Система и способ регистрации электромагнитного излучения
Использование: для регистрации (измерения) электромагнитного излучения и бесконтрастного измерения температуры с помощью монокристалла карбида кремния. Технический результат изобретения: эксплуатационная надежность за счет высокостабильной работы при высоких температурах и большой скорости нарастания температуры. Сущность: монокристалл SiC толщиной по меньшей мере 200 мкм применяют для регистрации электромагнитного излучения с длиной волны приблизительно 10 мкм. В основе предложенных систем и способа регистрации электромагнитного излучения лежит механизм акустического поглощения. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к применению SiC (карбида кремния) для регистрации (измерения) электромагнитного излучения и контроля сопротивления.
Уровень техники
Акустическое поглощение, собственное поглощение и примесное поглощение относятся к трем разным механизмам поглощения излучения. Акустическое поглощение обусловлено усилением колебаний кристаллической решетки под действием излучения. Если необходимо регистрировать излучение в широком диапазоне длин волн, то желательно использовать данный механизм поглощения, поскольку он вызывает приблизительно линейное возрастание сопротивления кристалла SiC с ростом энергии излучения в широком диапазоне длин волн. SiC поглощает тепло по всему своему объему, а не только по поверхности, и поэтому обладает высокой теплоемкостью, обеспечивающей поглощение больших доз лазерного излучения и возможность других применений. Несмотря на желательность применения SiC для регистрации инфракрасного излучения и других видов излучения в более коротковолновом диапазоне, эффект акустического поглощения на длинах волн менее 10 мкм в SiC ранее не наблюдался, вследствие чего выпадала часть инфракрасного диапазона с более короткими длинами волн.
Собственное поглощение имеет место на определенных длинах волн, соответствующих ширине запрещенной энергетической зоны материала (разность энергий между зоной проводимости и валентной зоной). Существует более 70 возможных различных политипных модификаций SiC, каждая из которых характеризуется собственной шириной запрещенной энергетической зоны при измерении параллельно с-оси монокристалла. Кубическая кристаллическая форма SiC (называемая 3С-SiC или β-SiC) отличается наименьшей шириной запрещенной энергетической зоны (примерно 2,3 эВ) и наибольшей соответствующей длиной волны (примерно 0,55 мкм) среди всех кристаллических структур и политипных модификаций SiC, но это длина волны желто-зеленого света, находящаяся совсем за пределами инфракрасного диапазона. У всех остальных кристаллических структур и политипных модификаций SiC значения ширины запрещенной зоны больше, а соответствующие длины волн короче, что не позволяет применять SiC для регистрации инфракрасного излучения на основе механизма собственного поглощения.
Примесное поглощение имеет место, если в исходный материал вводят примесь, и тогда регистрируется излучение с энергией, соответствующей разности между уровнями энергий зон проводимости исходного материала и примеси (для примесей n-типа) или уровнями энергий валентных зон исходного материала и примеси (для примесей р-типа). Сопротивление кристалла исходного материала снижается по экспоненте с увеличением энергии излучения на определенной длине волны, соответствующей энергии примесного поглощения, но не на других длинах волн, что позволяет определять излучение только с дискретной длиной волны. Примесное поглощение в SiC наблюдали в инфракрасном диапазоне (Air Force Materials Laboratory, "Silicon Carbide Absorption", Hughes Aircraft Company Electronic Properties Information Center, pages 9-16), но только на определенных длинах волн, соответствующих определенным примесям. Сведения о наблюдении механизма поглощения инфракрасного излучения в широком диапазоне отсутствуют.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением, регистрация (детектирование) электромагнитного излучения с длинами волн короче примерно 10 мкм достигается с помощью чувствительного элемента (детектора), который характеризуется высокой теплоемкостью и выходным сигналом, который изменяется приблизительно линейно в зависимости от энергии излучения за счет использования ранее неизвестного механизма акустического поглощения в SiC. Установлено, что при использовании монокристалла SiC толщиной по меньшей мере 200 мкм действует механизм акустического поглощения, который можно использовать для регистрации излучения на длинах волн менее 10 мкм. Изобретение особенно полезно для регистрации инфракрасного излучения (ИК) и может быть приспособлено для регистрации в узком диапазоне длин волн путем применения соответствующего спектрального фильтра.
Таким образом, в настоящем изобретении предложена система регистрации электромагнитного излучения, содержащая тело из монокристалла SiC толщиной по меньшей мере 200 мкм, источник электромагнитного излучения с длиной волны менее 10 мкм и датчик, выполненный с возможностью регистрации отклика в виде акустического поглощения упомянутого тела из SiC на излучение от упомянутого источника.
Кроме того, в настоящем изобретении предложен способ регистрации электромагнитного излучения, заключающийся в том, что облучают тело из монокристалла SiC толщиной по меньшей мере 200 мкм электромагнитным излучением с длиной волны менее 10 мкм и регистрируют отклик упомянутого тела из SiC на упомянутое излучение.
