Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Термочувствительные материалы и конструктивные особенности элементов неохлаждаемых микроболометрических матриц . 9
1.1. Основные характеристики и требования к термочувствительному слою микроболометра 9
1.2. Пленки окислов ванадия. 13
1.3. Пленки аморфного и поликристаллического кремния, германия и их соединений . 19
1.4. Пленки полупроводникового аморфного Y-Ba-Cu-O 26
1.5. Пленки манганитов 30
1.6. Пленки титана 34
1.7. Выводы 35
Глава 2. Сравнительные исследования сэндвичных и плоскостных микроболометрических структур 39
2.1. Сэндвичные структуры на основе пленок aSi:H 39
2.2. Плоскостные структуры на основе VOx пленок 46
2.3. Оптические характеристики структур 48
2.4. Выводы 54
Глава 3. Особенности использования пленок VOx в качестве термочувствительного слоя болометра . 55
3.1. Работа VOx болометра в интервале температур, включающем фазовый переход 55
3.1.1. Устройство болометра 56
3.1.2. Зависимость чувствительности от температуры 58
3.1.3. Исследование шума 64
3.2. Зависимость болометрических свойств VOx пленок от состава и структуры 68
3.3. Выводы 73
Глава 4. Разработка микроболометрической линейки 75
4.1. Расчетное моделирование основных характеристик микроболометрической линейки 75
4.1.1 Расчет теплофизических параметров 75
4.1.2 Моделирование условий достижения максимальной вольтовой чувствительности и обнаружительнои способности 80
4.1.3 Моделирование условий получения минимальной NETD прибора, использующего МБЛ 89
4.1.4. Выводы 94
4.2. Топология, структура и технология изготовления МБЛ 95
4.3. Исследование характеристик микроболометров 100
4.4. Возможные пути улучшения характеристик микроболометров 105
4.5. Исследование временной стабильности характеристик микроболометров 106
4.6. Влияние давления окружающего воздуха на вольтовую чувствительность микроболометра 108
4.7. Результаты 113
Заключение 115
Список публикаций автора 119
Литература
- Пленки аморфного и поликристаллического кремния, германия и их соединений
- Плоскостные структуры на основе VOx пленок
- Зависимость чувствительности от температуры
- Моделирование условий достижения максимальной вольтовой чувствительности и обнаружительнои способности
Введение к работе
Одной из тенденций развития современных многоэлементных ИК приемников излучения, наряду с повышением их чувствительности, является снижение их стоимости, весо-габаритных параметров и энергопотребления. Это связано с расширением сферы применения тепловизионных и других ИК приборов в промышленности, для экологического мониторинга, на транспорте, в охранных системах, в медицине и др. За рубежом активно проводятся разработки таких приборов на основе неохлаждаемых микро болометрических одномерных и двумерных матриц. Появление высокочувствительных неохлаждаемых многоэлементных инфракрасных приемников излучения расценивается специалистами как наиболее значительное достижение ИК-техники за последние четверть века [1-4].
Эти приемники по чувствительности в средней ИК области приближаются к криогенным фотонным многоэлементным приемникам и выгодно отличаются от них не селективностью в широком спектральном интервале и значительно меньшей стоимостью, вследствие применения более дешевых материалов и совместимости технологии их изготовления с процессами современной технологии кремниевых интегральных микросхем. Это дает возможность изготавливать массивы чувствительных элементов и считывающую электронику на одной базовой кремниевой подложке. К основным преимуществам, отличающим ИК приборы на основе неохлаждаемых микро болометрических многоэлементных приемников, помимо отсутствия системы криогенного охлаждения, относится возможность работы без модуляции регистрируемого потока излучения.
Отмеченное выше позволяет создавать на основе микро болометрических приемников инфракрасные приборы, имеющие малые габариты, вес, энергопотребление и стоимость в 10-100 раз меньшую, чем у приборов на основе криогенных фотонных приемников ИК излучения. Это открывает возможность использование таких приборов не только для решения оборонных задач, но и во многих гражданских применениях [5, 6].
