Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
gridchin.docx
Скачиваний:
0
Добавлен:
01.03.2025
Размер:
5.77 Mб
Скачать
      1. Болометры

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

ТКСболометразаписываетсяввиде

1dR. (8.2.15)

RdT

ЕсличерезболометрпротекаетпостоянныйтокI,тоизменениевыходногонапряженияболометраравно

VIRIRT. (8.2.16)

Сравнивая(8.2.16)с(8.2.5),получаем,чтоKIR,исогласно(8.2.6)вольт-ваттнаячувствительностьравна

Ф

V

SV

K

12212 

IR

12212

IR

22C212

. (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:

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

опоры

Металлическиеболометры

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

RR01(TT0),

где

R0сопротивлениепроводникапритемпературе

Т0;–темпе-

ратурныйкоэффициентизменениясопротивления.

Абсолютное изменение сопротивления болометра составляет

RR0T;относительное–RR0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108смГц12Вт1,быстро-

Термисторы

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

D*310912смГц12Вт1.

Дляувеличенияобнаружительнойспособностинеобходимоувели-чиватьпостояннуювременитермистора,чтоухудшаетегобыстродей-ствие.

Сверхпроводящиеболометры

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

Вблизикритическойтемпературыпринагревесверхпроводникаегочувствительность,пропорциональнаяdRdT,велика,такчтоиз-

менениетемпературы

T,котороесверхпроводящийболотромспосо-

бензарегистрировать,можетбытьдостаточномало.СверхпроводящиеболометрыиспользуютсвойствоисчезновениясопротивленияприкритическойтемпературеТсвоченьузкомтемпературноминтервале,

R,dR/dT

δT

1 2

Tс T

Рис.8.5.Изменениесопротивлениясверхпроводника(1)иегопроиз-

водной(2)оттемпературы

которыйучистыхсверхпроводни-ковможетбытьу´жеТ<0,001К.Вчастности,уширокоиспользуе-могосплаваNb3GeТс=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Tширинапереходавсверхпроводящеесостояние.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1010до3,41015Вт/Гц0,5,апостояннаявремени–от5109

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1013Вт/Гц0,5.

Полупроводниковыеболометры

Наиболеечастоприменяютсядлярегистрациинизкогоуровняиз-лучения(особеннодляинфракрасногоисубмиллиметровогодиапазо-на)полупроводниковыеболометры.Ихсопротивлениеможнозаписатьввиде

RATbexp(E/kT),

гдеАпостоянная,зависящаяотгеометрииТСиконцентрацииноси-телейзаряда,аbотражаетзависимостьпроводимостиоттемпературы,

концентрацииносителейзарядаиихподвижности.Величину

E/k

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

1dRE.

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<1014Вт/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(Тп),резкоменяютсявеличинаихарактерэлектропроводности.Вы-шеТпнаблюдаетсяслабоеуменьшениепроводимости,характерноедляметаллов,аниже–проводимостьэкспоненциальнозависитоттемпе-ратуры,чтохарактернодляполупроводников.Втабл.8.2приведеныданныеобокислахванадиясФПМП.

СвойстванекоторыхсоединенийсФПМП

Табл и ц а8.2

Соедине-ние

Температу-раФПМПТп

Изменениепроводимо-стиприТп

Соеди-нение

ТемператураФПМПТп

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

V2O3

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

Рис.8.6.Температурнаязависимостьудельногосопротивле-ниянекоторыхокисловванадия:

цифрынакривыхдляV2O3иVO2относятсякобразцам,полученнымразличнымитехнологиями

Графикинарисункерасположенывпорядкевозрастаниясодержа-ниякислорода.Иззависимостиудельногосопротивленияможнооце-нитьпригодностьтогоилииногоокисладляиспользованиявкачестветермочувствительногослоя.Еслирабочаятемператураблизкакком-натной,томогутбытьиспользованыV3O5,V4O7иVO2,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]):

1нелегированныйобразец;легирование,ат.%:

2Al(0,247),3Al(0,49),4Сr(5,17),

–2

5

10 4

6

1

–3

10

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

8Co(0,035),9Nb(1,1)

–4

78 9

10

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

–1

1000/T

Микроболометрическиематрицы

Существуетмногоспособовполучениятермочувствительныхсло-евокисловванадиядляизготовлениямикроболометрическихматриц.Кчислунаиболееупотребительныхметодовполученияпленокприме-нительнокдиоксидуванадияотносятсяхимическоеосаждение,магне-тронноераспыление,реактивноеэлектронно-лучевоеиспарение,окис-лениеметаллическихпленокванадияидр.Какправило,технологияполучениясамогоматериалаиприборовнераскрывается,ипоэтомуограничимсярассмотрениемвыходныхпараметровболометрическихматриц.Дляпримераприведемпараметрымикроболометрическойматрицы,нетребующейтермоэлектрическогоохлаждения,DRSU3500наосновеVOх,предназначеннойдляиспользованиявсистемахобзораинаблюдения,вустройствахпоохранегранициохраныдома,предот-вращенияпожаровипр.:

  1. Типдетектора Резисторный болометрVOx

  2. Форматматрицы 320240

3.Габариты 3,182,030,79 см3

  1. Вес <15 г

  2. Видеовыход NTSC/PAL,60Гц

  3. Факторзаполнения >80%

  4. Числоработающихэлементов >98%

  5. Спектральныйдиапазон 8...14мкм

  6. NETD 40...100мК

  7. Рабочаятемпература –20...+60С

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

КромемикроболометрическихматрицнаосновеVOх,изготавли-

ваютсяиматрицы,гдечувствительнымэлементомявляетсяболометр

Количествоэлементов,отн.ед.

0,01 0,05 0,10

Разностьтемпературэквивалентнаяшуму,К

Рис.8.8.ГистограммараспределенияNETDпоэлемен-тамдлямикроболометрическойматрицынаосновеVOхформата320240,изготовленнойфирмойHoneywell

наосновеполикристаллическогокремния.Параметрытакихматрицвыглядятследующимобразом:

  1. Типдетектора Резисторныйболометрнаполикристаллическом

кремнии

  1. Форматматрицы 320240либо160120

  2. Размерэлемента 4545 мкм2

3535мкм2

  1. Вес <50г; <10г

  2. Времятепловойрелаксации 7мс; 4мс

  3. Факторзаполнения >85%

  4. ЧислоработающихэлементовприNETD<1,5

среднегозначенияNETD 99,9%

  1. Спектральныйдиапазон 7...14мкм

  2. NETD 85 мК

  3. 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,изготовленныхнаосновесоединенийА2В64В63В5,крассмотрениюкоторыхмыперейдем.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]