Тонкопленочный тепловой датчик с волноводным входом для измерения мощности импульсного свч излучения

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения величины потока импульсного излучения в СВЧ и миллиметровом диапазонах. Согласно изобретению на диэлектрический клин толщиной d₁ с высокой теплопроводностью χ₁, помещаемый внутрь волновода, нанесен адсорбирующий тонкий слой диэлектрика. На этой пленке сформировано N термочувствительных тонкопленочных резисторов площадью S=a*b<τ*χ₁ (где τ - быстродействие датчика - время выхода на стационарное состояние температуры нагрева термоэлемента при воздействии на него импульсом электромагнитной энергии прямоугольной формы). Величина τ может быть уменьшена выбором размеров и числа тонкопленочных резисторов. Конструкция датчика обеспечивает его согласование с волноводным трактом. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения потока энергии и параметров формы импульса СВЧ-излучения с длительностью менее 10 наносекунд. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации и измерения быстроменяющихся потоков энергии излучения СВЧ и миллиметрового диапазона.

Известны пленочные тепловые датчики (болометры), в которых чувствительный элемент (поглощающая термочувствительная пленка) располагается параллельно узкой стенке с одной стороны небольшого отрезка волновода, причем с другой стороны волновода - короткозамыкающий плунжер, который может перемещаться с помощью микрометрического винта. Это дает возможность согласовать устройство с волноводным трактом (В.В.Слуцкая. Тонкие пленки в технике сверхвысоких частот. Госэнергоиздат. 1962 г., с.293).

Наиболее близким решением к предлагаемому устройству является пленочный болометр, предложенный А.С.Бродским, А.С. №140104, 1961 г. БИ №15, 1961 г., в котором отсутствует согласующий плунжер, а чувствительный элемент представляет собой поглощающую термочувствительную пленку, выполненную в виде V-образного клина, расположенного в плоскости электрического поля основной волны.

Все эти тепловые датчики обладают существенным недостатком, имеют низкое быстродействие τ (до десятков секунд), которое может быть оценено из выражения τ=S/χ, где S - рабочая площадь чувствительного элемента, а χ - температуропроводность окружающей среды (воздуха), и, следовательно, большую погрешность δ=τ/τ₀ при воспроизведении формы импульса длительностью τ₀. Величина τ₀ определяется статическим импедансом Z задающего блока генератора импульсов излучения. Величина τ - это время, необходимое для прогрева (остывания) датчика при воздействии импульсом излучения прямоугольной формы (выход температуры на стационарное состояние).

Целью предлагаемого технического решения является повышение быстродействия τ датчика и в итоге уменьшения погрешности δ воспроизведения формы импульса потока энергии излучения.

Указанная цель достигается тем, что в известном датчике, в котором сплошная поглощающая пленка, выполняющая также функцию термочувствительного элемента и расположенная в плоскости электрического поля основной волны, выполнена в виде конечного числа N дискретных термочувствительных элементов (тонкопленочных высокоомных резисторов) ширины а, длины b и толщины d с сопротивлением R_0i (i=1, 2, …, N) и температурным коэффициентом сопротивления α_i, последовательно-параллельно соединенных так, чтобы общее сопротивление всех соединительных шин r, импеданс свободного пространства Z₀ и эффективное сопротивление R=ΣR_i, 1/R_i=Σ1/R_0j удовлетворяло соотношению R+r=Z₀=120π Ом, R>r/δ, равномерно распределенных на диэлектрической подложке, имеющей форму клина толщиной d₁ с температуропроводностью χ₁, покрытого адсорбирующим тонким слоем диэлектрика с толщиной d₂<χ₂d₁/(N*χ₁) и температуропроводностью χ₂, причем это равномерное распределение ограничено с наружной стороны краями клина, а с внутренней стороны ограничено кривой, имеющей V-образную форму, причем для повышения быстродействия датчика и достижения заданной погрешности δ воспроизведения формы импульса длительностью необходимо выполнение соотношения: a*b/2χ₁τ₀<δ, а расстояние между термочувствительными элементами должно быть не менее d₁/3.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлено расположение термочувствительных элементов на двухслойном диэлектрическом клине и их последовательно-параллельное соединение (фиг.1 - вид сверху; фиг.2 - вид сбоку), а на фиг.3 и фиг.4 показано расположение клина в волноводе (фиг.3 - вид с торца; фиг.4 - разрез). На подложку 1 нанесен тонкий диэлектрический слой 2 толщины d₂, на котором расположен слой 3, состоящий из термочувствительных элементов 4, соединенных между собой тонкопленочными проводящими шинками 5 для подключения к измерительно-индикаторной схеме с помощью контактов 6 и выводов 7. Эта конструкция вставляется в волновод круглого сечения 8, который плавно соединяется с волноводом прямоугольного сечения 9 (фиг.3 и фиг.4). Часть плоскости клина 10, ограниченная краями клина, а с внутренней стороны V-образной кривой, является областью, где расположены термочувствительные элементы.