Помимо задач,, решаемых с помощью двумерных крупноформатных(320x240 и более) неохлаждаемых матриц, существует ряд задач, где вполне достаточно использование одномерных матриц (линеек), причем среднего формата (-1x100). Это, например, тепловизионные приборы для автоматического контроля пожароопасных устройств и помещений, системы ориентации космических аппаратов по И К излучению Земли и автоматического контроля некоторых производственных процессов в различных отраслях промышленности. Неохлаждаемые микро болометрические линейки (МБЛ) еще более просты в изготовлении и эксплуатации, дешевле и экономичнее, чем матрицы.
В нашей стране работы по неохлаждаемым болометрическим многоэлементным приемникам начаты всего несколько лет назад и находятся в стадии лабораторных разработок, что в значительной степени сдерживает разработку малогабаритных и дешевых тепловизионных приборов широкого назначения.
Основной задачей диссертационной работы являлась разработка неохлаждаемого микроболометрического многоэлементного приемника излучения для использования в малогабаритных И К приборах малой стоимости.
Решение поставленной задачи требовало выполнения следующих исследований и разработок:
1. Исследование электрофизических и шумовых свойств тонкопленочных полупроводниковых материалов для термочувствительного слоя приемного элемента и особенностей их применения в неохлаждаемых микро болометрах.
2. Отработка технологических методик напыления термочувствительного слоя с необходимыми электрофизическими, шумовыми и технологическими свойствами. 3. Проведение расчетного анализа параметров микро болометров и многоэлементного приемника на их основе.
4. Разработка топологии, структуры и технологических методик изготовления микро болометрической линейки.
5. Создание макетного образца неохлаждаемой микроболометрической линейки и исследование характеристик ее элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Исследования шумовых свойств тонких пленок оксида ванадия (VOx) выявили, что основным источником избыточного токового шума, в том числе и при комнатной температуре, являются особенности фазового перехода металл-полупроводник зерен диоксида ванадия. Величина токового Mf шума зависит от мелкозернистости пленки и процентного содержания VO2.
2. Показана возможность использования большой крутизны зависимости R(T) в области фазового перехода только при условии импульсного питания болометра, для чего изучены особенности работы болометра на основе пленки VOx с преимущественным содержанием диоксида ванадия в широком температурном интервале, включающем фазовый переход металл-полупроводник.
3. Разработана методика расчета основных параметров неохлаждаемых микроболометров, в которой параметром оптимизации является ток смещения.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Использование микроболометра на основе пленки диоксида ванадия в области фазового перехода полупроводник-металл имеет следующие особенности:
- повышение вольтовой чувствительности за счет большой крутизны температурной зависимости сопротивления требует импульсного смещения, исключающего влияние гистерезисного характера перехода; - при смещении постоянным током чувствительность микроболометра уменьшается, т.к. оказывается пропорциональной сопротивлению пленки VO2 и температурному коэффициенту сопротивления полупроводниковой фазы пленки.
2. Пленки оксида ванадия VOx с содержанием кислорода, определяемым соотношением 2 х 2,5, и мелкозернистой структурой не имеют фазового перехода и обладают значительно меньшим токовым Vf шумом по сравнению с пленками диоксида ванадия. Применение таких пленок в качестве термочувствительного слоя неохлаждаемых микроболометров расширяет область рабочих температур до 80-90°С и повышает обнаружительную способность в 5-7 раз.
3. Разработанная технология изготовления микроболометрических линеек, реализованные величины теплоемкости чувствительных элементов и тепловой проводимости их связи с теплостоком, полученный низкий уровень токового Mf шума пленок VOx обеспечивает достижение обнаружительной способности до 109 см Гц1/2/Вт.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов заключается в следующем. Разработан, изготовлен и исследован один из первых отечественных макетных образцов неохлаждаемой 65-элементной микроболометрической линейки. Разработанная технология изготовления многоэлементного неохлаждаемого микроболометрического приемника мембранного типа может быть использована в дальнейшем при промышленном выпуске таких приемников, а также при разработке охлаждаемых микроболометрических приемников излучения. Даны практические рекомендации и намечены пути улучшения характеристик неохлаждаемых микроболометров. Методики расчета и результаты проведенных исследований болометрических, свойств полупроводниковых тонкопленочных материалов могут быть использованы при разработке разнообразных неохлаждаемых микроболометрических приемников ИК излучения. ,
Апробация. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
1. Всероссийском симпозиуме с участием ученых из стран СНГ "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С. Петербург, 1998 г.)
