратными ячейками 2, которые заполняют площадь круговой приемной площадки 7. На свободном участке подложки 1 расположен компенсационный термочувствительный элемент (VOx) 3 с контактными площадками 4. Конфигурация компенсационного термочувствительного элемента 3 подобна конфигурации термочувствительных элементов 5, при этом величины их удельных поверхностных сопротивлений равны. На противоположной стороне подложки 1 под алюминиевой сеткой 2 расположена мозаика 5, состоящая из 37 квадратных термочувствительных элементов с сигнальными электродами и контактными площадками 6 и общим электродом с контактной площадкой 8. Термочувствительные элементы 5 равноудалены друг от друга на плоскости круговой приемной площадки приемника 7. Компенсационный термочувствительный элемент 3 с помощью проводников соединен с контактными площадками 9. Контактные площадки 4, 6, 8, 9 с помощью проводников соединены с выводами корпуса. Расстояние между элементами 5 друг относительно друга одинаковое, поэтому имеет место равномерное заполнение термочувствительными элементами приемной площадки приемника 7. Решетка экранирует 27% падающего излучения.In FIG. 1 shows the design of an infrared THz converter made on a
На фиг. 2 представлена конструкция приемника, которая содержит герметичный корпус, состоящий из основания 10 и крышки 11 с входным окном 12, выполненным из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, например, из BaF. Основание корпуса 10 имеет позолоченные выводы 13. На основании корпуса 10 с помощью диэлектрической прокладки 14 закреплен ИК-ТГц-конвертер 15, который представляет собой диэлектрическую подложку, лицевая поверхность которой покрыта двумерной пленочной алюминиевой решеткой, на свободной поверхности подложки размещен компенсационный термочувствительный элемент, обратная сторона подложки заполнена мозаикой из 37 термочувствительных элементов из пленки VOx с электродами и контактными площадками.In FIG. 2 shows the design of the receiver, which contains a sealed enclosure consisting of a
Регистрируемое излучение, проходя через ячейки в пленочной двумерной алюминиевой решетке, нагревает слюдяную подложку и расположенный на ней термочувствительный слой на основе мозаики из термочувствительных элементов VOx. Характер нагрева термочувствительных элементов формирует двухмерную картину изменения их сопротивления.The detected radiation passing through the cells in a two-dimensional film aluminum lattice heats the mica substrate and the heat-sensitive layer located on it based on a mosaic of thermally sensitive elements VO x . The nature of heating of thermosensitive elements forms a two-dimensional picture of changes in their resistance.
на Фиг. 3 приведен спектр пропускания слюдяной подложки толщиной 40 мкм марки СТ-1 на длинах волн 2.08-16.66 мкм. На длинах волн 2.08-2.63 мкм имеет место ~90% пропускание в диапазонах длин 2.7-2.78 мкм и 9.09-16.66 мкм, ~100% поглощение подложки. В диапазонах 2.85-5.26 мкм и 5.55-7.69 мкм имеет место 80% и 40% пропускание подложки соответственно.in FIG. Figure 3 shows the transmission spectrum of a mica substrate with a thickness of 40 microns of the grade ST-1 at wavelengths of 2.08-16.66 microns. At wavelengths of 2.08–2.63 μm, ~ 90% transmission takes place in the length ranges 2.7–2.78 μm and 9.09–16.66 μm, and ~ 100% absorption of the substrate. In the ranges of 2.85–5.26 μm and 5.55–7.69 μm, 80% and 40% transmission of the substrate occurs, respectively.
