Разработка неохлаждаемого болометра на основе пленок окислов ванадия Маслов Дмитрий Михайлович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Разработка и исследование технологических основ создания пленок на основе VOx 10

1.1. Исследование влияния легирующих примесей на характер температурной зависимости сопротивления пленок VOx 10

1.2. Резистивный метод контроля толщины тонких пленок ванадия 19

1.3. Метод вакуумного напыления пленки ванадия на диэлектрические подложки 23

1.4. Окисление тонких пленок ванадия в условиях воздушной среды 33

1.5. Морфология тонких пленок VOx 40

Глава 2. Исследование параметров болометра 52

2.1. Исследования температурной зависимости удельного сопротивления термочувствительного слоя 52

2.2. Спектральный коэффициент пропускания термочувствительного элемента на основе пленок VOx 65

2.3. Исследование энергетической экспозиции болометра

2.5. Исследование быстродействия и вольтовой чувствительности болометра 75

2.6. Исследование шумов и эксплуатационных параметров болометра

2.5 Отжиг пленок VOx в вакууме 86

Глава 3. Разработка конструкции неохлаждаемого болометра и измерительного модуля на его основе 91

3.1. Разработка конструкции неохлаждаемого болометра 91

3.2. Разработка конструкции измерительного модуля на основе неохлаждаемого болометра 99

Заключение 105

Список литературы 108

• Метод вакуумного напыления пленки ванадия на диэлектрические подложки
• Морфология тонких пленок VOx
• Спектральный коэффициент пропускания термочувствительного элемента на основе пленок VOx
• Разработка конструкции измерительного модуля на основе неохлаждаемого болометра

Введение к работе

Актуальность темы исследования.

Одной из тенденций развития современных одноэлементых ИК приемников
излучения, наряду с повышением их чувствительности, является снижение их
стоимости, массо-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. Появление высокочувствительных неохлаждаемых

инфракрасных приемников излучения расценивается специалистами как наиболее значительное достижение ИК-техники за последние четверть века.

Эти приемники по чувствительности в средней ИК-области приближаются к криогенным фотонным приемникам и выгодно отличаются от них неселективностью в широком спектральном интервале и значительно меньшей стоимостью. Меньшая стоимость обусловлена применением более дешевых материалов и совместимостью технологии их изготовления с технологическими процессами современной технологии кремниевых интегральных микросхем. К основным преимуществам, отличающим ИК-приборы на основе неохлаждаемых болометрических приемников, помимо отсутствия системы криогенного охлаждения, относится возможность работы без модуляции регистрируемого потока излучения.

Отмеченное выше позволяет создавать на основе 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.
Одним из перспективных материалов для применения в качестве

термочувствительного элемента болометрического приемника является пленка на основе окислов ванадия VOx.

Цель исследования – разработка физических и технических принципов создания болометрического приемника лазерного излучения на основе пленки VOx

Задачи исследования.

1. Исследование технологических основ создания пленок окислов ванадия VOx с
шириной петли термического гистерезиса сопротивления не менее 20С и скачком
электропроводности не менее одного порядка.

2. Исследование морфологии, электрофизических и шумовых свойств
наноматериала на основе пленки VOx в зависимости от параметров технологического
процесса его изготовления.

3. Разработка конструкции болометрического приемника с внутренней памятью.

4. Исследование эксплуатационных параметров: постоянной времени,
фундаментальных шумов и обнаружительной способности болометра в диапазоне 0.5-
12 мкм в зависимости от геометрических размеров термочувствительного элемента на
основе пленки VOx.

5. Разработка измерительного модуля на длинах волн 0.5-12 мкм, включающего
в себя болометрический приемник, схему обработки и отображения информации,
обеспечивающего контроль энергетических характеристик непрерывного и
импульсного лазерного излучения.

Научная новизна.

1. Разработан двухстадийный способ изготовления пленочного материала на основе смеси фаз VOx, где x=1.5-2.02, включающий напыление в вакууме пленок ванадия толщиной 30-40 нм с последующим окислением на воздухе при 300С по времени, пропорциональным толщине ванадия. Способ обеспечивает получение

пленок VOx с температурным гистерезисом сопротивления со скачком до 1,5 порядка величины внутри петли, шириной петли 22С и температурой середины петли 45С.

