ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2013, № 4, с. 125-131
ЛАБОРАТОРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ ТЕХНИКА
УДК 621.383.49
В.Т.С.П.-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ © 2013 г. Э. Ю. Гордиенко, Г. В. Шустакова, Ю. В. Фоменко, Н. И. Глущук
Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины Украина, 61103, Харьков, просп. Ленина, 47 E-mail: gordiyenko@ilt.kharkov.ua Поступила в редакцию 17.07.2012 г.
Описан лабораторный макет преобразователя инфракрасного изображения, принцип действия которого основан на формировании и перемещении с помощью локального теплового воздействия чувствительной к внешнему излучению зоны на поверхности высокотемпературной сверхпроводящей (в.т.с.п.) пленочной структуры. Измерены основные параметры сформированной зоны: размер A ~ 95 х 95 мкм2, обнаружительная способность D* = 1.3 • 108 см • Гц1/2/Вт, постоянная времени т = = 6 мс. Рассмотренный метод поэлементного считывания информации и болометрическая природа чувствительности приемника открывают перспективы использования преобразователя в широком спектральном диапазоне.
DOI: 10.7868/S0032816213030221
Задача создания высокоэффективных систем широкоформатного приема тепловых изображений с высоким температурным и пространственным разрешением остается актуальной, несмотря на большое количество работ, направленных на их разработку и промышленное изготовление. Это связано с существованием широкого круга задач, требующих расширения спектрального диапазона, в то время как большинство приемников излучения с высокими параметрами имеют область чувствительности в диапазоне до 20 мкм.
Открытие явления высокотемпературной сверхпроводимости (в.т.с.п.) дало возможность построения чувствительных принципиально неселективных болометрических приемников азотного уровня охлаждения для детектирования излучения инфракрасной (и.к.) и миллиметровой областей спектра. Достигнутое значение оптической мощности, эквивалентной шуму, МБР ~ 6.3 • 10-13 Вт/Гц1/2 в спектральном диапазоне 12—36 мкм для в.т.с.п.-боло-метров в 100 раз превышает чувствительность используемых в этом диапазоне коммерческих неохлаждаемых пироэлектрических детекторов [1].
Анализ показывает, что существенно улучшить характеристики и.к.-систем можно за счет увеличения числа чувствительных элементов в приемнике излучения [2]. При создании матричных приемников необходимо комплексное решение задач достижения высокой чувствительности, быстродействия и организации считывания информации с каждого элемента. Однако разработка многоэлементных устройств на основе в.т.с.п. в настоящее время находится на начальном уровне. Если создание одиночного болометрического элемента с высокими параметрами чувствитель-
ности и быстродействия, способного стать основой для построения матричных устройств, является реальной задачей [1], то считывание информации с массива таких приемников остается нерешенной проблемой.
В известных разработках пригодных к интегральному исполнению болометрических детекторов на мембранных конструкциях на кремниевой основе [3—5] предполагается вопросы коммутации сигнала решать традиционно с помощью п.з.с.-структур (приборов с зарядовой связью), сформированных на той же кремниевой подложке, что и матрица детекторов. Однако достичь каких-либо успехов в построении таких преобразователей и.к.-изображения пока не удалось из-за характерных для мембранных конструкций трудностей обеспечения надежности и воспроизводимости характеристик элементов массива, а также большого количества требуемых технологических операций, приводящих к деградации сверхпроводящих свойств в.т.с.п.-пленок [6].
Возможность использования сквид-мульти-плексоров для поэлементного считывания информации матричных в.т.с.п.-детекторов [7] ограничивается узким динамическим диапазоном работы, нелинейностью передаточной функции и наличием избыточных 1//-шумов в в.т.с.п. сквид-усили-телях [8]. Кроме того, сквид должен располагаться в непосредственной близости от детектора, что значительно снижает фактор заполнения матрицы, а также требует большого количества электрических соединений с электроникой последующей обработки сигнала.
Формирование матрицы в.т.с.п.-детекторов и мультиплексора в отдельных слоях с последую-
Рис. 1. Формирование чувствительных областей на
поверхности в.т.с.п.-полоски.
щим их электрическим соединением (гибридная технология) имеет также определенные трудности. Прежде всего, это жесткие требования к качеству электрических соединений к в.т.с.п.-структурам, от которого зависит уровень контактных шумов, и сложность стабилизации температурного баланса, определяемого вкладом всех составляющих системы (в том числе и мультиплексора) при очень узкой температурной области реализации чувствительности в.т.с.п.-болометра
(<1 К).
Возможно, решение вышеуказанных проблем может быть найдено при использовании новых нетрадиционных методов считывания информации с массива болометрических элементов. Рассмотренный в данной работе подход для регистрации и.к.-изображения основан на перемещении чувствительной к внешнему излучению зоны, сформированной на сверхпроводящей сплошной протяженной пленочной структуре локальным тепловым воздействием. Предлагаемый подход может стать основой для создания высокоэффективных преобразователей и.к.-изображения на основе в.т.с.п.