2. Международных конференциях "Прикладная оптика 98" и "Прикладная оптика-2000" (С. Петербург, 1998, 2000 гг.)
3. XV и XVI Международных научно-технической конференциях по фотоэлектронике, электронным и ионно-плазменным технологиям. (Москва, 1998,2000 гг.)
4. Международной конференции молодых ученых и специалистов "Оптика-99" (С. Петербург, 1999 г.)
5. II Международной конференции "Аморфные и микрокристаллические полупроводники" (С. Петербург, 2000 г.)
6. 16th International Conference on Noise in Physical Systems and 1/f Fluctuations ICNF-16 (Gainesville, USA, 2001).
7. Научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Санкт-петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» (С. Петербург, 1999-2002 г.г.)
Пленки аморфного и поликристаллического кремния, германия и их соединений
Пленочный аморфный и поликристаллический кремний является материалом, давно и широко используемым в микроэлектронике. Применяется он, в частности, и как термочувствительный материал в неохлаждаемых МБМ [32, 33]. Пленки аморфного кремния (a-Si) могут иметь высокий ТКС от 1,8 до 6 %/К, в зависимости от условий получения пленок. Температура осаждения 400С делает этот материал вполне совместимым с технологией создания элементов схемы считывания сигнала.
Существуют два отработанных метода получения тонких пленок a-Si -плазмохимическое газофазное осаждение (ПХГФО) и анодное распыление (АР). Первым методом получают аморфный гидрогенизированный (гидрированный) кремний (а-Si.H), вторым - как гидрогенизированный, так и негидрогенизированный a-Si. Метод ПХГФО позволяет получить пленки с низким механическим напряжением и хорошей однородностью свойств по площади, кроме того, параметры напыления легко контролируются. Удельное сопротивление материала регулируют, применяя легирование фосфором (легирование n-типа). Так, при слабом легировании получают пленки с удельным сопротивлением до 105 Ом-см и ТКС до 6 %/К [34]. При р« 103 Ом-см величина ТКС снижается до -2,5 %/К.
В случае a-Si:H, полученного методом АР, удельное сопротивление зависит от степени пассивации водородом (чем больше содержание водорода, тем больше сопротивление), которая регулируется парциальным давлением водорода в аргоно-водородной газовой смеси в распылительной камере. Точный контроль содержания водорода в пленках a-Si:II, полученных этим методом затруднен, что вызывает проблемы с однородностью и воспроизводимостью свойств пленок. При одинаковом удельном сопротивлении, пленки, полученные методом ПХГФО, имеют более высокую энергию активации проводимости и, соответственно, более высокий ТКС, почти вдвое превышающий ТКС пленок, полученных анодным распылением [35].
В работе [35] отмечается, что пленки a-Si:H, полученные методом ПХГФО, имеют высокий уровень І/f шума. В дополнение к У//" шуму, в этих пленках наблюдался телеграфный шум, связанный с наличием в материале дефектов, которые являются центрами захвата электронов с характерной, постоянной времени т/. В пленках, полученных анодным распылением, телеграфного шума не наблюдалось, а величина спектральной плотности мощности напряжения l/f шума была меньше почти на 3 порядка и на частоте 80 Гц всего в 2 раза превышала спектральную плотность мощности напряжения джонсоновского шума (рис. 5) [35]. Отмечается, что причиной более высокого уровня шума в ПХГФО a-Si:H является более высокое содержание водорода и, соответственно, более высокий уровень неоднородности, связанный с протяженностью Si-Hn комплексов и временной нестабильностью (метастабильностью) Si-H связей [36]. Авторы [37] объясняют высокий уровень 1/f шума в аморфном гидрированном кремнии неравномерностью распределения водорода и его движением (диффузией) в материале.
