3. Болометры

Принципдействияболометровоснованнаизмененииихэлектри-ческогосопротивленияиз-заизменениятемпературыподдействиемпадающегоизлучения.Такимобразом,болометрпредставляетсобойрезистор,материалкоторогодляполучениябольшойчувствительностидолженобладатьмалойтеплоемкостьюибольшимтемпературнымко-эффициентомсопротивления(ТКС).

ТКСболометразаписываетсяввиде

^1dR. (8.2.15)

RdT

ЕсличерезболометрпротекаетпостоянныйтокI,тоизменениевыходногонапряженияболометраравно

VIRIRT. (8.2.16)

Сравнивая(8.2.16)с(8.2.5),получаем,чтоKIR,исогласно(8.2.6)вольт-ваттнаячувствительностьравна

Ф

V

S^V



K _

_1²²_12 

IR

_1²²_12

_ IR

_^2²C²_12

. (8.2.17)

T T T T

Типыболометров

Болометрыусловноразделяютсянаследующиетипы:металличе-ские,термисторные,сверхпроводящие,полупроводниковые.Схематич-ноеизображениетонкопленочногоболометра,дающеепонятиеоегоконструкции,данонарис.8.4.

5

1

6 ₃

2 ₄

Рис.8.4.Общийвидодноэлементноготестовогомикроболометрасизгибомнанесущейопоре:

1–кремниеваяподложка;2–первыйнесущийслойнит-ридакремния;3–терморезистивныйслой(пассивирую-щийслойнитридакремниянепоказан);4–металличе-скаяразводка;5–опорнаяподушка;6–изгибнесущей

опоры

Металлическиеболометры

Дляизготовленияметаллическихболометровнаиболеечастоис-пользуютсятакиематериалы,какBi,Pt,Ni,Sb,окислыMn,Co,закисьмеди(CuO₂).Вметаллическихболометрахсопротивлениезависитоттемпературыкак

^RR_0^{1(TT}₀⁾^,

где

R_0–сопротивлениепроводникапритемпературе

Т_0;^–темпе-

ратурныйкоэффициентизменениясопротивления.

Абсолютное изменение сопротивления болометра составляет

RR₀T;относительное–RR_0T.

ТКСдляметаллическихболометровобратнопропорционалентем-

пературевширокомдиапазоне(

1T)иположителен.Такимобра-

зом,длякомнатнойтемпературы

0,00331/К.Конструктивночув-

ствительныйэлементболометравыполненввидетонкойпленки(тол-щинаd~100–500Å),покрытойчастозолотойлибоплатиновойчер-нью.Конструктивноодноэлементныеболометрыобычносостоятиздвухчастей,однаизкоторыхоблучается,адругаянужнадлякомпен-сациидрейфатемпературы.Обнаружительнаяспособностьметалличе-

скихболометровнаходитсянауровнедействиеобычнонепревышает10мс.

110^8смГц^12Вт^1,быстро-

Термисторы

Термистораминазываютсяболометры,чувствительныйэлементкоторыхпредставляетсобойтонкопленочныйтерморезистор,изготов-ленныйспеканиемокисловметалловMn,Co,Niиразмещенныйнадиэлектрическойподложке,например,насапфире.ТКСутермисторовотрицательный,пропорционаленквадратутемпературыиприрабочейтемпературесоставляет2…4%/К.Длятермисторовобнаружительнаяспособность,ограниченнаятепловымшумом,равна

D^*310^912смГц^12Вт^1.

Дляувеличенияобнаружительнойспособностинеобходимоувели-чиватьпостояннуювременитермистора,чтоухудшаетегобыстродей-ствие.

Сверхпроводящиеболометры

Принципдействиясверхпроводящихболометровоснованнарез-комизменениисопротивлениясверхпроводникаприизмененииеготемпературывмоментпереходаотсверхпроводящегосостояниякнормальному.Нарис.8.5показанакачественнотипичнаятемператур-наязависимостьсопротивлениядляусловногосверхпроводникаскри-тическойтемпературойT_c.

Вблизикритическойтемпературыпринагревесверхпроводникаегочувствительность,пропорциональнаяdRdT,велика,такчтоиз-

менениетемпературы

T,котороесверхпроводящийболотромспосо-

бензарегистрировать,можетбытьдостаточномало.СверхпроводящиеболометрыиспользуютсвойствоисчезновениясопротивленияприкритическойтемпературеТ_своченьузкомтемпературноминтервале,

R,dR/dT

δT

1 2

T_с T,К

Рис.8.5.Изменениесопротивлениясверхпроводника(1)иегопроиз-

водной(2)оттемпературы

которыйучистыхсверхпроводни-ковможетбытьу´жеТ<0,001К.Вчастности,уширокоиспользуе-могосплаваNb₃GeТ_с=22,3К.

