Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения с чувствительным элементом в виде пластины на опорах

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронно-оптическим приборам, преобразующим тепловые изображения в среднем или дальнем инфракрасном диапазонах спектра в изображения в видимом диапазоне. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и разрешающей способности изображения. Улучшение характеристик достигается за счет использования оригинальной структуры мишени с дискретными элементами в виде отдельных пластин на опорах, закрепленных на управляющем проводящем тонкопленочном электроде. Слои мишени пироЭОПа располагаются в следующем порядке по направлению от входного окна: дискретные элементы пироэлектрического и поглощающего слоя на опорах, сплошной управляющий проводящий тонкопленочный электрод со сквозными щелевидными отверстиями, несущая диэлектрическая пленка со сквозными щелевидными отверстиями. Конструкция мишени позволяет радикально уменьшить утечки поглощенного тепла как между соседними дискретными элементами, так и между каждым дискретным элементом и несущей диэлектрической пленкой. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к электронно-оптическим приборам, преобразующим тепловые изображения различных объектов в среднем или дальнем инфракрасном диапазонах спектра в изображения в видимом диапазоне или в электрический сигнал.

Уже известен электронно-оптический преобразователь изображения с тонкопленочной пироэлектрической мишенью (далее пироЭОП), которая имеет щелевидные отверстия для модуляции вспомогательного однородного потока электронов (патент России №2160479) [1].

В качестве прототипа выбрано устройство указанного выше пироЭОПа, который содержит в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный из материала прозрачного в инфракрасной области спектра и освещенный вспомогательным источником света, пироэлектрическую мишень со сквозными щелевидными отверстиями, включающую в себя пироэлектрическую пленку, проводящий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, выполненные непрерывными со сквозными щелевидными отверстиями, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов, расположенные друг за другом по направлению от входного окна к устройству регистрации двумерного электронного изображения [1].

Недостатком известного пироЭОПа является выполнение мишени в виде многослойной структуры без теплоизолирующих зазоров путем изготовления на несущей диэлектрической пленке 6 дискретных элементов поглощающего слоя 5 со стороны устройства регистрации двумерного электронного изображения, управляющего проводящего тонкопленочного электрода 8 и пироэлектрической пленки 7 со стороны входного окна (фиг.2). При такой конфигурации каждая из указанных пленок формируется непосредственно на предыдущей и не имеет теплоизолирующих зазоров в перпендикулярном к поверхности мишени направлении. Таким образом, поглощенное тепловое излучение вместо нагрева пироэлектрической пленки нагревает соответствующий участок несущей диэлектрической пленки, обладающей определенной теплоемкостью и теплопроводностью, зависящей от используемого материала и толщины. При этом, чем выше доля поглощенного теплового излучения, идущего на нагрев несущей диэлектрической пленки, тем ниже чувствительность пироЭОПа в целом.

Вторым недостатком известного пироЭОПа является значительное боковое растекание тепла 17 между соседними элементами, несмотря на сквозные щелевидные отверстия 11 (фиг.2), что приводит к снижению разрешающей способности пироЭОПа. При этом уменьшение зазоров D между щелевидными отверстиями ограничено разрешающей способностью технологического оборудования при проведении процессов фотолитографии, а также снижением механической прочности несущей диэлектрической пленки.

Третьим недостатком прототипа являются затруднения в создании режима стоячей волны при наложении падающего и отраженного излучения с длиной волны 8-14 мкм, одного из условий для предельно эффективного поглощения. Между отражающим излучение слоем 5 и проводящим тонкопленочным электродом 8 в этом случае должно быть расстояние около 2,5 мкм (λ/4). Это означает, что в соответствии с [1] (фиг.2) толщина несущей диэлектрической пленки должна быть около 2,5 мкм, что в несколько раз превышает технологически достижимые толщины, а следовательно, во столько же раз увеличивает ее теплоемкость, продольную теплопроводность и снижает чувствительность до неприемлемых значений.