Микроболометрические элементы на основе аморфного гидрогенизированного кремния были реализованы в сэндвичном варианте [35]. Электроды представляли собой пленки NiCr, причем их сопротивление и толщину термочувствительного слоя выбирали так, чтобы реализовать оптический четвертьволновый резонатор, настроенный на длину волны 10 мкм. Одной из проблем, решаемых при изготовлении микроболометра, было создание омических контактов с линейной ВАХ, независящей от направления тока. Другая проблема связана с наличием механических напряжений в аморфном кремнии, приводящим в некоторых случаях к разлому микроболометра. Эта проблема решалась подбором условий напыления, травления и отжига пленок. Обнаружительная способность элементов ограничивалась величиной избыточного l/f шума и достигала = 2хЮ8см-Гц1/2/Вт.
Авторы работ [38-42] использовали легированный аморфный кремний, не указывая метод получения. В зависимости от степени легирования пленки с удельным сопротивлением в пределах от 102 до 104 Ом-см имели ТКС от 2,5 до 5 %/К (рис. 6) [38]. Высокий уровень легирования, несмотря на меньший ТКС, предпочтительней с точки зрения контроля процесса напыления, однородности и удельного сопротивления. Чувствительный элемент созданной МБМ построен в сэндвич-плоскостном варианте. Отсутствие дополнительного поддерживающего слоя и малая толщина использованных слоев позволила получить низкую теплоемкость микроболометра-3,5х10"10Дж/К. Однако, малая толщина слоев уменьшала и механическую прочность чувствительного элемента - он имел тенденцию к прилипанию к подложке при пропускании тока. Эта проблема была решена применением четырех поддерживающих ножек, вместо двух [41]. Для сохранения прежней теплоизоляции ширина ножек была уменьшена более чем вдвое (1,25 мкм вместо 3 мкм) при длине 12 мкм. В результате тепловая проводимость составила 6,5 10"8 Вт/К. Высокий уровень легирования a-Si способствовал снижению избыточного І/f шума и устранению телеграфного и контактного шумов.
Аморфный кремний практически не участвует в поглощении, выполняя только функции термочувствительного слоя. Поглощение осуществляется, например, с помощью А1 зеркала, напыленного на базовую подложку [38]. Вывешиванием на высоте -2 мкм над А1 зеркалом авторами [39] реализован четвертьволновый резонатор, что дает коэффициент поглощения в полосе 8... 12 мкм более 80%.
Важной особенностью легированного аморфного кремния, связанной с высоким уровнем несовершенства структуры, является нестабильность его характеристик, в частности сопротивления, при некоторой равновесной температуре (обычно 90С). Это объясняется наличием в материале двух возможных состояний: стабильного и метастабильного, разделенных потенциальным барьером. Высота барьера определяет температуру (равновесная температура), при которой возможно нестабильное поведение материала и, соответственно, приборов на его основе. Авторы [41] установили, что если материал при температуре ниже равновесной (180С) оказывался в стабильном состоянии, то он мог сохранять свои свойства длительное время (до 1000 часов).
Плоскостные структуры на основе VOx пленок
Пленки оксида ванадия для плоскостных структур получали методом реактивного магнетронного ионно-плазменного распыления ванадиевой мишени. После проведения первой серии исследований [67], были зафиксированы основные технологические параметры - парциальные давления аргона и кислорода в камере, мощность разряда и плотность тока магнетрона - для получения пленок с преимущественным содержанием диоксида ванадия. Варьировали температуру подложки (500 - 400С) и время напыления (30-15 мин) при средней скорости осаждения 1,8 А/с. При этом исходили из результатов исследования характеристик фазового перехода слоев диоксида ванадия в зависимости от их толщины. Ранее было установлено, что максимальные изменения как электрических, так и оптич.еских характеристик получаемых слоев наблюдаются, начиная с толщины 0,2 - 0,25 мкм. При толщине 0,3 мкм и более указанные изменения приближаются к значениям, характерным для массивных образцов.
В качестве электродов использовали полученные магнетронным распылением пленки титана с поверхностным сопротивлением 100 Ом. Титан обладает малой удельной объемной теплоемкостью и коэффициентом теплопроводности и является наиболее подходящим материалом для микроболометров в матрице. Кроме того, работа выхода электронов в Ті близка к энергии активации проводимости диоксида ванадия, что способствует формированию более омичных контактов (снижается потенциальный барьер на границе термочувствительный слой - контакт).