1. Разработан промышленный технологический маршрут изготовления пленок VOx с заданными электрическими параметрами, включающий методы измерения толщины пленок ванадия и сопротивления слоя VOx в процессе его формирования.

2. Разработана плоская герметичная конструкция болометра с входным окном для регистрации пучков лазерного излучения диаметром 1-14 мм, обеспечивающая хранение регистрируемой информации. Получен патент на изобретение №2456559.

4. Определены фундаментальные шумы болометра (джонсоновский,
радиационный, 1/f), при размерах термочувствительного элемента на основе VOx 1-30
мм. Обнаружительная способность болометра составляет 4.310⁶-110⁶ Вт^-1смГц^1/2 при
постоянной времени 2.4610^-5-2.210^-2 с соотвественно.

5. Разработано автономное средство измерения на длинах волн 0.5-12 мкм,
включающее болометр, схему преобразования и знакосинтезирующие индикаторы для
визуализации измерительной информации.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработана и внедрена в опытное производство ФГУП «НПП «Алмаз»
технология изготовления наноматериала на основе VOx с заданными электрическими
параметрами.

3. Разработан новый класс болометрических приемников на основе пленок VOx с внутренней памятью, обеспечивающих измерение непрерывного и импульсного лазерного излучения на длинах волн 0.5-12 мкм

4. Конструкция неохлаждаемого болометра на основе пленки VOx обеспечивает регистрацию пучков лазерного излучения диаметром 1-14 мм и обладает режимом памяти.

4. Болометр на основе пленки VOx по чувствительности, быстродействию и динамическому диапазону превосходит полупроводниковые и пироэлектрические приемники.

5. Интегральная конструкция измерительного модуля, включающего болометр, схему преобразования и визуализации, позволяет использовать прибор в научно-исследовательских лабораториях, промышленности, ВПК.

6. Совокупность результатов работы, которые включают в себя комплексное решение научных задач создания полупроводниковых болометров, можно рассматривать как вклад в развитие основ проектирования приемников лазерного излучения с улучшенным комплексом энергетических и массогабаритных параметров.

На защиту выносятся:

1. Метод совместной вариации толщины пленки ванадия, температуры и
времени ее термообработки, позволяющий получать пленки VOx толщиной 60-80 нм,
шириной петли термического гистерезиса 20С, температурой середины петли 45С и
со скачком сопротивления 1.5 порядка величины.

2. Технология изготовления наноматериала на основе пленки VOx с заданными электрическими параметрами, включающая методы измерения толщины пленок ванадия и сопротивления слоя VOx в процессе его формирования.

3. Конструкция болометра с реализацией режима памяти для измерения пучков диаметром 1-14 мм непрерывного и импульсного лазерного излучения на длинах волн 0.5-12 мкм.

4. Результаты исследования постоянной времени, фундаментальных шумов (1/f, радиационный, джонсоновкий) и обнаружительной способности болометрического приемника при вариации диаметра приемной площадки 1-30 мм.

5. Интегральная конструкция измерительного модуля на длинах волн 0.5-12 мкм, включающая болометрический приемник, схему преобразования и знакосинтезирующие индикаторы для визуализации измерительной информации.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов подтверждается как большим числом согласующихся с теорией экспериментов, так и статистической устойчивостью их результатов. Ещ одним подтверждением достоверности является то, что основные результаты диссертации опубликованы в ведущих российских научных изданиях, где они прошли тщательное рецензирование, а также представлены на ряде всероссийских и международных конференциях.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы
электронного приборостроения АПЭП-2010» и «Актуальные проблемы электронного
приборостроения АПЭП-2012» (Саратов, 2010, 2012 гг.)

2. IX и X научно-технических конференциях «Твердотельная электроника,
сложные функциональные блока РЭА» (г. Звенигород, 2010, г. Дубна, 2011).

3. Международной научной конференции «Математические Методы в Технике и
Технологиях - ММТТ- 24» (Саратов, 2011). Получен приз конкурса «У.М.Н.И.К.» в
рамках «Школы молодых ученых».

Основные научные результаты по теме исследования отражены в десяти печатных работах, в том числе двух рецензируемых изданиях из перечня ВАК РФ. Получен патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы из 24 наименований. Общий объем составляет 113 страниц, в том числе 13 таблиц и 59 иллюстраций.

