Научная статья на тему 'Быстродействующий неохлаждаемый тепловой приемник ИК-излучения'

Быстродействующий неохлаждаемый тепловой приемник ИК-излучения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
326
60
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСТВО / ИК-ИЗЛУЧЕНИЕ / ТОНКАЯ ПЛЕНКА / НИОБАТ БАРИЯ-СТРОНЦИЯ / ИМПУЛЬС ИЗЛУЧЕНИЯ / PYROELECTRICITY / IR-RADIATION / THIN FILM / STRONTIUM BARIUM NIOBATE / RADIATION PULSE

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Иванов Святослав Дмитриевич, Косцов Эдуард Геннадьевич

В работе описывается новый принцип создания быстродействующего теплового приемника ИК-излучения. Он основан на использовании пироэлектрического эффекта в тонких высококачественных кристаллических пленках. Конструкция приемника исключает необходимость его теплоизоляции, его работа основана на генерации и накоплении заряда при воздействии импульсов излучения. Создана математическая модель чувствительного элемента и приведены экспериментальные исследования особенностей его функционирования, показано их соответствие модельным представлениям.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Иванов Святослав Дмитриевич, Косцов Эдуард Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

FAST RESPONSE UNCOOLED THERMAL IR-RADIATION DETECTOR

A new approach of development of a fast-response thermal IR detector is described. The physical principle behind the functioning of the element is the pyroelectric effect in thin high-quality crystalline films. The element does not need to be thermally insulated and its work is based on the generation and accumulation of charge during action of radiation pulses. A mathematical model of the element has been created and experimental studies of features of element functioning have been conducted. The correspondence of experimental data and the model was shown.

Текст научной работы на тему «Быстродействующий неохлаждаемый тепловой приемник ИК-излучения»

УДК 621.38.3; 53.082.62

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ НЕОХЛАЖДАЕМЫЙ ТЕПЛОВОЙ ПРИЕМНИК ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ

Святослав Дмитриевич Иванов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, аспирант, тел. (383)330-79-86, e-mail: ivanow183@mail.ru

Эдуард Геннадьевич Косцов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор физико-математических наук, тел. (383)330-79-86, e-mail: kostsov@iae.nsk.su

В работе описывается новый принцип создания быстродействующего теплового приемника ИК-излучения. Он основан на использовании пироэлектрического эффекта в тонких высококачественных кристаллических пленках. Конструкция приемника исключает необходимость его теплоизоляции, его работа основана на генерации и накоплении заряда при воздействии импульсов излучения. Создана математическая модель чувствительного элемента и приведены экспериментальные исследования особенностей его функционирования, показано их соответствие модельным представлениям.

Ключевые слова: пироэлектричество, ИК-излучение, тонкая пленка, ниобат бария-стронция, импульс излучения.

FAST RESPONSE UNCOOLED THERMAL IR-RADIATION DETECTOR

Svyatoslav D. Ivanov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Kop-tyug Prospect, graduate student, tel. (383)330-79-86, e-mail: ivanow183@mail.ru

Eduard G. Kostsov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Kop-tyug Prospect, D. Sc., tel. (383)330-79-86, e-mail: kostsov@iae.nsk.su

A new approach of development of a fast-response thermal IR detector is described. The physical principle behind the functioning of the element is the pyroelectric effect in thin high-quality crystalline films. The element does not need to be thermally insulated and its work is based on the generation and accumulation of charge during action of radiation pulses. A mathematical model of the element has been created and experimental studies of features of element functioning have been conducted. The correspondence of experimental data and the model was shown.

Key words: pyroelectricity, IR-radiation, thin film, strontium barium niobate, radiation pulse.

Неохлаждаемые тепловизионные устройства получили широкое распространение в различных сферах деятельности человека. Среди них можно отметить промышленную термографию, не разрушающий контроль состояния и диагностику энергетического оборудования, мониторинг исправности элементов городской инфраструктуры [1]. Все большее применение находит термография в медицинских приложениях при выявлении заболеваний органов человека, которые сопровождаются локальным изменением нормальной температуры,

а также при диагностике воспалительных, сосудистых, опухолевых заболеваний [2]. В военной отрасли неохлаждаемые ИК матрицы используются для создания тепловизионных камер и прицелов, работоспособных в условиях нулевой видимости [3].