Плоскостная структура позволяет использовать 4-х зондовый метод исследования шума, поэтому один из вариантов топологии съемных масок для напыления электродов этих структур предусматривал формирование двух дополнительных "потенциальных" электродов. Это давало возможность выделить из измеренного шума структуры шум контактов термочувствительного слоя с электродами. Контактный шум, вносил заметный вклад в полный шум структур некоторых образцов. Этот шум удалось устранить посредством очистки приконтактных зон пленки VOx в плазме тлеющего разряда перед напылением пленки Ті.
Пример спектров шума плоскостной структуры с очищенными приконтактными зонами приведен на рис. 136. Определяющим токовый шум становится при токах больших ЮмкА и на частотах меньше 100 Гц. Результирующее напряжение шума образца 12-4 на частоте 30 Гц при токе ЮмкА в 4 раза превышает напряжение джонсоновского шума, а при токе 1 мкА - равно ему. Значение степени частотной зависимости токового шума (а в выр. (5)) для исследованных образцов изменялась в пределах 0,9-1,2.
Отличие плоскостных образцов по шумовому параметру К (см. таблицу 4) и степени а указывает на различие структур пленок VOx. В работе [68] были установлены некоторые корреляции шумовых характеристик со структурой и технологическими параметрами изготовления пленок VOx. В основе избыточного токового шума в пленках оксида ванадия лежит несовершенство их структуры. В этом случае механизм формирования шума можно объяснить, используя модель дефектов флуктуаторов (ДФ), в которой рассматриваются перескоки атомов ванадия по дефектам кристаллической решетки.
Температурный коэффициент сопротивления образцов при 25С имел величину от 2,3 до 3 %/К при удельном сопротивлении 0,3-1 кОмсм. По величине ТКС они несколько превосходят микроболометры опубликованных неохлаждаемых матриц [21-23]
Обеспечение высокого ИК поглощения микроболометра является важной задачей разработки МБМ. В микроболометрах для этой цели необходимо использовать оптические свойства тонкопленочных структур, включающих пленки электродов, термочувствительного слоя и пассивирующие пленки, т.к. традиционные для тепловых приемников способы, такие как нанесение чернящих покрытий, здесь не приемлемы.
В структурах сэндвичного типа может быть реализован оптический резонатор [3, 10, 64], настроенный на определенную длину волны. Для этого поверхностное сопротивление верхнего пленочного электрода должно быть согласовано с волновым сопротивлением вакуума (377 Ом), нижний электрод должен быть высокоотражающим, т.е. иметь поверхностное сопротивление 20 Ом, а толщина h термочувствительного слоя - удовлетворять соотношению 4 П h = X , (9) где: п - коэффициент преломления слоя, X - длина волны излучения, которое нужно поглотить. Чтобы получить резонансное поглощение в сэндвиче со слоем aSi:H на Л = 10 мкм, нужна толщина слоя h - 0,7 мкм.
В плоскостных структурах можно использовать собственное поглощение слоев, защищающих сверху и снизу термочувствительный слой, и интерференционные явления на границах названных слоев. Плоскостная структура не предполагает высокоотражающей металлической пленки под приемной площадкой микроболометра и поэтому часть излучения проходит через нее. С другой стороны, для эффективной теплоизоляции приемной площадки ее отделяют от подложки вакуумным зазором. Это тоже может быть использовано с целью увеличения" поглощения микроболометра, если зазор сделать четвертьволновым для центральной длины волны требуемой полосы поглощения.
Исследование оптических свойств сэндвичных и плоскостных структур проводились совместно с ИИ. Шагановым. Использовались образцы размерами 5x10 мм2 и 100x100 мкм2 [69], которые получали совместно на одной подложке. Размеры больших образцов позволяли проводить спектрофотометрические измерения с помощью стандартного И К оборудования. Измерения спектров пропускания и отражения в диапазоне длин волн 2,5...25 мкм были проведены на двухлучевом спектрометре IR-75, оборудованном дополнительной отражательной приставкой.