Метод вакуумного напыления пленки ванадия на диэлектрические подложки

Для получения пленок ванадия в диапазоне толщин 20-40 нм был скорректирован резистивный метод контроля толщины. Следует заметить, что, если удельное поверхностное сопротивление пленки остается неизменным в течении осаждения, то толщину d пленки ванадия можно непрерывно контролировать по значению удельного поверхностного сопротивления свидетеля (Rс=/d, где – удельное поверхностное сопротивление ванадия). Указанное соотношение выполняется при больших толщинах пленок, а при толщинах несколько десятков нм оно не выполняется, так как при начальных стадиях роста пленка состоит из зародышей и плохо связанных металлических островков. Когда пленка становится сплошной, она имеет область толщин, где наблюдается изменение удельного сопротивления вследствие уменьшения поверхностного рассеяния электронов [7]. Контроль толщины напыляемых пленок ванадия проводился с помощью резистивного метода. В качестве датчика выступала слюдяная подложка с заданной геометрией и золотыми контактами.

На рис. 1.8 показан измеритель сопротивления тонких резистивных пленок. 1 – подложка, 2 – адгезионный слой на основе Au Рис. 1.8. Измеритель сопротивления тонких резистивных пленок

В процессе напыления пленка ванадия осаждается на датчик и перекрывает участок диэлектрической подложки 1 между краями контактных площадок 2, обращенных друг к другу. В процессе формирования ванадиевой пленки между токоведущими электродами возникает проводимость. С помощью мультимера измеряется величина сопротивления формируемой металлической пленки ванадия. По достижению заданной величины удельного поверхностного сопротивления пленки ванадия процесс напыления прекращают.

Совместное использование эллипсометрического (прибор ЛЭМ-2) и спектрофотометрического (Shimadzu MPS-5000) методов позволила с большой точностью определить толщину слоя ванадия, при этом четырехзондовым методом измерялось ее удельное поверхностное сопротивление [2].

Полученная таким образом экспериментальная зависимость величины удельного поверхностного сопротивления пленки ванадия от толщины приведена на рис. 1.3.

По сути это единственная возможность с достаточно высокой точностью (±2,5%) определить исходную толщину ванадия. Как показали эксперименты, пленки металлического ванадия, полученные методом термического распыления, являются поликристаллическими. Размер зерен металлических пленок ванадия зависит от толщины пленки. Поэтому в данном случае можно привлечь теорию масштабного эффекта, которая предполагает снижение зависимости сопротивления пленки от ее толщины При разработке промышленной технологии использование резистивного метода контроля очень заманчиво, так как он отличается чрезвычайной простотой. (а), б – значение от d в увеличенном масштабе Рис. 1.9. Зависимость величины удельного поверхностного сопротивления пленки от толщины 1.3. Метод вакуумного напыления пленки ванадия на диэлектрические подложки

Изготовление пленок VOx базируется на двухстадийном процессе, включающем нанесение в вакууме на диэлектрическую подложку слоя V определенной толщины и окисление его на воздухе при температурах 300-480С до формирования пленки VOx. Использованная технология получения слоев и структур на основе диоксида ванадия технологически достаточно проста и воспроизводима, позволяет получать структуры большой площади.

В работе [7] показано, что для получения пленки ванадия с минимальными размерами кристаллитов ее напыление на диэлектрическую подложку следует проводить при комнатной температуре. При термическом напылении пленки ванадия расстояние от навески до подложки составляло не менее 30 см, чтобы обеспечить равномерное распределение зародышей по поверхности диэлектрической подложки. Скорость столкновения молекул пара (ванадия) с подложкой выбиралась из расчета возможности контроля.

Гладкая поверхность подложки инициирует формирование однотипных мелких зародышей. При комнатной температуре подложки и выбранной скорости поступления на подложку атомов ванадия, образуется устойчивый зародыш, состоящий из двух атомов ванадия. При этом в процессе конденсации паров ванадия зародыши не имеют возможности испарятся с поверхности подложки. Таким образом, при термическом напылении пленки ванадия на диэлектрическую подложку при комнатной температуре, по сравнению с другими способами (катодное распыление, лазерная абляция), обеспечивается формирование ванадиевой пленки с минимальными размерами кристаллитов. Для разных предприятий (ОАО «НПП «Алмаз» и ОАО «НПП «Инжект», г. Саратов) были разработаны соответствующие технологические маршруты изготовления пленок VOx с учетом имеющегося на предприятиях оборудования. Для ОАО «НПП «Алмаз» технологический маршрут базируется на универсальной установке вакуумного напыления УРМ 3.279.060 (рис. 1.10), на которой осуществляется напыление металлов и защитных покрытий. Содержание контролируемых примесей в распыляемой навеске ванадия должно удовлетворять требованиям и нормам, указанным в таблицах 1.1 и 1.2.