Проведенные расчеты и сравнительные эксперименты выявили, что наиболее эффективное поглощение теплового излучения с минимальным стоком тепла на подложку и минимальным растеканием тепла между соседними элементами можно реализовать в конструкции элемента приемника со столбиковыми опорами или с опорами другого типа, например в виде полосковых шин, уменьшающими сток тепла на подложку. При этом отношение размера поверхности элемента приемника к диаметру сечения поддерживающей опоры должно лежать в пределах 5...10. Размер чувствительного элемента должен быть не менее длины волны излучения, т.е. 8-14 мкм, тогда размер сечения поддерживающей опоры должен лежать в пределах 1-3 мкм, что позволяет получить современная технология фотолитографии.

Конструкция мишени известного пироЭОПа [1] не позволяет достичь указанных условий предельно достижимой чувствительности и разрешающей способности.

Целью настоящего изобретения является устранение перечисленных выше недостатков, а именно повышение чувствительности и разрешающей способности пироЭОПа за счет изменения конструкции мишени.

Указанная цель достигается благодаря тому, что в соответствии с предлагаемым изобретением пироЭОП, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, выполненный сплошным из материала прозрачного для инфракрасного излучения и расположенный на внутренней поверхности входного окна со стороны пироэлектрической мишени, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, состоящую из пироэлектрической пленки, проводящего тонкопленочного электрода, диэлектрической несущей пленки с отверстиями, совпадающими с отверстиями в проводящем слое и дискретными элементами поглощающего слоя, расположенными также между отверстиями в несущей диэлектрической пленке, имеет следующие конструктивные отличия от прототипа:

A) слои мишени пироЭОПа располагаются в следующем порядке по направлению от входного окна: пироэлектрическая пленка, дискретные элементы поглощающего слоя, проводящий тонкопленочный электрод со сквозными щелевидными отверстиями, несущая диэлектрическая пленка со сквозными щелевидными отверстиями, совпадающими с отверстиями в проводящем тонкопленочном электроде.

Б) дискретные элементы поглощающего слоя выполняются в виде отдельных пластин на опорах, закрепленных на проводящем тонкопленочном электроде, и располагаются между сквозными отверстиями в мишени.

B) внутреннее расстояние между плоскостью дискретных элементов поглощающего слоя и плоскостью проводящего тонкопленочного электрода выбирается из расчета λ/4, где λ - длина волны детектируемого излучения, т.е. для диапазона 8-14 мкм оно составляет около 2,5 мкм.

Г) столбиковые опоры дискретных элементов поглощающего слоя по п.Б выполняются в виде одного столбика круглого, прямоугольного или другого поперечного сечения, расположенного в центре дискретного элемента поглощающего слоя.

Д) дискретные элементы поглощающего слоя, выполненные в виде пластин по п.Б на двух опорах, расположенных по диагональным углам дискретного элемента поглощающего слоя.

Е) дискретные элементы поглощающего слоя, выполненные в виде пластин на двух опорах, расположенных по диагональным углам дискретного элемента поглощающего слоя по п.Б, имеют дополнительные щелевидные отверстия, отделяющие центральную часть дискретного элемента от узкого участка опоры (полосковой шины) для уменьшения тепловой связи с подложкой.

Для лучшего понимания предлагаемого изобретения некоторые детали удобнее рассматривать совместно с соответствующими чертежами:

Фиг.1 - схема устройства предлагаемого пироЭОПа, поясняющая его работу.

Фиг.2 - вид элемента мишени-прототипа со щелевидными отверстиями.

Фиг.3 - вид фрагмента мишени с одной столбиковой опорой в центре дискретного поглощающего элемента.

Фиг.4 - вид фрагмента мишени с двумя опорами по диагональным углам дискретного поглощающего элемента.

Фиг.5 - Фрагмент мишени в виде пластины с двумя опорами по диагональным углам дискретного поглощающего элемента и дополнительными щелевидными отверстиями.