Зависимость чувствительности от температуры
Термочувствительный элемент болометра имел зависимость сопротивления R от температуры с характерным для УОг-пленок гистерезисным фазовым переходом. (Далее мы будем называть термочувствительную пленку УОг-пленкой, имея в виду ее основную компоненту.) Зависимость ЩТ) элемента, приведенная на рис. 17а, получена при токе 2 мкА в теплообменном газе. В диапазоне температур 15-45С она соответствует полупроводниковому характеру проводимости, в интервале 45 - 55С наблюдается фазовый переход полупроводник-металл, а при температурах выше 57С проводимость имеет металлический характер.
Зависимость абсолютного значения крутизны от температуры, рассчитанная из экспериментальной зависимости ЩТ), также приведена на рис. 17а. Она имеет локальный минимум при 35С и абсолютный максимум при температуре 50С. При фиксированном токе зависимость ЩТ) в соответствии с формулой (1) должна повторять ход крутизны dR dT от температуры. Однако результаты следующего эксперимента не подтвердили этого.
В . эксперименте регистрировали отклик болометра на модулированное с частотой 12,5 Гц излучение лазера с длиной волны Л = 3,36 мкм при изменении температуры теплостока. Ток смещения был выбран таким образом, чтобы джоулевый нагрев болометра не влиял на точность измерения температуры. Зависимость SR(T) приведена также на рис. 17а. Значения 9? нормированы на величину минимальной чувствительности, при которой еще можно было уверенно регистрировать выходной сигнал болометра. Из рис. 17а видно, что ход ЩТ) повторяет ход R(T), но не зависимость от температуры dR/dT. Подтверждением этому является зависимость ffl(R), имеющая четко линейный характер. Уменьшение тока смещения в 2 раза привело к двукратному снижению чувствительности, но не повлияло на характер зависимостей ЩТ) и ffl(R).
Экспериментальную зависимость чувствительности болометра к модулированному излучению от температуры в области фазового перехода можно объяснить следующим образом. Воздействие модулированного потока излучения на болометр приводит к периодическому повышению температуры чувствительного элемента на ЛТ = ЛФ/G, где ЛФ - мощность поглощенного излучения, и последующему охлаждению до исходной температуры во время перекрытия потока обтюратором. Предположим, что исходная температура чувствительного элемента То выбрана в начале перехода и сопротивление элемента равно R(T0) (рис. 176). После первичного полупериодного облучения температура станет равной Г/ = То + ЛТ, а. сопротивление уменьшится на ЛR = R(T0) -R(Tj), соответствующее приращению температуры при движении по нисходящей ветви петли гистерезиса зависимости R(T). Во втором полупериоде, при охлаждении, сопротивление сначала возрастет за счет зависимости от температуры сопротивления микрообластей, находящихся при Ті в полупроводниковой фазе. Затем, достигнув значения ЩТ2), сопротивление возрастет до R (To) на восходящей ветви гистерезиса из-за увеличения объема микрообластей, перешедших в полупроводниковую фазу. В последующий полупериод (облучение) сопротивление уменьшится до R(Ts) на нисходящей ветви, а затем до R(Tj) и т.д. Видим, что из-за гистерезиса реальное приращение сопротивления, начиная со второго полупериодного облучения, значительно ниже значения, получаемого при том же приращении температуры при стационарном нагревании.
Выше мы рассмотрели случай "мощного" оптического сигнала, при котором полупериодное повышение температуры превышает ширину петли гистерезиса. Если соотношение между поглощенной мощностью сигнала и тепловой проводимостью таково, что AT = Т\ -То (рис. 176) не превышает ширины петли гистерезиса ("слабый" сигнал), то после первичного полупериодного облучения сопротивление пленки уменьшится на AR = R(To) -R(Tl) так же, как в первом случае, а процесс охлаждения до температуры То и повышение сопротивления до R (To) произойдет одноступенчато без изменения соотношения между объемами полупроводниковых и металлических микрообластей пленки VO2. В следующий полупериод сопротивление также одноступенчато возвратится к значению R(T]). В этом случае ТКС VCb-пленки определяется только зависимостью от температуры сопротивления микрообластей, находящихся в полупроводниковой фазе при температуре Т\.