Идея этого метода [9—11] поясняется на рис. 1, на котором рассмотрена болометрическая структура в виде узкой в.т.с.п.-полоски на подложке.
При поглощении и.к.-излучения на поверхности полоски формируется пространственный температурный рельеф Т=Д(Х), который отображает распределение интенсивности регистрируемого излучения. При этом прирост температуры ДТх. в каждой условно взятой области Х в общем случае пропорционален доле мощности падающего излучения Рх и обратно пропорционален
величине теплового связи Ох каждой из этих областей с теплостоком (охлаждающей платформой).
Начальная температура теплостока Т0 выбирается таким образом, что вся полоса находится в сверхпроводящем состоянии, а пространственный температурный рельеф нигде не превышает критической температуры Тс. Таким образом электрическое сопротивление всего образца равно нулю. Следующей задачей является считывание этого температурного рельефа и однозначная привязка значений прироста температуры ДТх. к положению на поверхности в.т.с.п.-полоски. Для этой цели на локальном участке полоски фокусируется лазерное излучение, создающее перегрев участка на АТлок. Участок переходит в резистив-ное состояние, где появляется значительная температурная зависимость сопротивления.
В этом случае сопротивление всей полоски равно сопротивлению только локального участка, разогреваемого лазерным лучом, а величина сопротивления пропорциональна сумме температур Т0, АТлок и прироста температуры Д Тх. этого участка, вызванного поглощением пространственной доли излучения от теплового объекта. Так как предполагается постоянство температур Т0и АТлок, при перемещении лазерного зонда вдоль полоски ее электрическое сопротивление будет промодулиро-вано функцией пространственного температурного рельефа Т=Д(Х), а при подаче напряжения смещения на концах полоски появляется переменный электрический сигнал, огибающая которого повторяет пространственное распределение интенсивности регистрируемого излучения теплового объекта. Это равноценно последовательному опросу цепочки отдельных элементарных приемников.
В отличие от традиционных многоэлементных приемных устройств, где чувствительные элементы имеют четкие размеры и физически отделены друг от друга, в данном случае понятие "отдельный элемент" является условным. Однако, как показано экспериментально, для чувствительной области, выделенной на поверхности в.т.с.п.-по-лоски с помощью лазерного зонда, могут быть определены размеры и измерены ее характеристики чувствительности. Поэтому термин "многоэлементный приемник" относительно рассматриваемой в.т.с.п.-структуры является справедливым. Очевидно, что подобная сверхпроводниковая полоска может быть рассмотрена как линейка приемников, а структура в форме меандра — как двумерная матрица детекторов.
Важной особенностью предлагаемого подхода является существенное упрощение организации опроса отдельных элементов, так как для сопряжения приемной структуры и мультиплексора может использоваться только два электрических соединения. Также необходимо отметить значи-
К
1
Рис. 2. Блок-схема в.т.с.п.-преобразователя. 1 — и.к.-объектив; 2 — германиевый фильтр; 3 — в.т.с.п.-приемник в оптическом криостате; 4 — термостабилизатор; 5 — предварительный усилитель; 6 — синхронный детектор; 7 — аналого-цифровой преобразователь; 8 — подвижная платформа; 9 — источник локального теплового воздействия; 10 — шаговый двигатель горизонтальной развертки; 11 — шаговый двигатель вертикальной развертки; 12 — управляющий микропроцессор; 13 — параллельный интерфейс; 14 — персональный компьютер.
тельное упрощение технологии изготовления и, как следствие, повышение надежности.
Для исследования возможности практической реализации предложенного метода был разработан и изготовлен лабораторный макет в.т.с.п.-преобразователя и.к.-изображения. Блок-схема макета представлена на рис. 2.
В.т.с.п. фотоприемная структура 3 размещалась на охлаждаемой платформе в вакуумной части оптического азотного криостата. Температура охлаждаемой платформы регулировалась в диапазоне 80—90 К и стабилизировалась с точностью 0.005 К при помощи термостабилизатора 4. Входное окно оптического криостата было изготовлено из материала что позволяло воздействовать на исследуемую приемную структуру как и.к.-излучением от регистрируемого теплового объекта, так и коммутирующим излучением видимого диапазона.
В качестве источника локального теплового воздействия использовался лазерный полупроводниковый диод 9 с длиной волны излучения 0.63 мкм и фиксированной мощностью 5 мВт. С помощью германиевого фильтра 2, расположенного под углом 45° к оптической оси системы и одновременно выполняющего функцию поворотного зеркала для коммутирующего излучения, лазерный луч попадал в оптический криостат через его входное окн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.