В качестве подложки используется поликоровая пластина с 14-м классом шероховатости поверхности. Напыление проводилось в следующих условиях: вакуум – 1.310-3 Па; расстояние между нагревателем и подложкой не менее 30 см; скорость вращения карусели 80 об/мин; скорость напыления на подложку при комнатной температуре 0.93 нм/с.

Морфология тонких пленок VOx

Высота плиты вдвое превышает высоту ее основания, а верхняя поверхность плиты вдвое меньше поверхности основания. Указанная форма металлической плиты обеспечивает равномерный профиль температуры на ее верхней поверхности. Материалом плиты является нержавеющая сталь для предотвращения окисления ее поверхности и попадание продуктов окисления в воздушную среду окислительной камеры. Дополнительно на верхнюю поверхность металлической плиты помещалась массивная пластина кварца, на которую помещался объект термической обработки. Чтобы обеспечить равномерную температуру воздуха внутри окислительной камеры, при условии постоянного подвода энергии от электрического нагревателя, необходимо сбалансировать скорости нагрева плиты и охлаждения воздуха окислительной камеры. Окислительная камера представляет собой прозрачный куб, выполненный из огнеупорного стекла. Верхняя поверхность куба является съемной для возможности размещения образца на поверхности кварцевой пластины и его извлечения. Эксперименты показали, что, если верхняя поверхность куба выполнена из двух равных половин с обеспечением зазора между ними 5 мм, то обеспечивается требуемая балансировка скорости подвода и отвода тепловой внутри окислительной камеры. Прозрачные стенки куба обеспечивают удобный визуальный контроль процесса окисления и облегчают контроль температуры как на окисляемой поверхности, так и внутри окислительной камеры. Шероховатость поверхности металлической плиты соответствует 8-му классу, а шероховатость поверхности кварцевой пластины и шероховатость поверхности подложки соответствуют 14-му классу. Это необходимо для обеспечения равномерно нагрева развитой поверхности диэлектрической подложки. Для безопасного размещения и извлечения диэлектрической подложки с пленкой ванадия на поверхности нагревателя использовались специальные медицинские щипцы. Щипцы выполнены из легированной нержавеющий стали с развитой рабочей поверхностью зажима. Внутренние рабочие поверхности щипцов имеют мелкий рельефный рисунок высотой не более 0.1 мм.

Был изготовлен макет технологического оборудования для окисления слоя ванадия, представляющий собой стеклянный куб размером 20х20х20 см. Внутри куба размещался стандартный бытовая электрическая плитка мощностью 800 Вт. На поверхности плитки размещалась плита из нержавеющей стали размером 150х120х4 мм. На поверхности плиты из нержавеющей стали размещалась пластина кварца размером 80х60х4 мм. Верхняя крышка куба выполнена из двух половин, между которыми имеется зазор. Ширина зазора в 5 мм обеспечивает стабилизацию температуры воздуха внутри куба. Съемные верхние половины крышки куба обеспечивают удобное размещение и извлечение образца с поверхности нагревателя. Образец размещался на кварцевой пластине. Стеклянный куб и электрическая плитка размещались на асбестовом основании толщиной 5 мм.

Таким образом, конструкция макета технологического оборудования представляла собой замкнутый прозрачный объем, заполненный воздухом заданной температуры. В нижнем углу боковой стенки куба имеется щель, через которую проходят выводы термопар. Питание установки осуществлялось при помощи ЛАТРа, напряжение с выхода которого контролировалось при помощи мультимера Актаком А-1112. Контроль температуры нагревателя осуществлялся с помощью стандартной термопары и мультимера Актаком А-1112.

