×
10.04.2014
216.012.b1f7

НАНОСТРУКТУРНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК (БОЛОМЕТР) С БОЛЬШОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПОГЛОЩЕНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих шинок. ТЧЭ и ПЭЭ объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала BiSb (0l/χ, где χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной, χ - температуропроводность материала мембраны. Технический результат заключается в упрощении конструкции и повышении удельной обнаружительной способности устройства. 1 ил.
Основные результаты: Наноструктурный ИК-приемник (болометр) с большой поверхностью поглощения, состоящий из диэлектрической мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к твердой подложке с помощью токопроводящих шинок, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и, в итоге, повышения удельной обнаружительной способности D* (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала BiSb (0l/χ, где χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух), χ - температуропроводность материала мембраны.
Реферат Свернуть Развернуть

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к болометрическому детектору и устройству для детектирования инфракрасного излучения, использующему такой детектор. Изобретение может применяться, в частности, в тепловизионной технике, и может быть использовано в тепловизорах смотрящего типа в качестве чувствительного элемента матричных приемников, и предназначено для работы во всем ИК-диапазоне длин волн М для создания тепловых изображений предметов в ночное время суток.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В области техники, относящейся к инфракрасным детекторам, известны болометрические приемники, которые, как правило, включают в себя: средство поглощения инфракрасного излучения и преобразования его в тепло (поглотитель); средство термоизоляции детектора, обеспечивающее возможность максимального возрастания его температуры в результате воздействия инфракрасного излучения; термометрическое средство, в котором в случае болометрического детектора используют резистивный элемент.

Обычно болометр состоит из мембраны, на которой расположен термочувствительный элемент (ТЧЭ) и поглотитель электромагнитной энергии (ПЭЭ). Часто функции ТЧЭ и ПЭЭ совмещаются в одном элементе, например, в случае болометров, изготовленных на основе VOx. Если в качестве (ТЧЭ) применяется полупроводник типа аморфного кремния, то ПЭЭ изготавливают обычно нанесением пленки металла, которая имеет небольшой коэффициент поглощения: обычно всего несколько процентов. Иногда ограничиваются тем, что роль ПЭЭ выполняет мембрана, изготовленная из окиси кремния и нитрида кремния. Чтобы получить низкую теплопроводность между болометром и его окружением, болометр помещается на длинных шинках с небольшой площадью поперечного сечения, состоящих из материалов с низкой теплопроводностью, как правило, покрытых тонким слоем металла, который обеспечивает электрический контакт между болометром и электронной схемой считывания сигнала. Тепловая проводимость между чувствительным элементом (ЧЭ) болометра и его контактной областью может быть на уровне 3,5 10-8 Вт/K.

Фактор заполнения пикселя определяет долю занимаемой болометрами площади пикселя, которая используется для поглощения падающего инфракрасного излучения. Остальные области пикселей занимают контактные области болометра, интервалы между болометрами, и соседними мембранами болометров, и переходными окнами, которые соединяют болометр и пластину с интегральной схемой считывания. Обычные одноуровневые инфракрасные матричные болометры, как правило, имеют коэффициент заполнения от 60% до 70%.

Аналоги предлагаемого изобретения описаны в литературе, см., например, патент РФ на изобретение №2356017 от 20.05.2009; патент РФ на изобретение №2383875 от 15.03.2006; Филачев A.M., Андрюшин С.Я. Состояние разработок микроболометрических матриц в Государственном научном центре «НПО Орион». Прикладная физика, №5, 2000, с.5-17.

В предшествующем уровне техники описан ряд различных вариантов компоновки разнообразных составляющих элементов детекторов с целью максимизации полезной площади болометра, которые значительно усложняют конструкцию болометров. Максимизация достигается за счет более рационального использования площади проводящих шинок, соединяющих болометр со схемой считывания. Однако это не приводит к увеличению основного параметра - удельной обнаружительной способности D*, потому что авторы не учитывают влияния на характеристики детектора избыточного шума, связанного, в частности, с эффектами истечения заряда с межкристаллитных острий в поликристаллических пленках.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В заявленном ИК-приемнике (болометре) предлагается упростить его конструкцию, заменив три элемента: термочувствительный элемент (ТЧЭ), поглотитель электромагнитной энергии (ПЭЭ) и контакты на мембране, одним элементом, выполненным на мембране, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала Bi1-xSbx (0<x<12), максимально покрывающего поверхность мембраны. Этот элемент включает полоску шириной а и длиной b, отделенную узким зазором шириной l от остальной части покрытия, кроме концов полоски ширины а, соединенных с остальной частью покрытия, которая разделена зазором m на две части, каждая из которых соединена со своей токопроводящей шинкой, а обе эти части электрически соединены указанной полоской.