ИК-ТГц конвертер, выполненный на слюдяной подложке 2 толщиной 40 мкм. Лицевая сторона подложки покрыта тонкой двумерной алюминиевой решеткой в форме круга с квадратными ячейками 1. На обратной стороне подложки под решеткой нанесена мозаика из 37 термочувствительных элементов на основе пленки VOx 3. Топология размещения термочувствительных элементов сохраняется при вариации диаметра приемной площадки приемника в диапазоне 3-14 мм. В таблице 1 приведены размеры термочувствительных элементов в зависимости от диаметра приемной площадки приемника.IR-THz converter made on a
Введение в состав конвертера частотно-избирательной поверхности (двумерная пленочная алюминиевая решетка, при вариации ее геометрических размеров) выделяет диапазон длин волн регистрируемого терагерцового излучения, таким образом, выполняя функции двумерной дифракционной решетки.The introduction of a frequency-selective surface (a two-dimensional film aluminum grating, with a variation in its geometric dimensions) into the converter selects the wavelength range of the recorded terahertz radiation, thus acting as a two-dimensional diffraction grating.
Конвертер представляет собой резонансную структуру, коэффициенты отражения пленочных слоев, который на основе Al (двумерная решетка) и VOx (термочувствительный слой) составляют соответственно в терагерцовом диапазоне 50% и 95%, а слюдяная подложка практически прозрачна. Дифракционное уширение определяется минимальным углом Θ=λ/α, где λ - длина волны, α - ширина ячейки. Толщина слюдяной подложки 0.04 мм, а длина волны регистрируемого излучения частотой 1 ТГц составляет 0.29 мм.The converter is a resonant structure, the reflection coefficients of the film layers, which on the basis of Al (two-dimensional lattice) and VO x (heat-sensitive layer) are respectively in the terahertz range of 50% and 95%, and the mica substrate is almost transparent. Diffraction broadening is determined by the minimum angle Θ = λ / α, where λ is the wavelength, α is the cell width. The thickness of the mica substrate is 0.04 mm, and the wavelength of the detected radiation with a frequency of 1 THz is 0.29 mm.
Чтобы сосредоточить дифрагированные световые волны в объеме слюдяной подложки варьировали ширину ячейки для достижения оптимального угла преломления дифрагированного луча. Кроме того, варьировали период двумерной решетки, чтобы дополнительно обеспечить повышение степени локализации регистрируемого излучения в объеме подложки.In order to concentrate the diffracted light waves in the volume of the mica substrate, the cell width was varied to achieve the optimal refractive angle of the diffracted beam. In addition, the period of the two-dimensional lattice was varied to additionally provide an increase in the degree of localization of the detected radiation in the bulk of the substrate.
Под действием регистрируемого излучения в подложке возбуждаются колебания близких резонансных частот, что сопровождается накоплением энергии электромагнитных колебаний и вызывает нагрев подложки.Under the influence of the detected radiation, vibrations of close resonant frequencies are excited in the substrate, which is accompanied by the accumulation of electromagnetic energy and causes the substrate to heat up.
Целью исследования являлось определение оптимального шага решетки d, размера квадратной ячейки а, при заданной толщине слюдяной подложки h.The aim of the study was to determine the optimal lattice spacing d, the size of the square cell and, for a given thickness of a mica substrate h.
Анализ металлической решетки был произведен методом конечных элементов (МКЭ) в частотной области [Устройства поляризации радиоволн в терагерцовом диапазоне частот. Новые принципы построения. Монография / Под. Ред. А.С. Якунина. - М.: Радиотехника, 2012. - 256 с.: ил.].The analysis of the metal lattice was performed by the finite element method (FEM) in the frequency domain [Polarization devices of radio waves in the terahertz frequency range. New principles of construction. Monograph / Under. Ed. A.S. Yakunin. - M.: Radio Engineering, 2012. - 256 p.: Ill.].