Современные тепловые приемники регистрации ИК-излучения, пироэлектрические и болометрические, основаны на обеспечении максимальной теплоизоляции чувствительного элемента. В них используется режим детектирования излучения, основанный на накоплении тепла от воздействия энергии излучения в объеме приемника за время кадра. С этой целью чувствительный элемент максимально теплоизолируется от подложки. В матрицах тепловых приемников теплоизоляция достигается за счет использования технологии глубокого и сухого травлении кремния, с применением «жертвенных» слоев (полии-мида, поликремния и т. п.). На поверхности созданных таким путем мембранных конструкций с толщинами менее 1 мкм, удерживаемых над поверхностью подложки на высоте порядка 2 мкм, с помощью микробалок, поддерживающих «ног», размещается фоточувствительный элемент - тонкопленочная структура.

В России одним из наиболее практически используемых одноэлементных ИК-приемников является МГ-33, выпускаемый в АО НПП «Восток». Его работа основана на использовании пироэлектрического эффекта в тонких органических пленках поливенилдентофторида (ПВДФ), величина пироэлектрического коэффициента в которых равна 0.2-0.510-4 Кл/(м2К), обнаружительная способность не менее 3 108 смГц1/2/Вт-1, [4]. На рис. 1 изображена его схематическая конструкция, иллюстрирующая принцип теплоизоляции чувствительного элемента от подложки.

Рис. 1. Конструкция ИК-приемника МГ-33:

1 - поглощающий электрод; 2 - пленка ПВДФ; 3 - нижний электрод; 4 - микробалки, изолирующие элемент от подложки

Ранее нами был предложен новый подход к построению элемента тепловой матрицы приемников ИК-излучения, [5], основанный также на использовании пироэлектрического эффекта. Элемент не теплоизолируется от подложки, наоборот, достигается максимально возможный тепловой контакт твердое тело - твердое тело для обеспечения наиболее высокой скорости изменения средней

температуры элемента, после прекращения действия импульса излучения. В этом случае синтез пироэлектрической пленки осуществляется непосредственно на подложку, что значительно более технологично по сравнению с совокупностью процессов при создании теплоизолированных чувствительных элементов. Схематически элемент представлен на рис. 2.

Рис. 2. Конструкция элемента - многослойная структура

Целью настоящей работы является как экспериментальное, так и теоретическое исследование отклика указанных тонкопленочных пироэлектрических приемников излучения на воздействие коротких импульсов излучения, микро -наносекундный диапазон, а также определение реальных параметров таких приемников. Объектом исследования является тонкопленочная структура: поглощающий электрод - пироэлектрический слой - нижний электрод - подложка (рис. 2). Рассматривался случай, когда на поглощающий электрод поступает излучение в течение времени, tp, импульс излучения, а на другой границе - на поверхности подложки, поддерживается постоянная температура. Такое предположение допустимо в силу того, что толщина пироэлектрической пленки много меньше толщины подложки.

Для анализа нестационарного распределения температуры в указанной многослойной структуре была разработана математическая модель теплового процесса, позволяющая в каждый момент времени определять распределение температуры в этой структуре, в зависимости от интенсивности и длительности поступающего на поглощающий электрод излучения, и, соответственно, величину пироэлектрического сигнала, генерируемого в пироэлектрической пленке.

Показано, что для наиболее эффективного использования энергии излучения при генерации заряда, необходимо согласовывать длительность импульса излучения ^ с толщиной пироэлектрического слоя, dp, оптимальная величина ^ равна 2ё2Р /хр, где хр. - температуропроводность пироэлектрика.

При поглощении излучения в электроде (например, в тонкой пленке золотой черни) время первоначального отклика элемента определяется временем распространения тепловой волны в электроде (порядка dei2/Xei, где del - толщина электрода, xel - его температуропроводность). На рис 3 представлен пример зависимости пироэлектрического тока от величины del.