Поглощение энергии излучения происходит на всей площади элемента, максимально покрывающего поверхность мембраны, причем тонкопленочный монокристальный материал Bi1-xSbx (0<х<12) выполняет как функции поглотителя ИК-излучения, так и термочувствительного элемента (ТЧЭ), при этом величина шума за счет применения в качестве ТЧЭ монокристальных пленок, в которых отсутствуют межострийные шумы, характерные для поликристаллических материалов, снижена до предельного уровня шумов Найквиста-Джонсона.

Зазор, отделяющий полоску от остальной части элемента, не влияет существенно на величину средней температуры мембраны в силу малости зазора. В самом деле, постоянная времени выхода температуры (τ) на стационарное состояние при воздействии прямоугольным импульсом излучения составляет:

τ=S/χ1,

где S - площадь мембраны, χ1 - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух).

С другой стороны, оценка характерного времени (t) «выравнивания» температур указанной полоски остальной части элемента и мембраны дает:

t=l22,

где l - ширина зазора, χ2 - температуропроводность материала мембраны.

Когда выполняется соотношение: τ>t, т.е.

S/χ1>l22,

можно считать, что средние температуры полоски и мембраны одинаковы.

При выполнении условий: R/2Z<1, где R - удельное поверхностное сопротивление пленки, Z=120π Ом - импеданс свободного пространства, и величине зазора между мембраной и подложкой, равного λ/4, коэффициент поглощения ИК-приемника может составить величину 70%-80% в широком диапазоне длин волн Δλ.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен схематичный план вида ИК-приемника (болометра) в аксонометрической проекции: к подложке 1 (обычно кремний) прикреплена диэлектрическая мембрана 2, на которую нанесено покрытие 3 из тонкопленочного монокристального материала Bi1-xSbx (0<х<12), мембрана 2 крепится к подложке шинками 4, на которой расположены токопроводящие шинки 5, соединяющие ИК-приемник с контактами 6, необходимыми для подключения болометра в измерительную схему, в покрытии 3 выполнена полоска 7, которая отделена зазорами шириной l от остальной части покрытия, кроме концов полоски шириной а, соединенных с остальной частью покрытия, разделенного щелью 8 на две части, каждая из которых соединена со своей токопроводящей шинкой, а обе эти части электрически соединены указанной полоской 7, которая является термочувствительным элементом, а 3 является основным поглотителем электромагнитной энергии и одновременно выполняет роль контактов к полоске 7.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Для практического осуществления предложенного изобретения болометрический детектор был изготовлен на пластине из кремния, на который было нанесено четырехслойное тонкопленочное покрытие, имеющее такой же коэффициент линейного расширения, как и у кремния (SiO2+Si3N4+SiO2+Si3N4), под которым была вытравлена полость глубиной 2,5 мкм (основная поверочная длина волны λ=10 мкм) и площадью 70×70 мкм2. Таким образом с помощью фотолитографии была изготовлена теплоизолированная от подложки из кремния мембрана 2, на которую наносили покрытие 3 из тонкопленочного монокристального материала Bi1-xSbx, где x=8%. Этот материал относится к классу полуметаллов с концентрацией свободных электронов 10-5 на атом. Температурный коэффициент сопротивления ТЧЭ равен 0,7%/K, а монокристальное исполнение пленок обеспечивает предельно низкий уровень шумов , где k = постоянная Больцмана, R0 - полное сопротивление ТЧЭ. В покрытии была выполнена полоска 7 шириной 0,1 мкм. Полоска имеет следующие геометрические параметры: длина 50 мкм, толщина пленки ~80 нм, полная приемная площадь ~60×60 мкм2. R0~130 кОм. Измерения уровня шума и вольт/ваттной чувствительности проводилось при напряжении смещения U на ТЧЭ~11 В. Не обнаружено зависимости напряжения шумов Uш от величины приложенного напряжения смещения, и в полосе 1 Гц Uш оказалось равным 47 нВ.

