Сканирующее матричное фотоприемное устройство

Настоящее изобретение относится к сканирующим матричным фотоприемным устройствам (МФПУ) - устройствам, преобразующим входное оптическое изображение, формируемое объективом, в заданный спектральный диапазон, а затем в выходной электрический видеосигнал с помощью сканирования изображения. Например, сканирующее инфракрасное (ИК) МФПУ предназначено для работы в диапазонах (1-1,7) мкм, (1,7-2,4) мкм, (2,4-3) мкм, (3-5) мкм, (8-12) мкм, а сканирующее ультрафиолетовое (УФ) МФПУ предназначено для работы в диапазонах (0,25-0,34) мкм и (0,34-0,5) мкм. В указанных спектральных диапазонах матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ) МФПУ изготовлены на основе полупроводниковых структур из InSb и твердых растворов Al_xGa_1-xN, In_xGa_1-xAs, Cd_xHg_1-xTe, а также на основе квантовых ям, сверхрешеток и т.д. Целью настоящего изобретения является повышения длительности наработки при сохранении критерия дефектности МФПУ.

Поставленная цель достигается тем, что в МФПУ, включающем N каналов, подчиняющемся заданному критерию дефектности по пороговой фотоэлектрической характеристике, по вероятности безотказной работы, по количеству и расположению дефектных и неработоспособных каналов, число фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в канале M₁ превышает число ФЧЭ М, необходимое для получения заданной пороговой фотоэлектрической характеристики.

Сканирующие МФПУ используются в различных системах наблюдения, обзора, дальнометрии, пеленгации и т.д. Сканирующие МФПУ могут иметь различные форматы, спектральные диапазоны чувствительности и фотоэлектрические параметры, но каждое устройство предназначено для решения конкретной технической проблемы.

Необходимыми компонентами сканирующего МФПУ являются, по крайней мере, одна матрица фоточувствительных элементов (МФЧЭ) и стыкованная с ней большая интегральная схема (БИС), расположенные под светоограничительным экраном с диафрагмой, закрытой светофильтром, в вакуумированном корпусе с оптическим окном, блок управления и питания МФПУ (БУП) и блок фиксации рабочей температуры (БФРТ) МФЧЭ и экрана. Схемное наполнение любого МФПУ многообразно и зависит от спектрального диапазона ФЧЭ, времени кадра, типа ФЧЭ, формата МФЧЭ, рабочей температуры МФЧЭ, температуры фонового излучения, необходимой пороговой фотоэлектрической характеристики и т.д. БФРТ, например, для космического применения работают в пассивном режиме, что означает, фактически, неограниченный срок службы.

Входное изображение, проецируемое на МФПУ с помощью оптической системы, движется относительно него так, что направление движения совпадает с направлением столбца (ряда) МФЧЭ. Развертка изображения осуществляется либо с помощью сканера, либо с помощью естественного движения МФПУ относительно регистрируемой картины, например на спутнике Земли. Тогда каждый элемент входного изображения проходит по всем ФЧЭ, расположенным в одном столбце (ряду) МФЧЭ. Сигналы ФЧЭ при регистрации излучения этого элемента входного изображения могут обрабатываться как внутри БИС, так и вне МФПУ различным образом (суммирование, усреднение, максимизация). Тогда, на выходе МФПУ мы получим или сигналы ФЧЭ, составляющих канал, для последующего суммирования, или суммарные выходные сигналы каналов МФПУ. Эти сигналы МФПУ являются электрическими сигналами, и они однозначно соответствуют распределению облученности регистрируемого изображения по площади МФЧЭ. Сигналы могут быть аналоговыми и/или цифровыми.

Пороговая фотоэлектрическая характеристика сканирующего МФПУ (пороговая облученность, пороговая мощность, пороговая разность температур, удельная обнаружительная способность, динамический диапазон), определяется как средняя величина по пороговым параметрам годных каналов. Пороговая фотоэлектрическая характеристика канала определяется параметрами ФЧЭ, составляющих его. Эта характеристика канала соответствует либо отдельному ФЧЭ, либо заданному количеству ФЧЭ, составляющих канал. Сигнал канала выше сигнала ФЧЭ при работе канала в режиме временной задержки и накопления (ВЗН) [W. Cabanski, W. Rode, J. Wendler, J. Ziegler, K. Eberhardt, R. Rehm, J. Schmitz, F. Fuchs, J. , M. Walther, 3rd Gen Focal Plane Array IR Detection Modules and Applications, Статья с сайта компании AIM-AEG Infrarot-Module GmbH].

