CC BY
71
УДК 621.38.3; 53.082.62
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ПРИЕМНИК ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК
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
Виктор Сергеевич Соболев
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, доктор технических наук, тел. (383)333-28-39, e-mail: sobolev@iae.nsk.su
Рассматриваются характерные особенности регистрации коротковременных импульсов ИК-излучения с помощью приемников на основе тонких пироэлектрических пленок.
Ключевые слова: пироэлектричество, наносекундые импульсы, тонкая пленка, ИК-излучение, трансимпедансный усилитель.
FAST RESPONSE IR-RADIATION DETECTOR BASED ON PYROELECTRIC FILMS
Svyatoslav D. Ivanov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptug ave. 1, Ph. D. student, tel. (383)330-79-86, e-mail: ivanow183@mail.ru
Eduard G. Kostsov
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptug ave. 1, Ph. D., tel. (383)330-79-86, e-mail: kostsov@iae.nsk.su
Victor S. Sobolev
Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Koptug ave. 1, Ph. D., tel. (383)333-28-39, e-mail: sobolev@iae.nsk.su
This paper is devoted to the study of specific features of short pulse IR-radiation registration.
Key words: pyroelectricity, nanosecond pulses, thin film, IR-radiation, transimpedance amplifier.
В настоящее время для регистрации энергии ИК излучения наиболее широко применяются два класса тепловых приемников, болометрические и пироэлектрические. В первом из них c изменением температуры изменяется электрическое сопротивление, во втором случае имеет место чувствительность элемента не к значению температуры, а к скорости ее изменения.
Пироэлектрические элементы не требуют использования источников напряжения, поскольку сами в момент воздействия излучения, являются генера-
торами тока. Это определяет и отсутствие шумов, характерных для микроболометров, и дает возможность оценивать предельную теоретическую чувствительность пироэлектрических элементов значительно выше, чем болометрических. В настоящее время производится несколько десятков типов одноэлементных пироэлектрических инфракрасных устройств, как отечественными, так и зарубежными фирмами.
Одноэлементные приемники основаны как на использование одного из лучших пироэлектрических материалов - керамики танталата лития LiTaO3, так и органических пироэлектриков. Они имеют обнаружительную способность, D , в частотном диапазоне 10 - 300 Гц, близкую к предельным для тепловых приемников с теоретическим значениям, до 2 109 смHz1/2W-1.
Известны экспериментальные работы, описывающие возможность регистрации коротких импульсов излучения, наносекундный диапазон, с использованием тонких монокристаллов LiTaO3 или тонкой керамики, типа PZT, с толщиной 200 - 300 мкм. В то же время из общефизических представлений следует, что с уменьшением толщины пироэлектрического слоя чувствительность приемника увеличивается.
Целью настоящей работы являлось исследование отклика тонкопленочного пироэлектрического приемника излучения на воздействие коротких импульсов излучения.
Объектом исследования были тонкопленочные структуры: электрод -пироэлектрический слой - электрод - подложка. Рассматривался случай, когда излучение поступает на поглощающий электрод в течение времени, импульс излучения, а на другой границе поддерживается постоянная температура.
Поток излучения Щ) преобразуется в тепловой поток аЩ) (а - коэффициент поглощения излучения), который, проходя через поглощающий электрод с толщиной dэ создает в пироэлектрике поток тепла F.
Для описания поведения пироэлектрического тока создана математическая модель распределения температуры, Т(хД), в многослойных тонкопленочных структурах, включая пироэлектрическую пленку, когда энергия излучения выделяется во внешнем тонком электроде, расположенном на поверхности пироэлектрического слоя. Величина пироэлектрического тока, Jp, определяется как Jp(t)= Sy*d(TCp(t))/dt, где S - площадь электрода, ^ - средняя по толщине пиро-электрика температура, у - величина пироэлектрического коэффициента, его
Л
размерность Кл/м град. Очевидно, что чем тоньше пироэлектрический слой, тем больше величина Jp(t) и величина удельного заряда генерируемого единицей энергии излучения, К/Дж.