Устройство работает следующим образом. При воздействии на болометрический приемник импульсом прямоугольной формы электромагнитной волны происходит интенсивное поглощение энергии всем покрытием, что приводит к нагреву полоски 7 и остальной части покрытия и изменению его эффективного сопротивления на величину ΔR=R0αΔT, где ΔT - изменение температуры, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления.

Измерения вольт/ваттной чувствительности W проводились с использованием излучающего черного тела при температуре 500 K, светофильтра из InSb и механического модулятора. Получены оценочные значения W~4500 В/Вт и D*~2,6*109 Вт-1 смГц, τ~10-2 с.

Наноструктурный ИК-приемник (болометр) с большой поверхностью поглощения, состоящий из диэлектрической мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к твердой подложке с помощью токопроводящих шинок, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции и, в итоге, повышения удельной обнаружительной способности D* (ТЧЭ) и (ПЭЭ) объединены в одном элементе, который выполнен в виде покрытия из тонкопленочного монокристального материала BiSb (0l/χ, где χ - температуропроводность среды, непосредственно контактирующей с мембраной (в данном случае воздух), χ - температуропроводность материала мембраны.
НАНОСТРУКТУРНЫЙ ИК-ПРИЕМНИК (БОЛОМЕТР) С БОЛЬШОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ПОГЛОЩЕНИЯ
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 1-10 of 19 items.
27.02.2013
№216.012.2b55

Устройство и способ получения наночастиц

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к плазменным методам осаждения наночастиц на подложку, которые могу быть использованы в качестве катализаторов, как чувствительные элементы датчиков и как магнитные запоминающие среды. Устройство для получения магнитных наночастиц на подложке...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476620
Дата охранного документа: 27.02.2013
10.06.2013
№216.012.46b8

Лезвие офтальмохирургическое

Изобретение относится к медицине и представляет собой лезвие офтальмохирургическое. Лезвие офтальмохирургическое содержит корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку. Основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002483684
Дата охранного документа: 10.06.2013
20.06.2013
№216.012.4aff

Лезвие офтальмохирургическое

Изобретение относится к офтальмологии. Лезвие офтальмохирургическое содержит корпус с основанием из монокристаллического кремния и режущую кромку, основание корпуса и клинообразная режущая кромка покрыты слоями термически выращенного диоксида кремния (SiO) толщиной (700÷1200)Å и карбида кремния...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002484781
Дата охранного документа: 20.06.2013
27.07.2013
№216.012.5a7c

Способ измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств. Способ включает формирование на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей, из которых формируется...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488785
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.08.2013
№216.012.60a2

Способ приготовления пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок титаната бария-стронция

Изобретение относится к области химического синтеза гетерометаллических пленкообразующих растворов, базирующихся на совместном использовании алкоксидных и карбоксилатных производных металлов. В способе раздельно растворяют металлические барий и стронций в смеси органического растворителя и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490370
Дата охранного документа: 20.08.2013
10.01.2014
№216.012.95d3

Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления

Использование: при производстве сверхпроводниковых интегральных схем (СПИС) различного назначения. Сущность изобретения: СПД на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры содержит два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002504049
Дата охранного документа: 10.01.2014
10.03.2014
№216.012.aa39

Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов. Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств включает в себя генератор, регулятор амплитуды, усилитель...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509292
Дата охранного документа: 10.03.2014
20.03.2014
№216.012.ad51

Способ записи и воспроизведения информации

Предложен способ записи и воспроизведения информации. В способе воздействуют на поверхность записываемого слоя образца циркулярно-поляризованным светом, вводимым в волновод ближнепольным сканирующим оптическим микроскопом. В качестве образца используют наноструктурированную пленку силицидов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510084
Дата охранного документа: 20.03.2014
10.05.2014
№216.012.c204

Приемник ик-излучения болометрического типа

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515417
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.06.2014
№216.012.cc00