Процесс окисления проводился следующим образом. 1. Начальная установка требуемого напряжения с выхода ЛАТРа для нагрева металлической плиты до 300С. 2. Контроль заданной температуры (300С) на металлической поверхности нагревателя. 3. Размещение кварцевой пластины на поверхности металлического нагревателя. 4. Выдержка и плавная корректировка напряжения с выхода ЛАТРа в течении времени, требуемого для достижения 300С на поверхности кварцевой пластины. 5. Установка требуемой величины зазора между половинами верхней крышки стеклянного куба с целью сохранения 300С воздушной среды в течении всего прицесса окисления (20-30 минут). 6. Размещение подложки на поверхности кварцевой пластины. Время размещения подложки и восстановления требуемого зазора между верхними пластинами составляет 5-6 секунд. 7. Постоянный одновременный визуальный контроль процесса окисления, а также инструментальный контроль температуры подложки и величины сопротивления формируемого оксидного слоя. Испытания показали, что изменение температуры нагревателя и температуры среды в течении 20 минут не выходит за пределы ±2С относительно уровня 300С.

Спектральный коэффициент пропускания термочувствительного элемента на основе пленок VOx

Нагрев твердотельного болометра на слюдяной подложке в режиме одиночных импульсов на длинах волн 0.5-3.39 мкм и 5.0-12 мкм (рис. 2.14) исследовался на основании расчетной зависимости [15] и экспериментальных данных. (Н1 – нагрев на 1 С и Н2 – нагрев на 200 С) Рис. 2.14. Энергетическая экспозиция оксидного слоя VOx в зависимости от длительности импульса излучения на слюдяной подложке На длинах волн 0.5-3.39 мкм и 5.0-12 мкм коэффициент поглощения пленки VOx соответственно составляет 80 % и 30 %. Источник теплоты для слоя VOx можно считать поверхностным, если справедливо неравенство а4м»1 , где сг=10 4 см"1 - коэффициент поглощения VO x ; а=3.110"6 м2/с - коэффициент температуропроводности VOx; t -длительность импульса, с.

Изменение температуры с течением времени t=10"5-10"9 с. описывается соотношением [15]: T(z,T) = 2q0y[at/l-ierfc(z/2y[at) , где q0 удельная плотность источника теплоты, Вт-см–2; а - коэффициент температуропроводности материала, м2/с; Л - коэффициент теплопроводности VOx, Вт/(м-К); ierfc - интеграл от функции интеграла вероятности; z - толщина слоя VOx, м.

Как видно из рис. 2.14, величины энергетической экспозиции Н-, и Н2, приводящие к нагреву слоя VOx соответственно на 1 С и 200 С и, линейно увеличиваются с увеличением длительности импульса излучения из-за оттока тепла вглубь подложки. Следует заметить, что нагрев слоя VOx на 200 С не вызывает его разрушения и потери им эксплуатационных свойств. В режиме адиабатической засветки (длительность импульса излучения t 10"10 с.) величина энергетической экспозиции одинакова для кремниевой, стеклянной и слюдяной подложек. При заданной длительности импульса излучения с увеличением теплопроводности подложки изменяется величина энергетической экспозиции. На рис. 2.15 приведена энергетическая экспозиция болометров, выполненных на различных диэлектрических подложках в диапазоне длительности импульса излучения 10"6-1 с.

При воздействии на термочувствительный слой непрерывной мощности установившаяся температура нагрева тела будет соответствовать [161: дг = —, где Р - мощность излучения, поступающая в aS термочувствительный слой, Вт; AT - разность температур слоя и окружающей среды, К; а - коэффициент теплообмена с внешней средой, Вт/см2-град.; aSAT- мощность теплообмена между слоем и средой, Вт. (Н1 – нагрев на 1 С) на длинах волн 0.33-3.39, 0.5-12 мкм в зависимости от длительности импульса излучения на подложках: o – слюдяной, – стеклянной, – кремниевой Рис. 2.15. Энергетическая экспозиция оксидного слоя VOx При импульсном нагреве 10-9 с. передача тепла внутрь твердого тела происходит путем теплопроводности [15]. С течением времени глубина прогретой области слоя VOx растет за счет теплопроводности пропорционально 2,36 V 7 где а коэффициент температуропроводности, - время действия источника излучения. Слой VOx толщиной 60 нм нагревается до температуры ФППМ за время 210"10 с, при этом сам ФППМ протекает за 10-11 [2]. Таким образом, быстродействие болометра со слоем VOx 60 нм в режиме адиабатической засветки составляет 210"10 с. Если размер зоны воздействия лазерного излучения ограничен длиной волны, то характерное время тепловых потерь в подложке определяется по формуле [17]: {PaCadf т = PSCSKS где d - толщина слоя VOx, , С, К - плотность, удельная теплоемкость, коэффициент теплопроводности соответственно; индексы a, s относятся к термочувствительному слою, подложке.