Моделирование условий достижения максимальной вольтовой чувствительности и обнаружительнои способности
Характеристикой, используемой для оценки тепловизионных приборов, является разность температур объекта наблюдения, вызывающая электрический сигнал, эквивалентный напряжению шума на выходе приемного устройства (NETD) [9, 91]. Упрощенный вариант определения этой характеристики состоит в следующем [9]. Предположим, что тепловой приемник установлен в фокальной плоскости некоторой оптической системы с эквивалентным фокусным расстоянием F и диаметром d входного зрачка объектива, а целью является удаленный протяженный источник, излучающий как черное тело с температурой Ts. Если, идеализируя задачу, считать, что в рабочем интервале длин волн [Я1/Л.2] пропускание атмосферы и всей оптики между целью и приемником равно 1, то лучистый поток Ф, падающий на приемник, можно представить в виде: 0 = j0\M(X,Ts)dXt (18) где Л - как и прежде площадь приемника, М(Л, TJ - спектральная плотность потока излучения черного тела, описываемая законом Планка: М(Х, Ts ) = — , (19) \ где h - постоянная Планка, Со - скорость света. Предположим, что температура цели изменилась на АТ3. Это приведет к изменению падающего на приемник потока на величину: А. d2AA?dM(A,Ts) ЛФ = —- - —ATsdX (2Q\ 4F2{ дТ s { ] При этом на выходе приемника появится сигнал, равный: АУ=ШФ. (21) Подставляя ЛФ в виде (20), получим: 4F2 I дТ (22)
Интеграл в (22) обычно обозначают (AM/AT) и называют температурным контрастом. Когда приращение ATS вызывает AV, равное напряжению шума приемника V„ в частотной полосе измерений (отношение сигнал/шум на выходе приемника равно 1), получаем выражение для NETD: 4F2V NETD= (23) й2АЩАМІАТ) В соотношение (23) входят геометрические параметры оптики, поэтому для сравнения И К систем обычно проводят пересчет к случаю с относительным отверстием оптики равным 1:1, т.е. F/d- 1.
Температурный контраст определяется рабочим спектральным интервалом и температурой цели или фона, если цель - точечный источник. Так, для интервала длин волн 8...14 мкм, где тепловые приемники наиболее эффективны, (AM/AT) = 2,6-10"4 Вт см"21С1 при Ts = 300 К, а при Ts = 350 К -3,9-1СГ Вт-см-21С1.
Применение в тепловизионном приборе микроболометрической линейки предполагает сканирование, в нашем случае, по крайней мере, с 64-х кратным опросом каждого элемента за кадр. При этом максимальная частота кадра, определяемая постоянной времени микроболометра fK-1/64 г, составляет 2,8 Гц и 1,6 Гц, соответственно для г равной 5,5 мс и Юме. Считывание может производиться так же с помощью либо 64 предусилителей, либо одного предусилителя. При этом в первом случае ширина частотной полосы пропускания измерительного тракта А// для рассматриваемых постоянных времени должна быть не меньше 90 Гц и 50 Гц, что соответствует Д/S = 1/2г. В случае одного предусилителя ширина частотной полосы пропускания измерительного тракта A/i" - 5824 Гц и 3200 Гц для травной, соответственно, 5,5 мс и 10 мс.
На рис. 27 и 28 представлены расчетные зависимости NETD от тока смещения для всех вариантов значений Ro, G и К, рассматриваемых выше. Анализируя выражение (23), с учетом выражения (3) для D , видим, что NETD -yJAfi /D . Действительно, зависимость NETD(I) имеет минимум, положение которого должно соответствовать положению максимума на зависимости D (I). Однако меньшие значения NETD получены для меньшей частотной полосы пропускания измерительного тракта A/i, в отличие от обнаружительной способности, большие значения которой получены для большей A/i.
Для случая 64 предусилителей уменьшение G в 3,5 раза более заметно повлияло на NETD, чем уменьшение К на порядок, причем как для /?о = 15кОм, так и для /?о=100кОм. Это объясняется тем, что, кроме увеличения вольтовой чувствительности и уменьшения фононного шума, уменьшение G привело к уменьшению требуемой полосы пропускания измерительного тракта. Это сказалось на величине напряжения токового шума, который в области низких частот имеет значительную величину.