Газотурбинная установка с впрыском жидкости в контур гту

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка (ГТУ) с впрыском жидкости в контур ГТУ оснащена системой подачи и смешения активатора горения с жидкостью, подаваемой в контур ГТУ. Активатор горения представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517995
Дата охранного документа: 10.06.2014
Showing 1-10 of 24 items.
27.02.2013
№216.012.2b55

Устройство и способ получения наночастиц

Изобретение относится к нанотехнологии, в частности к плазменным методам осаждения наночастиц на подложку, которые могу быть использованы в качестве катализаторов, как чувствительные элементы датчиков и как магнитные запоминающие среды. Устройство для получения магнитных наночастиц на подложке...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002476620
Дата охранного документа: 27.02.2013
27.07.2013
№216.012.5a7c

Способ измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств

Изобретение относится к микромеханике и предназначено для измерения амплитудно-частотных характеристик подвижных элементов микромеханических устройств. Способ включает формирование на неподвижных обкладках конденсатора гармонических сигналов с постоянной составляющей, из которых формируется...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488785
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.08.2013
№216.012.60a2

Способ приготовления пленкообразующих растворов для формирования сегнетоэлектрических пленок титаната бария-стронция

Изобретение относится к области химического синтеза гетерометаллических пленкообразующих растворов, базирующихся на совместном использовании алкоксидных и карбоксилатных производных металлов. В способе раздельно растворяют металлические барий и стронций в смеси органического растворителя и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490370
Дата охранного документа: 20.08.2013
10.01.2014
№216.012.95d3

Сверхпроводящий прибор джозефсона и способ его изготовления

Использование: при производстве сверхпроводниковых интегральных схем (СПИС) различного назначения. Сущность изобретения: СПД на основе многослойной тонкопленочной гетероструктуры содержит два слоя сверхпроводника, образующих электроды, и прослойку с металлической проводимостью между ними из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002504049
Дата охранного документа: 10.01.2014
10.03.2014
№216.012.aa39

Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля качества микромеханических элементов. Устройство измерения резонансных частот и добротности подвижных элементов микромеханических устройств включает в себя генератор, регулятор амплитуды, усилитель...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002509292
Дата охранного документа: 10.03.2014
20.03.2014
№216.012.ad51

Способ записи и воспроизведения информации

Предложен способ записи и воспроизведения информации. В способе воздействуют на поверхность записываемого слоя образца циркулярно-поляризованным светом, вводимым в волновод ближнепольным сканирующим оптическим микроскопом. В качестве образца используют наноструктурированную пленку силицидов...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510084
Дата охранного документа: 20.03.2014
10.05.2014
№216.012.c204

Приемник ик-излучения болометрического типа

Изобретение относится к области создания детекторов инфракрасного излучения и касается болометрического ИК-детектора. Детектор состоит из мембраны площадью S с термочувствительным элементом (ТЧЭ) и поглотителем электромагнитной энергии (ПЭЭ), прикрепленной к подложке с помощью токопроводящих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515417
Дата охранного документа: 10.05.2014
10.06.2014
№216.012.cc00

Газотурбинная установка с впрыском жидкости в контур гту

Изобретение относится к энергетике. Газотурбинная установка (ГТУ) с впрыском жидкости в контур ГТУ оснащена системой подачи и смешения активатора горения с жидкостью, подаваемой в контур ГТУ. Активатор горения представляет собой вещество, которое при повышенных температурах легко диссоциирует с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517995
Дата охранного документа: 10.06.2014
20.07.2014
№216.012.df52

Способ получения наноструктуированных слоев магнитных материалов на кремнии для спинтроники

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам получения магнитных сред для записи информации с высокой плотностью. Способ получения наноструктурированных слоев магнитных материалов на кремнии для спинтроники включает магнетронное распыление составной мишени, состоящей...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522956
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.08.2014
№216.012.ef04

Газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси

Газотурбинная установка с подачей паро-топливной смеси содержит компрессор для сжатия воздуха, топливный насос для подачи топлива, средства для подачи паро-топливной смеси, камеру сгорания, газовую турбину, электрогенератор для выработки электроэнергии, механические средства для передачи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002527007
Дата охранного документа: 27.08.2014
+ добавить свой РИД