Режим ВЗН - режим работы канала, при котором сигналы и шумы ФЧЭ канала суммируются. В этом случае интегральный сигнал канала увеличится, примерно в М раз, а интегральный шум канала в раз, где М - число ФЧЭ в канале. В этом режиме пороговые параметры канала улучшаются, примерно, в раз.

Сканирующие МФПУ является неремонтопригодными, и считаются годными, пока выполняется следующий критерий - каналы с заданными номерами должны быть работоспособными. Канал и ФЧЭ считаются работоспособными, пока их пороговые фотоэлектрические характеристики, вместе с остальными параметрами, не хуже заданных величин, удовлетворяющих физическим нормам. Продолжительность функционирования МФПУ при заданной вероятности безотказной работы определяется гамма-процентной наработкой. Продолжительность функционирования МФПУ, после которой вероятность его безотказной работы станет равна е^-1, называется средней наработкой до отказа. Сумма средней наработки и среднего времени хранения называется средним сроком службы МФПУ.

Сканирующие МФПУ могут работать в различных высокочувствительных системах наблюдения. Одним из важных применений является их функционирование без участия человека в различных системах космического мониторинга или в автоматизированных системах земного наблюдения, например, в труднодоступных местах на автоматических станциях.

Работа МФПУ в автономном режиме с заданным пороговым фотоэлектрическим параметром в составе ИК системы требует повышенную продолжительность наработки МФПУ с близкой к единице величиной вероятности безотказной работы. Высокое значение вероятности безотказной работы МФПУ требуется потому, что вероятность безотказной работы системы определяется произведением вероятностей безотказной работы всех частей системы и должна быть достаточно высокой в течение заданной продолжительности наработки. Поэтому, необходимая величина гамма-процентной наработки МФПУ при значении вероятности безотказной работы в диапазоне (0,95-0,99), а именно такие величины вероятности безотказной работы необходимы в любой автономной системе, должна составлять, примерно, от одного до 10 лет.

Прототипом настоящего изобретения является сканирующее МФПУ формата 6×480 ФЧЭ на основе КРТ, выпускаемое компанией SOFRADIR (Франция) под названием [SADA-II, работающее в спектральном диапазоне 7,7-10,3 мкм [W. Cabanski, W. Rode, J. Wendler, J. Ziegler, K. Eberhardt, R. Rehm, J. Schmitz, F. Fuchs, J. , M. Walther, 3rd Gen Focal Plane Array IR Detection Modules and Applications, Статья с сайта компании AIM-AEG Infrarot-Module GmbH],

МФПУ включает 480 каналов, по шесть ФЧЭ в каждом канале. Пороговой характеристикой является удельная обнаружительная способность канала D^*≥2,6⋅10¹¹ Вт^-1⋅см⋅с^-1/2 или пороговая разность температур канала NETD≤15 мК при Т=300 К, соответствующая работе шести ФЧЭ в режиме ВЗН. Средняя наработка данного МФПУ до отказа составляет величину около 15000 ч. Это означает, что гамма-процентная наработка МФПУ при γ=(0,95-0,98) составляет Т_γ=(300-770) ч. Такая величина слишком мала для автономной работы МФПУ в системе в течение нескольких лет.

Целью настоящего изобретения является повышения длительности наработки при сохранении критерия дефектности МФПУ.

Поставленная цель достигается тем, что в МФПУ, включающем N каналов, подчиняющемся заданному критерию дефектности по пороговой фотоэлектрической характеристике, по вероятности безотказной работы, по количеству и расположению дефектных и неработоспособных каналов, число фоточувствительных элементов (ФЧЭ) в канале M₁ превышает число ФЧЭ М, необходимое для получения заданной пороговой фотоэлектрической характеристики.

Заявляемое изобретение поясняется следующими рисунками:

Фиг. 1. Зависимость пороговой разности температур канала сканирующего МФПУ от количества ФЧЭ в канале М.

Фиг. 2. Зависимость вероятности безотказной работы канала сканирующего МФПУ с различным количеством ФЧЭ в канале и одинаковым критерием годности канала от продолжительности наработки t.