Коэффициенты отражения, поглощения, пропускания ИК-ТГц-конвертера определялись решением волнового уравнения в рассматриваемой частотной области регистрируемого излучения методом векторных конечных элементов при помощи граничных условий типа порт [Григорьев, А.Д. Методы вычислительной электродинамики / А.Д. Григорьев // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2013. 432 с.]. Для учета электрофизических параметров пленочных слоев ИК-ТГц-конвертера, использовалась модель диэлектрических потерь в рассматриваемой частотной области приемника.The reflection, absorption, and transmission coefficients of the IR-THz converter were determined by solving the wave equation in the considered frequency region of the detected radiation by the finite element vector method using port-type boundary conditions [Grigoryev, A.D. Methods of computational electrodynamics / A.D. Grigoryev // M .: FIZMATLIT. 2013.432 p.]. To take into account the electrophysical parameters of the film layers of an infrared THz converter, we used the dielectric loss model in the considered frequency region of the receiver.
Исследовался частотный диапазон рабочих частот 0.8-1.2 ТГц, который является наиболее распространенным в измерителях мощности терагерцового излучения отечественных и зарубежных компаний.We studied the frequency range of working frequencies 0.8-1.2 THz, which is the most common in terahertz radiation power meters of domestic and foreign companies.
На фиг. 4 (а, б, в) показаны графики коэффициентов поглощения, отражения, пропускания пленочной структуры алюминиевая сетка - слюда - VOx, с геометрическими параметрами решетки: а=0.1 мм, b=0.03 мм (а); a=0.15 мм, b=0.03 мм; (б), а=0.2 мм, b=0.03 мм (в), где а - размер ячейки, b - ширина перемычки между ячейками.In FIG. Figure 4 (a, b, c) shows graphs of the absorption, reflection, and transmission coefficients of the film structure of an aluminum grid - mica - VO x , with geometric lattice parameters: a = 0.1 mm, b = 0.03 mm (a); a = 0.15 mm, b = 0.03 mm; (b) a = 0.2 mm, b = 0.03 mm (c), where a is the cell size, b is the width of the jumper between the cells.
Коэффициенты поглощения, отражения, пропускания определялись решением волнового уравнения в рассматриваемой частотной области регистрируемого излучения методом векторных конечных элементов при помощи граничных условий типа порт. Зависимость поглощения подложки (мусковит) и чувствительного слоя (VOx) от частоты регистрируемого излучения учитывалось путем интерполяции экспериментальных данных для диэлектрической проницаемости. Расчет проводился для спектра частот 0.8-1.2 ТГц.The absorption, reflection, and transmission coefficients were determined by solving the wave equation in the considered frequency region of the detected radiation by the finite element vector method using port-type boundary conditions. The dependence of the absorption of the substrate (muscovite) and the sensitive layer (VO x ) on the frequency of the detected radiation was taken into account by interpolating the experimental data for the permittivity. The calculation was performed for the frequency spectrum 0.8-1.2 THz.
Результаты экспериментов приведены в таблице 2.The experimental results are shown in table 2.
При размере ячейки решетки 0.2 мм и ширине перемычки 0.03 мм наблюдается постоянное значение коэффициента поглощения конвертера в частотном диапазоне 0.8-0.9 ТГц и составляет 60%. Период двумерной решетки с квадратными ячейками определяется из соотношения d=a+b=0.23-0.25, где а - размер ячейки, в мм; b - ширина перемычки между ячейками, в мм, являются оптимальными для диапазона частот 0.8-0.9 ТГц.With a lattice cell size of 0.2 mm and a jumper width of 0.03 mm, a constant value of the converter absorption coefficient is observed in the frequency range of 0.8–0.9 THz and amounts to 60%. The period of a two-dimensional lattice with square cells is determined from the relation d = a + b = 0.23-0.25, where a is the cell size, in mm; b - jumper width between cells, in mm, are optimal for the frequency range 0.8-0.9 THz.
На фиг. 5 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VOx, толщиной 60 нм от температуры. В диапазонах температур 20-45°С и 45-69°С прямую ветвь термического гистерезиса пленки VOx можно представить с небольшой погрешностью в виде двух отрезков прямых (АВ и ВС).In FIG. Figure 5 shows the temperature dependence of the specific surface resistance of a heat-sensitive layer based on a VO x film with a thickness of 60 nm. In the temperature ranges of 20-45 ° С and 45-69 ° С, the direct branch of the thermal hysteresis of the VO x film can be represented with a small error in the form of two straight segments (AB and BC).