Для кремния, стекла, слюды время тепловых потерь в подложку составляет соответственно 0.7510"10 с, 1.2510"10 с, 5.5810"8 с. Таким образом, болометр может измерять импульсную мощность лазерного излучения, например в режиме модуляции добротности [15].

При увеличении длительности импульса излучения, тепловая волна распространяется по поверхности слоя VOx на соответствующую глубину подложки.

На длинах волн 0.3-10.6 мкм коэффициент поглощения пленки V02 составляет 80%. Температура нагрева облучаемого элемента зависит от величины энергетической экспозиции Н=Е. Расчетная зависимость рис. 2.14 была получена из определения температуры по нормали к поверхности, проходящей через центр кругового источника [18]: T(0,x,r)0 источника, Вт-см 2; а - коэффициент температуропроводности материала, м2/с; /с- коэффициент теплопроводности материала, Вт/(м-К); с - удельная теплоемкость материала, Дж/(кг-К); у- плотность материала, кг/м3; ierfc -интегральная функция от функции ошибок Гаусса; Ru - радиус кругового источника, м; г - время воздействия источника, с; 6 - глубина прогреваемого слоя, м.

Нагрев термочувствительного слоя приемника на основе V02 в режиме одиночного импульса излучения происходит на основании расчетной зависимости (рис 2.14). При измерении энергии лазерного излучения необходимо знать длительность импульса.

При воздействии на термочувствительный слой непрерывной мощности установившаяся температура нагрева тела будет соответствовать [16]: АТ = — , где Р - мощность излучения, поступающая в aS термочувствительный слой, Вт; AT - разность температур слоя и окружающей среды, К; а - коэффициент теплообмена с внешней средой, Вт/см2-град.; aSAT- мощность теплообмена между слоем и средой, Вт. Нагрев облучаемого элемента происходит в температурном диапазоне 690С-22С=47С, а в режиме памяти 69С-45С=24С (рис. 2.8). Мощность регистрируемого непрерывного излучения определяется ПО формуле P = ATaS , ГДЄ S = лК2 =0JS5см2 - ПЛОЩЭДЬ ОблучаеМОГО элемента, а=13.4-1а2 Вт/см2-град - коэффициент теплообмена с внешней средой, так как постоянная времени приемника равна 1.7-10"4 с. В температурном диапазоне ДТ=47С мощность регистрируемого непрерывного излучения составляет 0.125-5.87 Вт/см2.

Разработка конструкции измерительного модуля на основе неохлаждаемого болометра

Возможно изготовление приборов с разной площадью приемных площадок для регистрации больших или малых пучков лазерного излучения. В рамках проекта У.М.Н.И.К. «Разработка твердотельного болометра для регистрации инфракрасного излучения» №.Г.Р. 01201168604 были сформулированы следующие технические требования: - спектральный диапазон 0.3-10.6 мкм; - площадь круглой приемной площадки 78.5±1 мм2; - постоянная времени не более 1,2 мс; - пороговая чувствительность не более 2,510-7 смВт/Гц1/2; - предельная плотность энергии (tимп=210-8с) не менее 0.018 Дж/см-2; - диапазон рабочих температур -40...+20 С; - постоянное напряжение питания болометра не более 20 В; - потребляемая мощность не более 0.2 Вт; - масса болометра не более 10 г; - термочувствительный слой приемника должен быть выполнен на основе пленки VO2; - пленка VO2 должна обладать гистерезисной зависимостью фазового перехода полупроводник-металл с шириной петли не менее 20С и скачком проводимости не менее одного порядка величины; - приемник должен быть выполнен в герметичном корпусе с окном, прозрачным для регистрируемого излучения; - приемник должен быть выполнен в модульном исполнении, включающем преобразователь сопротивления в напряжение, выполненный по технологии изготовления ГИС. Была разработана конструкция болометра, представляющая собой герметичный металлостеклянный корпус с прозрачным окном и диэлектрической подложкой, на которой размещены пленочные элементы. Термочувствительные элементы выполнены круглой формы, при этом компенсационный и сигнальный пленочные термочувствительные элементы расположены на периферии подложки и выполнены с одинаковым диаметром и с площадью, меньшей площади облучаемого пленочного термочувствительного элемента, а облучаемый пленочный термочувствительный элемент расположен напротив входного окна.