Фиг. 3. Зависимость вероятности безотказной работы сканирующих МФПУ форматов М×480 с различным количеством ФЧЭ в канале и одинаковым критерием годности МФПУ и канала от продолжительности наработки t

Рассмотрим суть заявляемого устройства.

Величина удельной обнаружительной способности или пороговой разности температур одиночного ФЧЭ или канала, содержащего i ФЧЭ (1≤i≤М) и работающего в режиме ВЗН, описывается выражениями (1) и (2) [А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, М.Д. Корнеева, В.В. Шабаров, Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика, №1, 2014 г, №1, С. 38],

где k_B - постоянная Больцмана;

h - постоянная Планка;

c - скорость света;

Т - температура фона;

λ₁ и λ₂ - границы фоточувствительности МФПУ, задаваемые холодным светофильтром;

где - полезный сигнал ФЧЭ или канала с номером j;

- интегральный шум ФЧЭ или канала с номером j.

Для канала из М ФЧЭ, с учетом, например, внешнего цифрового суммирования, имеем интегральный шум [А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, М.Д. Корнеева, В.В. Шабаров, Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика, №1, 2014 г, №1, С. 38],

и полезный сигнал канала [А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, М.Д. Корнеева, В.В. Шабаров, Аналитическая модель для расчета параметров матричных фотоприемных устройств, Прикладная физика, №1, 2014 г, №1, С. 38],

Считая, для простоты, ФЧЭ одинаковыми, получим в режиме ВЗН для (5), (6) и (7),

Величина NETD улучшается при увеличении числа ФЧЭ в канале М, что иллюстрирует фиг.1.

Предположим, что для получения заданного значения порогового параметра, необходимо, чтобы в канале было не менее чем М=6 ФЧЭ в течение необходимой гамма-процентной наработки (вообще М может быть любым).

Надежность функционирующих автономных устройств это безотказность, которая оценивается величиной средней наработки до отказа Т_ср, или величиной гамма-процентной наработки Т_γ, или величиной вероятности безотказной работы P(t). Безотказность - свойство устройства непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенного промежутка времени или наработки. Наработка - суммарная продолжительность непрерывной работы устройства до наступления отказа или предельного состояния, возникающего без технического обслуживания устройства, после наступления которого, полноценная работа устройства невозможна.

Вероятность безотказной работы (ВБР) - это вероятность того, что в пределах заданной наработки t отказ устройства (изделия) не возникает. Максимальная величина вероятности безотказной работы в самом начале наработки исправного устройства равна единице. С увеличением времени наработки величина P(t) постепенно снижается.

Надежность МФПУ определяется произведением надежностей всех его узлов. Следовательно, надежность МФПУ определяется наименее надежным узлом.

В условиях длительной автономной работы, факторами, определяющими надежность МФПУ или его узлов, являются:

- естественное «старение» их электронных компонентов, обусловленное жесткостью режимов питания аппаратуры, термодиффузией, приводящей к ухудшению параметров микросхем, транзисторов, диодов, и др.;

- дополнительное «старение», инициированное космическим облучением (γ-кванты, электроны, протоны и т.д.), создающим дефекты в используемых полупроводниковых структурах и ускоряющим отказы используемых устройств.

Естественное «старение» функционирующих интегральных схем, транзисторов, диодов, конденсаторов и резисторов проходит с достаточно большими характерными временами (≥10⁷ ч), а «старение», например, фотодиодов, используемых в ИК МФПУ, характеризуется существенно меньшими временами (≥10⁴ ч).

Если «старение» электронных компонентов от космического излучения может быть устранено специальной защитой, то естественное «старение» электронных компонентов от этого не уменьшится. Оно приводит к постепенному ухудшению пороговых фотоэлектрических характеристик МФПУ (пороговая облученность, пороговая мощность, удельная обнаружительная способность, эквивалентная шуму разность температур).