Типичный характер изменения пироэлектрического тока Jp, и Тср, с уменьшением длительности излучения, следующий: быстрое первоначальное уменьшение величины Jp(t), которое связано с уменьшением потока тепла на границе раздела электрод - пироэлектрик ^pdT/dx поскольку температура в первые моменты времени увеличивается именно в этой области, и чем меньше dp тем быстрее уменьшается ^pdT/dx.
Когда 1р больше времени тепловой релаксации пироэлектрической пленки ё р/хР (где хР - температуропроводность материала пироэлектрика), после окончания действия импульса происходит уменьшение Тср, сопровождаемое проявлением тока противоположной полярности, при этом амплитуды токов, при нагреве и охлаждении образца близки.
С уменьшением 1р в первые моменты времени величина 1р(1:) практически не изменяется, но генерируемый заряд уменьшается. При дальнейшем уменьшении 1р эта закономерность сохраняется, но передний фронт импульса тока все в большей степени определяется толщиной поглощающего электрода, ёэ, его тепловой емкостью, см. рис.1, на котором представлена чувствительность 1р(1:) к вариации ёэ при действии на образец импульса излучения с 1р = 0.5 нс и 1(1) = 20 Вт/м2.
^ сек
Рис. 1. Влияние толщины поглощающего электрода на 1р(1:)
При воздействии на образец серии коротких импульсов излучения происходит постепенное установление равновесной температуры в объеме пироэлектрической пленки, в течении общего времени ё р/хр с перераспределением во времени соотношения положительного и отрицательного зарядов, генерируемых при каждом такте модуляции излучения, в установившимся режиме эти зао
ряды равны (5 нс, энергия 10" Дж, заряд при величине ёэ =0.01 мкм составляет 7.35 К/Дж).
В рамках указанной модели следует, что минимальное время, 1мин, реакции образца на короткие импульсы излучения определяется временем тепловой релаксации поглощающего электрода, в первом приближении равной ё э/хэ, где х -
п 5 2
температуропроводность его материала. Полагая что ёэ = 10" м, х = 10" м /сек,
п
имеем 1мин ~ 1 нс, при ёэ = 10" м, 1мин ~ 10 пс.
Проведено экспериментальное исследование кратковременных пироэлектрических токов в тонкопленочных структурах: ГГО-8ВК-Сг(А1). Пироэлектрические гетероэпитаксиальные пленки БВК (Вао.5Зг05КЪ2О6) с толщиной порядка 1 мкм, синтезированы на поверхности пленок 1ТО, (1п2О3 +10% БпО2) или Р1:,
расположенных на подложках кремния или сапфира. Монокристаллические пленки SBN, синтезированные на поверхности ITO, имеют высокое значение
4 2
пироэлектрического коэффициента до 8-20-10- Кл/м , абсолютное значение которого определялось методом низкочастотной модуляции температуры [1- 3]. Величина диэлектрической проницаемости s, достигает значений 1000-5000.
Цель исследований состояла в экспериментальном подтверждении возможности создания широкополосного по длинам волн быстродействующего пироприемника. Элемент облучался лазером, мощность которого модулировалась с изменением длительности и частоты импульсов излучения.