На лицевой поверхности подложки размещены два микрорезистора, которые в совокупности с облучаемым и компенсационным пленочными термочувствительными элементами соединены в мостовую схему преобразователя сопротивления в напряжение (ПСН). Диэлектрическая подложка закреплена на основании с возможностью образования двух одинаковых воздушных зазоров: между окном и подложкой, и между подложкой и основанием корпуса, длина контактных поверхностей электродов равна 3/4 диаметра соответствующего круга термочувствительного элемента. Выполнение каждого термочувствительного элемента круглой формы обеспечивает подобие всех трех термочувствительных элементов. Таким образом, общее сопротивление всех элементов одинаково. Площади подобных фигур, в данном случае кругов, пропорциональны отношению квадратов их диаметров. Поэтому, когда все три термочувствительных элемента подобны, можно в широких пределах менять площадь облучаемого элемента, что актуально при измерении больших пучков лазерного излучения. Площадь облучаемого элемента значительно превышает площадь двух других элементов, что позволяет эффективно использовать площадь диэлектрической подложки. Кроме того, все три элемента выполняются в едином технологическом цикле. При длине контактной поверхности электрода (дуги окружности круга), равной 3/4 диаметра соответствующего круга, дуги противоположных электродов охватывают стороны квадрата, который можно вписать в круг, а из всей площади круга неохваченной остается лишь площадь двух сегментов. Это обеспечивает минимальное изменение плотности тока по поверхности пленочного слоя элемента (вносит минимальное искажение в зонную чувствительность элемента) и повышает достоверность измерений. Наличие одинаковых горизонтальных воздушных зазоров по обе стороны диэлектрической подложки формирует воздушный термостат, в котором эксплуатируется термочувствительный слой, что обеспечивает равномерное распределение температуры приемной площадки в режиме термостатирования и повышает точность измерения. Эффективность работы термостата определяется толщиной H воздушной прослойки, в которой исключен процесс теплопередачи кондукцией. Выполнение преобразователя сопротивления в напряжение и сигнального элемента на лицевой поверхности подложки обеспечивает их функционирование в одних и тех же условиях, что повышает точность измерения.

Болометр выполнен в герметичном металлостеклянном корпусе 29.3х19.3х12.8 мм, при этом диаметр приемной поверхности может составлять 1-14 мм. На рисунке 3.2 показан ПСН, выполненный на основе мостовой схемы и состоящий из облучаемого элемента 9, компенсационного элемента 15, двух микрорезисторов 11. Рисунок 3.2 - Преобразователь сопротивления в напряжение К нему подключаются источник опорного напряжения 21 и измерительный прибор 22. Величина напряжения питания Vi=20 В устанавливается с учетом, чтобы температура его термочувствительных элементов не превышала 23-25 С. При облучении элемента 9 равновесие моста нарушается и напряжение сигнала с выхода ПСН [24] равно: vn=VA— ) , где Rls+Rn R +Rn R9 - сопротивление облучаемого элемента, R15 - сопротивление компенсационного элемента, Rn - сопротивление микрорезисторов, Vi=20 В. Была разработана следующая техническая документация технологического процесса сборки болометра: титульный лист, маршрутная карта, карта эскизов, ведомость оснастки. Для технологического процесса изготовления подложки были разработаны: титульный лист, маршрутная карта, карта эскизов, ведомость оснастки. Карта эскизов была разработана под используемый корпус №155.15-2 (производства ОАО «Завод «Марс»). Она включает в себя два возможных варианта исполнения подложки: с термостатированием и без. В последнем случае: подложка имеет меньшую длину, не имеет датчика температуры на лицевой стороне, не имеет нагревателя на обратной стороне, может быть установлена непосредственно на основание корпуса без образования воздушного термостата. Фрагменты эскизов приведены на рисунке 3.3.