Средние наработки до отказа цифровой части БИС и БУП как минимум, на 3 порядка больше, чем средняя наработка до отказа МФЧЭ. Обусловлено это использованием интегральных схем на основе кремния, работающих в цифровом режиме и возможностью многократного управляемого резервирования отдельных электронных узлов этих блоков, что многократно повышает их надежность. Тогда, средняя наработка МФПУ до отказа, как и его пороговая характеристика, будет определяться, в основном, средней наработкой до отказа или гамма-процентной наработкой аналоговых частей устройства, пороговая характеристика которых зависит величина шума наиболее чувствительных узлов устройства, МФЧЭ и аналоговой части БИС, состыкованных поэлементно. Элементами этих узлов являются ФЧЭ, состыкованные с помощью индиевых столбиков с ячейкой кремниевой БИС, включающей или полевой транзистор с накопительными емкостями, или операционный усилитель с обратной связью и накопительными емкостями, или небольшую накопительную емкость с компаратором, участвующим в преобразовании накопленного аналогового сигнала в цифровой. В такой ячейке наиболее чувствительным и наименее стойким является ФЧЭ.

ФЧЭ - полупроводниковый фотодиод, чувствительный в заданной области спектра, имеющий следующий критерий годности: пороговый параметр ФЧЭ должен быть не хуже физически обоснованной величины в течение средней наработки до отказа.

ВБР ФЧЭ описывается выражением

где Т_ср - средняя наработка ФЧЭ до отказа.

Гамма-процентная наработка одного ФЧЭ при ВБР = γ выражается с помощью (11) следующим образом:

Канал МФЧЭ имеет следующий критерий годности: пороговый параметр канала должен быть не хуже заданного, ВБР канала должна быть не ниже заданной величины γ, число годных ФЧЭ не менее М в течение заданной наработки. Здесь М, число ФЧЭ определяющее величину порогового параметра канала.

Выражение, определяющее ВБР канала ИК МФПУ с M₁ ФЧЭ в канале и до M₁-М неработоспособных ФЧЭ в канале от продолжительности наработки t имеет вид [Аналитическая модель вероятности безотказной работы многорядного МФПУ, А.И. Патрашин, И.Д. Бурлаков, Г.А. Иванов, Успехи прикладной физики, 2014, том 2, №5, С. 520],

где - число сочетаний из M₁ по i.

МФЧЭ, а следовательно и МФПУ, имеет следующий критерий годности: в течение всей заданной наработки пороговый параметр должен быть не хуже заданного, ВБР должна быть не ниже заданной величины, МФПУ должен иметь не более L неработоспособных каналов из N каналов и должны отсутствовать соседние неработоспособные каналы. ВБР МФПУ с указанным критерием годности описывается следующим выражением,

Для нашего прототипа критерий годности канала - величина D^*≥2,6⋅10¹¹ Вт^-1⋅см⋅с^-1/2 или NETD≤15 мК при Т=300 К, соответствующая работе шести ФЧЭ в режиме ВЗН (М=6). Критерий годности МФПУ - суммарное количество каналов N=480, максимальное число неработоспособных каналов L=5, общее число ФЧЭ в канале М=6, минимальном числе работоспособных ФЧЭ в канале М=6.

На фиг. 2 показаны зависимости ВБР шести разных каналов МФПУ при общем числе ФЧЭ в канале M₁=6; 8; 10; 14; 22; 38, минимальном числе работоспособных ФЧЭ в канале М=6. Зависимость при М₁=6 соответствует ВБР канала нашего прототипа. Результаты показывают, что гамма-процентная наработка каждого канала, при γ=0,95, равна t_γ (176 ч; 2 018 ч; 5000 ч; 9900 ч; 18000 ч; 27800 ч) и растет с увеличением числа ФЧЭ в канале при неизменной величине средней наработки ФЧЭ до отказа Т_ср=5⋅10⁴ ч и постоянном минимальном числе годных ФЧЭ. Для расчета взяты следующие параметры ФЧЭ и МФПУ: Δλ=10,3-7,7 мкм; I_d=3,6⋅10^-9 А; η=0,7; A_s=30×30 мкм; среднее время ФЧЭ до отказа 7⋅10⁴ часов; расстояние диафрагма - МФЧЭ l=3 см; диаметр холодной диафрагмы d=7,5 мм.

На фиг. 3 показаны зависимости ВБР четырех МФПУ с одинаковым суммарным количеством каналов (N=480), с одинаковым количеством неработоспособных каналов (L=5), с отсутствием двух и более соседних неработоспособных каналов, с одинаковым минимальным количеством работоспособных ФЧЭ в канале, но с разным количеством ФЧЭ в каналах. Полученные зависимости четко показывают, что если число ФЧЭ в канале МФПУ превышает число ФЧЭ, необходимое для получения заданной величины фотоэлектрической характеристики, то выполняется поставленная цель изобретения.