Результаты расчетных и экспериментальных данных коэффициента поглощения конвертера на длинах волн 2.08-16.66 мкм и 0.33-0.37 мм и величины энергетической экспозиции, обеспечивающей нагрев конвертера на 1°С от длительности импульса излучения 1-10-8 с приведены в таблице 3.The results of the calculated and experimental data on the absorption coefficient of the converter at wavelengths of 2.08–16.66 μm and 0.33–0.37 mm and the value of the energy exposure providing heating of the converter by 1 ° C from a radiation pulse duration of 1–10–8 s are given in Table 3.
На фиг. 6 приведена зависимость энергетической экспозиции излучения на длинах волн: 2.08-2.63 мкм; 2.7-2.78 мкм; 2.85-5.26 мкм; 5.55-7.69 мкм; 9.09-16.6 мкм; 0.33-0.37 мм; от длительности импульса, обеспечивающая нагрев термочувствительного слоя VOx на 1°С. Диапазон изменения длительности импульса излучения выбирался для приемника с апертурой 3 мм и размером термочувствительного элемента 0.2×0.2 мм. Быстродействие измерительного канала приемника определяется отношением величины эффективной теплоемкости части объема конвертера, состоящего из облучаемой поверхности слюдяной подложки, покрытой алюминиевой решеткой и расположенного под подложкой термочувствительного элемента из VOx, к константе тепловых потерь подложки. Быстродействие приемника в ИК и миллиметровом диапазонах составляет соответственно ~10-8 и ~10-7 с.In FIG. Figure 6 shows the dependence of the energy exposure of radiation at wavelengths: 2.08-2.63 microns; 2.7-2.78 microns; 2.85-5.26 microns; 5.55-7.69 microns; 9.09-16.6 microns; 0.33-0.37 mm; from the pulse duration, providing heating of the thermally sensitive layer VO x by 1 ° C. The range of variation of the radiation pulse duration was chosen for a receiver with an aperture of 3 mm and a thermosensitive element with a size of 0.2 × 0.2 mm. The speed of the measuring channel of the receiver is determined by the ratio of the effective heat capacity of a part of the volume of the converter, which consists of the irradiated surface of the mica substrate, covered with an aluminum grating and located under the substrate of the thermally sensitive element of VO x , to the thermal loss constant of the substrate. The receiver performance in the IR and millimeter ranges is ~ 10 -8 and ~ 10 -7 s, respectively.
Для изготовления приемника ИК- и ТГц-излучений использовали 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 для регистрируемых излучений. Корпус имеет 42 позолоченных вывода диаметром 0.3 мм и высотой 6 мм, это предельное число выводов для данного типа корпуса. Диэлектрическая подложка выполнена из слюды марки СТ-1 размером 36×24×0.04 мм. Конвертер представляет собой слюдяную подложку толщиной 0.04 мм, на лицевой поверхности которой размещена двумерная пленочная алюминиевая решетка с квадратными ячейками 0.2×0.2 мм и периодом решетки 0.23 мм. На обратной стороне подложки размещены 37 термочувствительных элементов квадратной формы, размером 0.2×0.2 мм, которые заполняют круговую приемную площадку, диаметром 3 мм. Компенсационный элемент выполнен из пленки VOx.To manufacture the receiver of IR and THz radiation, a small-sized metal-glass case was used, consisting of a base 1210.29-5Н and a cover 155.15-2 with a transparent window, manufactured by MARS Plant, Torzhok with gold-plated terminals, size 39 × 29 × 4 , 5 mm, with a window made of FBS-I material, transparent for the recorded radiation. The case has 42 gold-plated terminals with a diameter of 0.3 mm and a height of 6 mm, this is the maximum number of conclusions for this type of case. The dielectric substrate is made of mica grade ST-1 size 36 × 24 × 0.04 mm The converter is a mica substrate with a thickness of 0.04 mm, on the front surface of which there is a two-dimensional aluminum film grating with square cells 0.2 × 0.2 mm and a grating period of 0.23 mm. On the reverse side of the substrate there are 37 square-shaped thermosensitive elements, 0.2 × 0.2 mm in size, which fill a circular receiving area with a diameter of 3 mm. The compensation element is made of VO x film.