Вобщихсловах,причинойвоз-

никновениясверхпроводимостисчитаетсяналичиеуэлектронов

взаимодействия,помимокулонов-скогоотталкивания,приводящегокихпритяжению.Этовзаимодейст-виеобусловленотем,чтоэлектрондеформируеткристаллическуюрешеткуипоявляющаясяполяри-зацияпритягиваетдругойэлек-трон.Втакомслучаевнекоторыхвеществах–сверхпроводниках–притемпературенижекритической

состояниемснаименьшейэнергиейоказываетсясостояниедвухсвя-

занныхэлектронов–куперовскойпары.Междуразрешеннымиэнерге-тическимисостояниямипариосновнымсостояниемпоявляетсяэнер-гетическийзазор2.Наличиеэтогозазорапрепятствуетрассеяниюпарсизменениемэнергии,чтоиведеткпоявлениюсверхпроводимо-сти.Приповышениитемпературывеличиназазорауменьшается.Среднеерасстояниемеждуэлектронамивкуперовскойпаре–около0,0001см.Парусоставляютэлектроныспротивоположнымиспинами,такчтокуперовскаяпара–бозон(спинравеннулю).Всекуперовскиепарынаходятсяводинаковомквантово-механическомсостоянии.

ВпереходномсостоянииТКСболометровэтоготипаможетдости-гать501/К.ТакаябольшаявеличинаТКСтребуетстабилизироватьтемпературусоченьвысокойточностью,нехуже,чемпримерно0,1T,гдеT–ширинапереходавсверхпроводящеесостояние.По-видимому,реальныесверхпроводящиеболометрысоздаютсянаосновекомпромиссамеждувысокойчувствительностьюиточностьюстаби-лизациитемпературы.

Втабл.8.1приведенывзятыеизработы[8.1]некоторыепараметрысверхпроводящихболометров.Втаблицехарактеризуютсяболометры

спримерноодинаковойплощадью,носразнойконструкцией,откото-ройзависятичувствительность,ипостояннаявремени.Каквидноиз

таблицы,ТПИнаосновеоловасдобавкамидругихметалловработаютприТ=0,4…3,9К.МЭШтакихболометровможетизменятьсявпре-делахот910^–10до3,410^{–15Вт/Гц0,5},апостояннаявремени–от510^–9

до10^–2с.

Параметрысверхпроводящихболометров

Табл и ц а8.1

№ п/п	Материал	Рабочаятем-пература,К	Чувствительность,В/Вт	Постояннаявремени,с	МЭШ, Вт/Гц0,5
1	Sn	3,05	850	10–2	710–13
2	Sn	3,3	4200	210–6	210–12
3	Sn+Ni	0,4	2,210–6	10–3	3,410–15
4	Sn+Pb	3,9	24	710–9	8,410–11
5	Sn+Ag	2,1	2,2	510–9	910–10
6	YBaCuO	20	0,1	410–7	410–13
7	YBaCuO	86	40	1,310–2	1,510–9

ТПИнаосновевысокотемпературногосверхпроводникаYBaCuOработаютпритемпературедо86КcМЭШвплотьдо410^{–13Вт/Гц0,5}.

Полупроводниковыеболометры

Наиболеечастоприменяютсядлярегистрациинизкогоуровняиз-лучения(особеннодляинфракрасногоисубмиллиметровогодиапазо-на)полупроводниковыеболометры.Ихсопротивлениеможнозаписатьввиде

RAT^bexp(E/kT),

гдеА–постоянная,зависящаяотгеометрииТСиконцентрацииноси-телейзаряда,аbотражаетзависимостьпроводимостиоттемпературы,

концентрацииносителейзарядаиихподвижности.Величину

E/k

называюттемпературнойчувствительностью.Посколькуэкспоненци-альнаязависимостьсопротивленияотТгораздосильнее,чемстепен-ная,можновпервомприближенииположитьb=0.ТогдавеличинаТКСболометраравна:

_1dR_E_.

RdT

kT²

ДляполупроводниковыхболометровприТ=300Ктипичноезна-чение–около0,0331/К,т.е.больше,чемуметаллов,примернонапорядок.