Где:

1 - инфракрасное излучение, сфокусированное объективом,

2 - входное окно,

3 - вспомогательный фотокатод,

4 - однородный поток электронов,

5 - дискретный элемент поглощающего слоя,

6 - несущая диэлектрическая пленка,

7 - пироэлектрическая пленка,

8 - проводящий тонкопленочный электрод,

9 - вакуумированная колба,

10 - устройство регистрации двумерного электронного изображения (например, люминесцентный экран),

11 - сквозные отверстия, разделяющие дискретные элементы мишени,

12 - траектория электрона, прошедшего через отверстие 11,

13 - источник вспомогательного излучения,

14 - дискретный элемент мишени,

15 - опора,

16 - участок мишени, поглощающий тепловое излучение,

17 - возможные пути бокового растекания тепла между соседними элементами,

18 - дополнительные щелевидные отверстия в дискретном элементе поглощающего слоя,

19 - полосковая шина.

Как показано на фиг.1, инфракрасное излучение 1 проходит через входное окно 2 и вспомогательный фотокатод 3, создающий однородный поток электронов 4, попадает на пироэлектрическую пленку 7, проходит сквозь нее практически без поглощения и попадает на дискретный элемент поглощающего слоя 5, где частично поглощается, частично отражается и частично проходит насквозь. Далее прошедшее излучение попадает на проводящий тонкопленочный электрод 8, где частично поглощается, частично отражается и частично проходит насквозь и затем проходит сквозь диэлектрическую (например, полимерную) пленку 6. Коэффициент отражения проводящего тонкопленочного электрода 8 выбирается таким, чтобы сквозь него прошло не более 5-10% излучения и как можно большая его часть отразилась. Коэффициент отражения дискретных элементов поглощающего слоя должен иметь величину, достаточную для прохождения сквозь него не менее 50% излучения. Прошедшее излучение, отражается от проводящего тонкопленочного электрода 8, снова частично проходит через дискретный элемент 5 и частично поглощается.

Для оптимизации процесса поглощения падающего излучения в многослойной структуре мишени необходимо обеспечить режим стоячей волны, при осуществлении которого суммарное поглощение достигает более 70%.

Отраженная часть излучения образует с падающей частью стоячую волну, которая имеет нули и максимумы. На поверхности проводящего тонкопленочного электрода 8 располагается нуль стоячей волны, а ее максимум располагается на расстоянии λ/4 (четверть длины волны падающего излучения) от его отражающей поверхности. Поэтому для диапазона длин волн 8-14 мкм поверхность дискретного поглощающего элемента следует располагать на расстоянии 2-2,5 мкм от отражающей поверхности проводящего тонкопленочного электрода 8, а для диапазона 3-5 мкм - на расстоянии 0,8-1,0 мкм. Исходя из этих расстояний задаются и размеры опор.

Предлагаемая конструкция только за счет реализации режима стоячей волны позволяет повысить чувствительность, один из важнейших параметров пироЭОПа.

Проводящий тонкопленочный электрод 8 обеспечивает электрическое соединение всех элементов мишени с внешним источником напряжения, необходимого для задания смещающего потенциала. Поэтому он должен быть сплошным.

Поглощающий слой 5 должен состоять из дискретных элементов, чтобы не создавать боковых утечек тепла между ними. Однако в прототипе [1] боковые утечки тепла 16 между соседними элементами 5 довольно существенны (фиг.2). Предлагаемая конструкция обеспечивает полное разделение соседних дискретных поглощающих элементов, фиг.3, 4, что позволяет существенно повысить разрешающую способность пироЭОПа, второго важнейшего параметра.

Кроме того, наиболее оптимальной с точки зрения утечек тепла, является конструкция мишени, при которой указанные дискретные элементы поглощающего слоя вместе с пироэлектрической пленкой на них изготавливаются на достаточно тонких опорах, фиг.3, 4. Как показывают расчеты, тепловой сток через предлагаемые опоры уменьшается более чем в 10 раз (при соблюдении отношения размера поверхности дискретного поглощающего элемента к размеру сечения столбиковой опоры в пределах 5-10) по сравнению с конструкцией известного пироЭОПа [1], что означает многократное повышение чувствительности прибора в целом.