Нанесение пленочных слоев конвертера проводили способом термовакуумного напыления на установке вакуумного осаждения УРМ3.279.060. Изготовление алюминиевой решетки проводили по технологии классического жидкостного травления алюминиевого слоя по рисунку фоторезистивной маски [патент РФ №2393512 (13)]. Термочувствительные элементы на основе VOx, где х=1,5-2,02 наносятся 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].The film layers of the converter were deposited using the thermal vacuum deposition method at the URM3.279.060 vacuum deposition unit. The manufacture of the aluminum lattice was carried out according to the technology of classical liquid etching of the aluminum layer according to the pattern of the photoresist mask [RF patent No. 2393512 (13)]. Thermosensitive elements based on VO x , where x = 1.5-2.02 are 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. S. 120-129].
Для корректировки конфигурации и размеров решетки, а также термочувствительных элементов может быть использован метод размерной обработки металлических и полупроводниковых пленок с помощью лазерного излучения, например с использованием лазерного станка 4222Ф2 с ЧПУ.To adjust the configuration and dimensions of the lattice, as well as thermosensitive elements, the method of dimensional processing of metal and semiconductor films using laser radiation, for example, using a 4222F2 CNC laser machine, can be used.
Преимуществом предлагаемого многоэлементного приемника ИК- и ТГц-излучений является параллельная регистрация излучения всеми 37 измерительными каналами, при этом постоянная времени приемника определяется одним измерительным каналом. Схема управления приемником приведена в работе [Олейник, А.С. Тепловые приемники лазерного излучения на основе пленок VOx/ А.С. Олейник, Р.Н. Салихов // Датчики и системы. - 2015. №7. С. 19-25]. Разработана конструкция ИК-ТГц приемника с постоянной времени ~10-8 с в ИК-диапазоне и ~10-7 с в ТГц-диапазоне длин волн. Приведенные характеристики значительно превышают характеристики отечественных и зарубежных аналогов.The advantage of the proposed multi-element receiver of infrared and THz radiation is the parallel registration of radiation by all 37 measuring channels, while the time constant of the receiver is determined by one measuring channel. The receiver control circuit is given in [Oleinik, A.S. Thermal receivers of laser radiation based on VO x films / А.S. Oleinik, R.N. Salikhov // Sensors and systems. - 2015. No. 7. S. 19-25]. The design of an IR-THz receiver with a time constant of ~ 10 -8 s in the IR range and ~ 10 -7 s in the THz wavelength range has been developed. The given characteristics significantly exceed the characteristics of domestic and foreign analogues.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017105675A RU2650430C1 (en) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017105675A RU2650430C1 (en) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2650430C1 true RU2650430C1 (en) | 2018-04-13 |
Family
ID=61977085
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017105675A RU2650430C1 (en) | 2017-02-20 | 2017-02-20 | RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2650430C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2765883C1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-02-04 | Александр Иванович Козлов | Thermal imager on a chip of a monolithic photodetector with optical output (thermal imaging dynamic video mirror) |
RU2792925C1 (en) * | 2022-05-30 | 2023-03-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Bolometric receiver of terahertz radiation |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518250C1 (en) * | 2012-11-27 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Thermal detector |
RU153286U1 (en) * | 2014-12-23 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | MULTI-ELEMENT HEAT RECEIVER BASED ON VOX FILM |