Краткое описание чертежей
Указанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны для специалистов в данной области техники из следующего ниже подробного описания предпочтительных вариантов осуществления, которое ведется со ссылками на прилагаемый чертеж.
На чертеже представлена упрощенная схема изобретения, используемая для измерения энергии инфракрасного лазерного луча.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение предлагает использовать SiC в качестве чувствительного элемента для регистрации излучения (т.е. сенсора излучения) с длинами волн менее примерно 10 мкм и является особенно полезным для регистрации инфракрасного излучения в указанном диапазоне. Области применения изобретения включают в себя измерение мощности или энергии излучения, испускаемого, например, лазерным источником излучения, бесконтактное измерение температуры других тел, которые нагреваются под действием инфракрасного излучения, и управляемые варисторы для электрических цепей.
Несмотря на то, что ранее не наблюдали акустического поглощения в SiC на длинах волн менее примерно 10 мкм, заявитель установил, что такой полезный механизм акустического поглощения может работать в SiC, если этот материал имеет монокристаллическую структуру, а его толщина составляет, по меньшей мере, примерно 200 мкм. Хотя в образцах меньшей толщины и может иметь место некоторое акустическое поглощение, но настолько слабое, что ранее его не наблюдали. Инфракрасное излучение, поглощенное в результате акустического поглощения, непосредственно преобразуется в тепловую энергию и вызывает приблизительно линейное возрастание сопротивления SiC в зависимости от энергии инфракрасного излучения, в противоположность механизму примесного поглощения, при котором сопротивление SiC снижается.
Среди областей применения SiC для регистрации инфракрасного излучения следует выделить измерение энергии и мощности луча, например измерение энергии или мощности инфракрасного лазерного луча или сфокусированного излучения инфракрасной лампы. SiC особенно выгодно применять в упомянутых случаях потому, что этот материал способен без разрушения поглощать очень большие дозы энергии за очень короткие временные интервалы. Следовательно, этот материал можно использовать для измерения энергии/мощности излучения, испускаемого инфракрасными лазерами средней мощности (в пределах 10-300 Вт) и большой мощности (свыше 300 Вт), при этом чувствительная поверхность SiC не охлаждается вентилятором или водой даже при облучении полной выходной энергией и выдерживает температуры свыше 1300°С. Превосходная способность SiC работать с высокими плотностями мощности позволяет применять чувствительные элементы из SiC меньшего объема по сравнению с ныне применяемыми элементами при данном уровне мощности. Более того, благодаря меньшему размеру чувствительных элементов из SiC естественное охлаждение после поглощения лазерного импульса происходит быстрее, чем в случае с другими материалами, используемыми для измерения инфракрасного излучения. Высокая теплопроводность SiC обеспечивает быстрое распределение поглощенной энергии по всему объему чувствительного элемента, что существенно снижает подверженность чувствительного элемента разрушению и термическому удару под действием больших поперечных температурных градиентов, которые могут создаваться, когда небольшой участок чувствительного элемента облучают высокоэнергетическим лазерным лучом. Низкий пьезоэлектрический коэффициент SiC (по сравнению с пироэлектрическими материалами) в сочетании с высокой теплопроводностью этого материала (большей, чем у меди (Cu) при комнатной температуре) препятствует формированию в чувствительном элементе значительных пьезоэлектрических сигналов под воздействием сфокусированных лазерных лучей. В целом высокая стойкость SiC к термическому удару позволяет этому материалу поглощать лазерные импульсы большой энергии и работать при сравнительно продолжительных периодах облучения инфракрасным излучением в условиях воздействия большой энергии/мощности на чувствительный элемент небольшого объема и площади.
На чертеже иллюстрировано использование SiC в качестве чувствительного к энергии инфракрасного излучения элемента (сенсора энергии ИК-излучения). Источник инфракрасного излучения, например, лазер 2, испускает инфракрасный луч 4 в определенном диапазоне длин волн (включающем, в контексте настоящего описания, единственную длину волны). Тело 6 чувствительного элемента из SiC располагают на пути луча, причем в предпочтительном варианте так, чтобы принимать весь луч. На пути луча перед телом 6 чувствительного элемента можно, при необходимости, поместить дополнительный спектральный фильтр 8 стандартной конструкции в том случае, если необходимо ограничить излучение, достигающее чувствительного элемента, единственной длиной волны или иным узким диапазоном длин волн. Например, если требуется регистрировать излучение только с определенной длиной волны, то фильтр 8 следует настроить на пропускание данной длины волны и задерживание излучения с другими длинами волн.