Рис. 3. Зависимость пироэлектрического тока от толщины поглощающего верхнего электрода, длительность импульса, tp - 2 мкс, dp = 1.5 мкм, I = 2 Вт/м2. Толщина верхнего электрода del: 1 - 0.01 мкм, 2 - 0.1 мкм, 3 - 0.5 мкм, 4 - 1 мкм

Проведено экспериментальное исследование поведения пироэлектрического тока в указанной структуре при воздействии на нее импульсов излучения. Объектом исследований являлись тонкопленочные структуры: 1ТО (нижний электрод)-SBN (пироэлектрический чувствительный слой)-Сг или А1 (верхний, поглощающий электрод). Пироэлектрические гетероэпитаксиальные пленки SBN (Ваа^го^^^) были синтезированы на поверхности пленок ГГО, (Гп^3 +10 % SnO2), которые осаждались на поверхность кремния или сапфира, они имеют высокое значение пироэлектрического коэффициента, у, до 8 - 20 10-4 Кл/(Км2), абсолютное значение которого определялось методом низкочастотной модуляции температуры, [6]. В качестве поглощающего электрода использовались тонкие пленки А1 или Сг. Источником импульсного излучения служил полупроводниковый лазер, модулированный импульсами напряжения с фронтами 50-100 нс и частотой следования от 4 до 700 кГц. Плотность потока энергии поглощаемой в электроде составляла 102 - 103 Вт/м2 (в абсолютном выражении 100-300 мкВт).

Образцы являлись генераторами пироэлектрического тока, Jp, который с помощью быстродействующего трансимпедансного усилителя линейно преобразовывался в напряжение, подаваемое на цифровой осциллоскоп, позволяющий фиксировать форму и параметры пиротока при различных частотах модуляции и напряжениях смещения на элементе. Площадь исследуемых элементов составляла 5 10-7 м2.

Типичное модельное поведение пироэлектрического тока, Jp(t), в указанной многослойной структуре с величиной dp равной 3 мкм, при воздействии на нее импульса излучения длительностью ^ = 500 нс представлена на рис. 3, график 1. Кривая 2 является зависимостью поступающего на элемент излучения от времени Щ), а кривая 3 характеризует поведение средней по объему пироэлек-трика температуры, Тср^). Все величины представлены в безразмерном виде.

Рис. 3а. Модельное описание Рис. 3б. Эксперимент

На рис. 3б представлена экспериментальная кривая описывающая поведение Jp(t) (график 1), а кривая Щ) описывает проведение импульса излучения (график 2), его длительность 800 нс, а плотность 103 Вт/м2, ^ = 3 мкм. Как видно, модельные представления качественно соответствуют экспериментальными данными.

Оценки показывают, что при размерах указанного элемента 12 х 12 мкм, он обладает высокой обнаружительной способностью, D*, близкой к теоретическому пределу, до 1010 смТц05/Вт-1. При более высокой по сравнению с современными микроболометрами его технологичностью, можно полагать, что на основе таких элементов могут быть созданы мегапиксельные неохлаждаемые ИК матрицы для регистрации теплового изображения.

Таким образом, разработан и экспериментально исследован быстродействующий приемник ИК-излучения на основе нетеплоизолированных тонких пироэлектрических пленок. Создана математическая модель элемента, установлено хорошее соответствие экспериментального поведения пироэлектрического тока в многослойной тонкопленочной структуре на основе ниобата бария стронция с его модельным описанием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Shakmak B., Al-Habaibeh A. Detection of Water Leakage in Buried Pipes Using Infrared Technology // IEEE Jordan Conf. Appl. Electr. Eng. Comput. Technol. 2015.

2. Иваницкий Г. Р. Тепловидение в медицине // Вестник Российской академии наук. -2006. - Т. 76, вып. 1. - С. 48-62.

3. Corsi C. A Key Technology for Security Systems // Adv. Opt. Technol. - 2012. - Vol. 2. -P. 1-15.

4. НПП «Восток» ФГУП [Электронный ресурс] // Малогабаритный приемник оптического излучения пироэлектрический. - Режим доступа: www.vostok.nsk.su/files/pdf/MG33.pdf.

5. Иванов С. Д., Косцов Э. Г. Тепловые приемники многоэлементных неохлаждаемых тепловизионных матриц. Ч. II: Новые, нетеплоизолированные элементы // Автометрия. -2016. - Т. 52, вып. 1. - С. 104-115.

6. Garn L.E. Use of low-frequency sinusoidal temperature waves to separate pyroelectric currents from nonpyroelectric currents . Part I . Theory // Journal of Applied Physics - 1982. -Vol. 53. - P. 8974-8979.

© С. Д. Иванов, Э. Г. Косцов, 2017

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.