RU2595306C1 (en) * | 2015-07-03 | 2016-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фотоэлектронные приборы" | Heat radiation sensor and its manufacturing method |
-
2017
- 2017-02-20 RU RU2017105675A patent/RU2650430C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2518250C1 (en) * | 2012-11-27 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Thermal detector |
RU153286U1 (en) * | 2014-12-23 | 2015-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | MULTI-ELEMENT HEAT RECEIVER BASED ON VOX FILM |
RU2595306C1 (en) * | 2015-07-03 | 2016-08-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Фотоэлектронные приборы" | Heat radiation sensor and its manufacturing method |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Е.М. Ильин и др. Приемное устройство радиолокатора дальнего ИК- ТГц-диапазона. Вестник СибГУТ, номер 3, 2016, стр. 176-186. * |
Кочкуров Л.А. Генерация террагерцового излучения методами внутрирезонаторного преобразования частоты в двухволновых полупроводниковых и волоконных лазерах. Диссертация на соискание ученой степени к.ф-м.н., ФГБО УВО "Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.", Саратов. 2016. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2765883C1 (en) * | 2021-04-01 | 2022-02-04 | Александр Иванович Козлов | Thermal imager on a chip of a monolithic photodetector with optical output (thermal imaging dynamic video mirror) |
RU2792925C1 (en) * | 2022-05-30 | 2023-03-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Bolometric receiver of terahertz radiation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102040149B1 (en) | Infrared detector | |
KR0135119B1 (en) | Infrared detector | |
Nguyen et al. | Broadband THz uncooled antenna-coupled microbolometer array—electromagnetic design, simulations and measurements | |
Piddington et al. | Microwave thermal radiation from the Moon | |
Mahashabde et al. | A frequency selective surface based focal plane receiver for the OLIMPO balloon-borne telescope | |
US9383254B1 (en) | Symmetric absorber-coupled far-infrared microwave kinetic inductance detector | |
US3781748A (en) | Chalcogenide glass bolometer | |
Unewisse et al. | Performance of uncooled semiconductor film bolometer infrared detectors | |
Corcos et al. | Antenna-coupled MOSFET bolometers for uncooled THz sensing | |
Shurakov et al. | Input bandwidth of hot electron bolometer with spiral antenna | |
Chen et al. | Multiphysics simulation of hypersensitive microbolometer sensor using vanadium dioxide and air suspension for millimeter wave imaging | |
EP3025132A1 (en) | An apparatus for sensing | |
Pfattner et al. | A Highly Sensitive Pyroresistive All‐Organic Infrared Bolometer | |
RU2650430C1 (en) | RECEIVER OF IR AND THz RADIATIONS | |
Qi et al. | An ultra-broadband frequency-domain terahertz measurement system based on frequency conversion via DAST crystal with an optimized phase-matching condition | |
Banerjee et al. | Optimization of narrow width effect on titanium thermistor in uncooled antenna-coupled terahertz microbolometer | |
Medeiros Filho et al. | Spectral density of millimeter wave amplitude scintillations in an absorption region | |
Page et al. | Millimeter–submillimeter wavelength filter system | |
Rownd et al. | Design and performance of feedhorn-coupled bolometer arrays for SPIRE | |
Hiromoto et al. | Room-temperature THz antenna-coupled microbolometer with a Joule-heating resistor at the center of a half-wave antenna | |
RU2701187C1 (en) | Terahertz radiation receiver based on an vox film | |
US3535523A (en) | Radiant flux measuring apparatus of the thermopile type | |
Cunningham | Resonant grids and their use in the construction of submillimetre filters | |
Ling et al. | A wide-band monolithic quasi-optical power meter for millimeter-and submillimeter-wave applications | |
Gunbina et al. | Spectral response of arrays of half-wave and electrically small antennas with SINIS bolometers |