Дальнейшее уменьшение теплового стока через опоры можно обеспечить за счет дополнительных щелевидных отверстий 18 в дискретном поглощающем элементе и создания таким образом полосковых шин 19 (фиг.5) для уменьшения тепловой связи с несущей диэлектрической пленкой. Предлагаемые отверстия позволяют отделить центральную часть дискретного поглощающего элемента от участков опоры, по которым происходят утечки тепла на несущую диэлектрическую пленку. При этом ширина щелевидных отверстий 18 и полосковых шин 19 должна быть как можно меньшей и определяется технологическими возможностями фотолитографии. Геометрическая форма отверстий должна обеспечить, с одной стороны, механическую прочность дискретного элемента, а с другой стороны, уменьшить ширину полосковой шины 19, по которой происходит тепловой сток через опору.

Дискретные элементы поглощающего слоя мишени 14 (фиг.3) в плоскости проводящего тонкопленочного электрода 8 и несущей диэлектрической пленки 6 отделены сквозными щелевидными отверстиями 11. Ширина щелевидных отверстий 11 должна быть минимальной, чтобы расстояние от центра отверстия 11 до дискретного элемента поглощающего слоя мишени 14 было минимальным, т.к. потенциал поверхности пироэлектрической пленки 14 управляет прохождением электронов 15 через отверстия 11. Чем больше влияние потенциала пироэлектрика, тем больше сигнал. Минимальная ширина отверстий определяется возможностями фотолитографии.

С другой стороны, размер отверстий должен быть не больше, чем длина волны излучения, т.е. 8 мкм (для диапазона 8-14 мкм) и 3 мкм (для диапазона 3-5 мкм), чтобы излучение не могло проникать сквозь отверстия без поглощения мишенью.

Заявленная конструкция может быть изготовлена с помощью известных технологических операций на серийном оборудовании. Изготовление мишени пироЭОПа в соответствии с предлагаемым изобретением не предполагает значительного повышения качественных требований к оборудованию в сравнении с прототипом, т.к. опоры можно изготовить с помощью известной технологии фотолитографии и травления пленочных структур. При этом ожидаемый технический эффект состоит в значительном повышении чувствительности (минимальная различимая разность температур может достигнуть 0,01 К) и разрешающей способность пироЭОПа за счет уменьшения бокового растекания тепла между соседними элементами.

1. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь (ЭОП) инфракрасного изображения, содержащий в вакуумированной колбе входное окно, прозрачное в инфракрасной области спектра, источник однородного потока электронов, представляющего собой фотокатод, расположенный на внутренней поверхности входного окна, выполненный из материала прозрачного в инфракрасной области спектра и освещенный вспомогательным источником света, пироэлектрическую мишень со сквозными отверстиями, включающую в себя пироэлектрическую пленку, проводящий тонкопленочный электрод и несущую диэлектрическую пленку, выполненные со сквозными отверстиями, и поглощающий слой из отдельных дискретных элементов, сформированных между отверстиями в несущей диэлектрической пленке, устройство регистрации двумерного электронного изображения, отличающийся тем, что слои мишени пироЭОП располагаются в следующем порядке по направлению от входного окна: пироэлектрическая пленка, дискретные элементы поглощающего слоя, проводящий тонкопленочный электрод со сквозными щелевидными отверстиями, несущая диэлектрическая пленка со сквозными щелевидными отверстиями, совпадающими с отверстиями в проводящем тонкопленочном электроде, а указанные дискретные элементы поглощающего слоя выполняются в виде отдельных пластин на опорах, закрепленных на проводящем тонкопленочном электроде, и располагаются между сквозными щелевидными отверстиями в мишени.

2. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что опоры дискретных элементов поглощающего слоя выполняются в виде одного столбика круглого, прямоугольного или другого поперечного сечения, расположенного в центре дискретного элемента поглощающего слоя.

3. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что дискретные элементы поглощающего слоя выполняются в виде пластины на двух опорах, расположенных по диагональным углам дискретного элемента поглощающего слоя.

4. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь изображения по п.1, отличающийся тем, что дискретные элементы поглощающего слоя выполняются в виде пластины на двух опорах, расположенных по диагональным углам дискретного элемента поглощающего слоя и имеют дополнительные щелевидные отверстия, отделяющие центральную часть дискретного элемента от узкого участка опоры (полосковой шины) для уменьшения тепловой связи с несущей диэлектрической пленкой.