Источник постоянного напряжения 10 подает на тело из SiC постоянное напряжение, а датчик 12 тока измеряет результирующий ток, протекающий через SiC. В качестве отклика на прием инфракрасного излучения изменяется температура SiC вместе с соответствующим изменением электрического сопротивления, которое зависит от длин(ы) волн(ы), интенсивности излучения и времени облучения. Поскольку существует четкая взаимосвязь между температурой SiC и его электрическим сопротивлением для данного образца, то температуру SiC можно определить как функцию протекающего через него и измеренного амперметром 12 тока. Кроме того, температура SiC находится в прямой связи с поглощенной этим материалом энергией инфракрасного излучения. Соответственно, отклик (чувствительность) SiC по току будет однозначно определять зависимость тока от энергии инфракрасного луча. Поэтому калибровка амперметра 12 с учетом температурного коэффициента сопротивления SiC при одновременной нейтрализации любого эффекта токового нагрева позволяет непосредственно считывать энергию инфракрасного луча.
Вместо приложения постоянного напряжения и измерения результирующего тока через SiC, как показано на чертеже, можно пропускать через SiC постоянный ток с помощью внешней схемы и измерять результирующий отклик SiC по напряжению. Дифференцирование мгновенной скорости изменения сопротивления и, следовательно, изменения температуры SiC обеспечивает возможность непосредственной выдачи показаний мгновенной мощности инфракрасного луча.
Тело SiC можно легировать, но наиболее выраженный отклик в виде акустического поглощения обеспечивается в случае беспримесного материала. Хотя считается, что настоящее изобретение в первую очередь непосредственно применимо для регистрации излучения в инфракрасном диапазоне, его можно также использовать в более коротковолновых диапазонах, а именно в диапазонах видимого и ультрафиолетового (УФ) излучения.
В соответствии с настоящим изобретением достигаются высокостабильная и воспроизводимая температурная характеристика сопротивления и способность выдерживать как абсолютные температуры в по меньшей мере 1400°С, так и очень высокую скорость нарастания температуры без обязательного принудительного воздушного или водяного охлаждения. Изобретение обеспечивает эксплуатационную надежность и неподатливость разрушению, высокую стабильность калибровки и повышенную стойкость к воздействию инфракрасного излучения с высокой энергией и/или мощностью, продолжительному времени облучения и термическому удару. Благодаря преимущественной способности SiC работать с высокими плотностями мощности можно применять небольшие устройства на основе SiC без формирования в них значительных пьезоэлектрических сигналов, которые могут быть наведены в других материалах сфокусированными лазерными импульсами.
Другие примеры применения SiC для поглощения излучения, например, при бесконтактном измерении температуры и в варисторах, а также рекомендуемый метод монтажа тела из SiC в монтажной структуре, содержащей подложку из A1N с монтажным слоем W, WC или W2C, описаны в выданном 29 мая 2001 г. автору настоящего изобретения патенте США №6239432, содержание которого включено в настоящее описание.
Выше приведено несколько наглядных примеров осуществления настоящего изобретения, допускающих многочисленные изменения и модификации, которые очевидны специалистам в данной области техники. Возможность таких изменений и модификаций предполагается при условии, что они не выходят за пределы существа и объема настоящего изобретения, определенного в прилагаемой формуле изобретения.
1. Система регистрации электромагнитного излучения, содержащая тело (6) из монокристалла SiC толщиной по меньшей мере 200 мкм, источник (2) электромагнитного излучения (4) с длиной волны менее 10 мкм и датчик (12), выполненный с возможностью регистрации отклика в виде акустического поглощения упомянутого тела из SiC на излучение от упомянутого источника.
2. Система по п.1, в которой упомянутый датчик выполнен с возможностью регистрации увеличений сопротивления упомянутого тела из SiC в ответ на прием упомянутым телом излучения от упомянутого источника.
3. Система по п.1, в которой упомянутый источник электромагнитного излучения имеет длину волны менее 2,5 мкм.
4. Система по п.1 или 3, дополнительно содержащая фильтр (8), выполненный с возможностью ограничения приема излучения от упомянутого источника упомянутым телом из SiC узким диапазоном длин волн.
5. Способ регистрации электромагнитного излучения, заключающийся в том, что облучают тело (6) из монокристалла SiC толщиной по меньшей мере 200 мкм электромагнитным излучением (4) с длиной волны менее 10 мкм и регистрируют отклик упомянутого тела из SiC на упомянутое излучение.
6. Способ по п.5, в котором упомянутый отклик регистрируют посредством регистрации акустического поглощения упомянутого излучения упомянутым телом из SiC.
7. Способ по п.6, в котором упомянутое акустическое поглощение регистрируют в широком диапазоне длин волн.
8. Способ по любому из пп.5-7, в котором упомянутое тело из SiC облучают электромагнитным излучением в пределах диапазона длин волн, максимальная длина волны которого составляет менее 2,5 мкм.