Дляполупроводниковыхболометровэффективноглубокоеохлаж-

дение,поскольку,какуказывалосьвыше,ихчувствительностьпропор-циональнаТКСиобратнопропорциональнатепловойпроводимости.ТКСбыстрорастетвполупроводникахсуменьшениемтемпературы,атеплопроводностьприэтомуменьшается.Одновременноснижаетсяитеплоемкость,т.е.постояннаявремениостаетсядостаточномаленькой.Вчастности,онаможетбытьниже10сприохлаждениидоТ=2К,иногда–доТ=0,3К.Однаконаилучшиепороговыехарактеристикидостигаютсянаменьшихчастотах–несколькодесятковгерц,приэтомМЭШ<10^{–14Вт/Гц0,5}.Этавеличинаблизкакхарактеристикамвысоко-чувствительныхселективныхполупроводниковыхприемниковизлу-ченияИК-диапазонааналогичнойплощади(порядка1мм²).Вместестемименнонеселективностьболометроввширокомспектральномдиапазонеявляетсяихглавнымдостоинством.Существуетспециаль-ныйтипглубокоохлаждаемыхболометров–свыделеннойчувстви-тельнойплощадкойдляабсолютныхизмерений.Излучениепоглоща-етсямеднойилибериллиевойфольгойтолщиной3мкмидиаметром2мм,покрытойчернью(ферритом).КсерединеплощадкисобратнойстороныприпаянболометризGeразмером100100400мкм.Всясис-темаввакуумеподвешенанатонкихпроволочкахвинтегрирующейзеркальнойсфере.

Глубокоохлаждаемыеболометры–сложныеидорогиеприборы,

применяемыевуникальныхэкспериментахиустановках,вчастности,вфурье-спектрометрах,работающихнадлинахволндо1мм.

Вматричныхмикроболометрическихустройствахвнастоящеевремявкачествечувствительногоматериалаширокоприменяютсяпленкиокисловванадия,чувствительностькоторыхсвязанасфазовы-мипереходамиметалл–полупроводник(ФПМП).Рассмотримэтукате-гориюболометровподробнее.

Приопределеннойтемпературе,называемойтемпературойперехо-да(Т_п),резкоменяютсявеличинаихарактерэлектропроводности.Вы-шеТ_{пнаблюдается}слабоеуменьшениепроводимости,характерноедляметаллов,аниже–проводимостьэкспоненциальнозависитоттемпе-ратуры,чтохарактернодляполупроводников.Втабл.8.2приведеныданныеобокислахванадиясФПМП.

СвойстванекоторыхсоединенийсФПМП

Табл и ц а8.2

Соедине-ние	Температу-раФПМПТп,К	Изменениепроводимо-стиприТп	Соеди-нение	ТемператураФПМПТп,К	Изменениепроводимо-стиприТп
V2O3	150	1010	V5O9	130	106
V3O5	450	102	V6O11	170	104
V4O7	240	103	VO2	340	105
TaS2	190	102	V6O13	70	102

VO

Температурнаязависимостьудельнойпроводимостиокисловвана-диядананарис.8.6[12].

10⁶

ρ,Омсм

10⁴

10²

10⁰

V_2O3

2

^V3O5 47

VO₂

10⁶

10⁴

10²

10⁰

3

–2

10 ₁

^{2 3} 10

–2

–4

¹ 10

2 6 ^{2 6} 4 8 2 4 6

–1

1000/T,К

Рис.8.6.Температурнаязависимостьудельногосопротивле-ниянекоторыхокисловванадия:

цифрынакривыхдляV₂O_3иVO_{2относятся}кобразцам,полученнымразличнымитехнологиями

Графикинарисункерасположенывпорядкевозрастаниясодержа-ниякислорода.Иззависимостиудельногосопротивленияможнооце-нитьпригодностьтогоилииногоокисладляиспользованиявкачестветермочувствительногослоя.Еслирабочаятемператураблизкакком-натной,томогутбытьиспользованыV₃O_5,V₄O_7иVO₂,термическийкоэффициентсопротивлениякоторыхсоставляетот1,5до2,5%/К.Обращаетнасебявниманиебольшоеразличиевтемпературнойзави-

симостиудельногосопротивлениядляобразцов,полученныхразлич-нымиспособами.Прификсированнойтемпературеудельноесопро-тивлениеможетотличатьсяболеечемнапорядок.

Присущиеданномуокислутемпературафазовогоперехода,сопро-тивлениевблизиэтойтемпературыиТКСмогутбытьнеоптимальны-мисточкизренияпрактическойреализациинаилучшегозначенияпопороговоймощностиэквивалентнойшумуМЭШ,илиNEP,либопоразноститемператур,эквивалентнойшуму(NETD).Поэтомуоченьважнойявляетсявозможностьизменениятемпературыфазовогопере-ходаипроводимостинаправленнымиметодами.БольшоевлияниенаФПМПвокислахванадияоказываетихлегированиеразличнымипри-месями.Нарис.8.7приведенытемпературныезависимостиудельногосопротивлениядляVO₂,легированногоразличнымипримесями.Дляупрощениякартинытолькодлянелегированногообразцаприведенакривая,накоторойпоказангистерезисприувеличениииуменьшениитемпературы.