Как известно, для широкого круга пироэлектрических материалов - сегне-тоэлектриков соотношение s/y0,5 является константой, (см., например, [4]), поэтому удельная емкость исследуемых структур, обладающих высоким значени-
3 2
ем s, достаточно высока, до 10-3 Ф/м2 и более. Площадь исследуемых элементов
7 2
составляла 5 10- м , их большая емкость накладывает определенные ограничения на точность оценки формы коротких импульсов пироэлектрического тока. Последний с помощью быстродействующего трансимпедансного усилителя линейно преобразовывался в напряжение, подаваемое на вход широкополосного цифрового осциллографа. Это давало возможность фиксировать форму и параметры пиротока. Основной узел измерительного стенда - трансимпедансный усилитель построен на двух широкополосных операционных усилителях с обратной связью по току типа AD-8001. Первый усилитель собран по схеме преобразователя ток/напряжение с сопротивлением обратной связи 1 кОм, а второй служит усилителем напряжения с коэффициентом усиления 10. Связь между выходным напряжением и пиротоком линейна U « 5000 Jp. Пироток в 1 мкА дает на выходе усилителя напряжение 5 мВ. Установлено, что частотная характеристика пироприемника простирается до 100 МГц, а длительность фронта импульса выходного напряжения при освещении лазерным импульсом составляет 50 нс. Применение преобразователя ток/напряжение позволяет существенно снизить влияние емкости пироэлемента, поскольку входное сопротивление такого преобразователя очень низкое, оно равно сопротивлению входного транзистора, деленному на коэффициент усиления операционного усилителя. Если, например, входное сопротивление транзистора равно 10 кОм, а коэффициент усиления усилителя реально составляет 10000, то входное сопротивление составит порядка 1 Ом.
Типичные примеры поведения пироэлектрического тока в многослойной структуре, при толщине пироэлектрической пленки 1.25 мкм, представлены на рис.3, где верхние желтые кривые - импульсы излучения, нижние синие - пироэлектрический ток, поглощающий электрод - пленка Cr, с толщиной 0.1 мкм,
7 2 3 2
сопротивление нагрузки 4.7 кОм, площадь образца 10- м , I = 10 Вт/м .
Анализ экспериментальных данных дает возможность утверждать, что поведение пироэлектрического тока в исследуемых структурах достаточно точно соответствует созданной теоретической модели распределения температуры в многослойной тонкопленочной структуре, включая пироэлектрик, когда энер-
гия излучения выделяется во внешнем тонком электроде, расположенном на поверхности пироэлектрического слоя. Установлено, что максимальная величина генерируемого заряда энергией, поступающей на образец за каждый такт, длительность которого меньше времени перемещения тепловым фронтом межэлектродного расстояния вне зависимости от площади электродов и длительности импульсов излучения, составляет 1-4-10" Кл/Дж. Эта цифра при указанных значениях у и ёр соответствует теоретически возможной величине.
Проведенные исследования показали, что основе описанных тонкопленочных структур может быть создано новое семейство высокочувствительных быстродействующих неохлаждаемых тепловизионных устройств [5].
0.02-
0.01 -
0.00
-0.01 -
-0.02
-0.03
-1х10-5-1х10-5-8х10-6-6х10-6-4х10-6-2х10-6 0 2 ^ сек
Рис. 2. а) Пироэлектрический ток в пленках БВМ Ь) - оцифровка пироэлектрического тока и импульсов излучения
Заключение
Показана возможность создания нового поколения быстродействующих детекторов инфракрасных излучений с полосой пропускания до 100 МГц и более.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Анцыгин В.Д., Косцов Э.Г., Соколов А.А. Пироэлектричество в тонких сегнето-электрических пленках // Автометрия. -1986. - № 2. С. 30 - 40.
2. Косцов Э.Г. Микроэлектронные тепловизионные системы на основе тонких сегне-тоэлектрических пленок // Микроэлектроника, 1996, №3, С. 177 -186.
3. Kostsov E.G. Ferroelectric barium-strontium niobate films and multi-layer structures // Ferroelectrics, 2005, 314, pp.169-187.
4. Кузьминов Ю.С. Сегнетоэлектрические кристаллы для управления лазерным излучением // Москва «Наука», 1982 г.
5. Иванов С.Д., Косцов Э.Г. Тепловые приемники неохлаждаемых многоразмерных тепловизионных матриц, Часть 2. Новые, не теплоизолированные элементы // Автометрия, 2016, №1, С. 104-115.
© С. Д. Иванов, Э. Г. Косцов, В. С. Соболев, 2016