Изрисункавидно,чтоприлегированиидвуокисиванадияможно

изменитьудельноесопротивлениевнизкотемпературнойобластибо-леечемначетырепорядкавеличинисместитьточкуФПМПпримернона13К.

3

10

2

2

10 ³ ₄

1

ρ,Омсм

5

10 ₁

0

10 ¹

6

–1

10 _{2 7}

3

Рис.8.7.Температурнаязависимостьудель-ногосопротивлениянелегированныхилегированныхмонокристалловVO₂

(в соответствиис[8.11]):

1–нелегированныйобразец;легирование,ат.%:

2–Al(0,247),3–Al(0,49),4–Сr(5,17),

–2

5

10 ₄

6

1

–3

10

^{8 9} 5–Ti(0,816),6–Mn(0,015),7–Fe(0,145),

8–Co(0,035),9–Nb(1,1)

–4

78 ₉

10

2,4 2,62,8 3,03,2

–1

1000/T,К

Микроболометрическиематрицы

Существуетмногоспособовполучениятермочувствительныхсло-евокисловванадиядляизготовлениямикроболометрическихматриц.Кчислунаиболееупотребительныхметодовполученияпленокприме-нительнокдиоксидуванадияотносятсяхимическоеосаждение,магне-тронноераспыление,реактивноеэлектронно-лучевоеиспарение,окис-лениеметаллическихпленокванадияидр.Какправило,технологияполучениясамогоматериалаиприборовнераскрывается,ипоэтомуограничимсярассмотрениемвыходныхпараметровболометрическихматриц.Дляпримераприведемпараметрымикроболометрическойматрицы,нетребующейтермоэлектрическогоохлаждения,DRSU3500наосновеVO_х,предназначеннойдляиспользованиявсистемахобзораинаблюдения,вустройствахпоохранегранициохраныдома,предот-вращенияпожаровипр.:

1. Типдетектора Резисторный болометрVO_x

2. Форматматрицы 320240

3.Габариты 3,182,030,79 см³

4. Вес <15 г

5. Видеовыход NTSC/PAL,60Гц

6. Факторзаполнения >80%

7. Числоработающихэлементов >98%

8. Спектральныйдиапазон 8...14мкм

9. NETD 40...100мК

10. Рабочаятемпература –20...+60С

Разностьтемператур,эквивалентнаяшуму(NETD),составляет40...100мК,иверхнеееезначениенесчитаетсялучшимдляФПУта-когокласса.Нарис.8.8представленагистограммараспределенияNETDпоэлементамдлямикроболометрическойматрицы,изготовлен-нойфирмойHoneywell,такогожеформата,какивнашемпримеревыше.Каквидноизрисунка,среднеезначениеNETDблизкок40мК,амаксимальные–непревышают70мК.

КромемикроболометрическихматрицнаосновеVO_х,изготавли-

ваютсяиматрицы,гдечувствительнымэлементомявляетсяболометр

Количествоэлементов,отн.ед.

0,01 0,05 0,10

Разностьтемпературэквивалентнаяшуму,К

Рис.8.8.ГистограммараспределенияNETDпоэлемен-тамдлямикроболометрическойматрицынаосновеVO_{хформата}320240,изготовленнойфирмойHoneywell

наосновеполикристаллическогокремния.Параметрытакихматрицвыглядятследующимобразом:

1. Типдетектора Резисторныйболометрнаполикристаллическом

кремнии

2. Форматматрицы 320240либо160120

3. Размерэлемента 4545 мкм²

3535мкм²

4. Вес <50г; <10г

5. Времятепловойрелаксации 7мс; 4мс

6. Факторзаполнения >85%

7. ЧислоработающихэлементовприNETD<1,5

среднегозначенияNETD 99,9%

8. Спектральныйдиапазон 7...14мкм

9. NETD 85 мК

10. Рабочаятемпературасприменением

однокаскадноготермоэлектрического – 30...+60˚С

стабилизаторатемпературы – 40...+80˚С

Подводякраткиеитоги,можносказать,чтонесмотрянаболеениз-киепараметрыболометракакчувствительногоприемникаизлучения

посравнениюсфотоэлектрическимиприемникамиизлучения,микро-болометрическиематрицынашлисвоеместовинфракраснойопто-электронике.Невпоследнююочередьэтосвязаностем,чтоприихиспользованиивозможнаорганизацияинтегральныхсхем,т.е.схем,сделанныхнаодномкристалле,вотличиеотмногихФПУсиспользо-ваниемвысокочувствительныхфотоприемныхматриц,изготовленныхнаосновесоединенийА²В⁶,А⁴В⁶,А³В⁵,крассмотрениюкоторыхмыперейдем.