Устройство работает следующим образом. При воздействии на датчик импульсом прямоугольной формы электромагнитной волны возбуждается э.д.с. в соединительных цепочках датчика, что приводит к возникновению тока и в итоге к нагреву термоэлементов и изменению их эффективного сопротивления на величину ΔR=RαΔТ, где ΔТ - изменение температуры термоэлементов, а α - эффективный температурный коэффициент сопротивления. Наличие переходных процессов, связанных с нагреванием и остыванием термоэлементов, происходящих в течение времени τ, создает погрешность как в воспроизведении формы импульса, так и в измерении мощности. Поэтому нужно уменьшать величину τ: τ=a*b/χ₁.

Основным фактором, улучшающим быстродействие датчика и, следовательно, точность воспроизведения формы импульса, является наличие подложки с высокой теплопроводностью и термоэлементов, в которых происходит поглощение энергии, с площадью а*b, которая составляет долю площади - S/N. Выполнение условия согласования Z₀=R+r, приводит к уменьшению коэффициента стоячей волны (КСВ) и к дополнительной коррекции фронта импульса, что также дает увеличение точности.

Для проверки работы устройства были изготовлены датчики с числом термоэлементов N=400 штук на различных подложках (1) толщиной 300 мкм из беспримесного кремния и из окиси бериллия (BeО), покрытых слоем нитрида кремния (2) толщиной 0,3 мкм, на который наносился термочувствительный слой толщиной 0,2 мкм из Bi_1-xSb_x, обладающий температурным коэффициентом сопротивления а=0,006/К (х=14%). Материалом для проводящих шинок (5) и контактов (6) служили последовательно нанесенные слои из ванадия, меди и золота общей толщиной 0,4 мкм. Выводы (7) из золотой проволоки диаметром 60 мкм присоединялись к контактам термокомпрессией, а придание необходимой формы термоэлементам, шинкам и контактам осуществлялось с помощью методов фотолитографии. Размеры термоэлементов составили величину: а*b=2*10 мкм². Температуропроводность кремния, окиси бериллия, нитрида кремния и Bi_1-xSb_x соответственно составляет: 1,5 см²/с, 5 см²/с, 0,025 см²/с и 1,0 cм²/c.

Датчики, на которые подавалось через балластное сопротивление R_Б>10R (R=370 Ом) напряжение смещения U₀, облучались импульсами электромагнитной энергии прямоугольной формы с длительностью τ₀=3*10^-6 с. Напряжение отклика ΔU=U₀αΔT на электромагнитное воздействие подавалось через разделительную емкость на регистрирующее устройство (осциллограф). Измеренная длительность фронта импульса (быстродействие датчика τ) оказалась равной в случае подложки из кремния 5*10^-8 с, в случае подложки из BeO τ=2*10^-8 c.

Таким образом, экспериментально подтверждены приведенные в разделе "Сущность изобретения" теоретические оценки для соотношений, связывающие физические и геометрические параметры датчиков.

Были измерены стандартными методами коэффициенты стоячей волны (КСВ) в сантиметровом диапазоне (на частоте 10 ГГц). Для датчиков с подложкой из кремния КСВ не превышало значения 1,2, а для датчиков с подложкой из окиси бериллия КСВ составляло 1,07, что показывает возможность воспроизведения формы импульсов и измерения мощности излучения предлагаемыми датчиками с погрешностью не хуже 2%.

Тонкопленочный тепловой датчик (болометр) с волноводным входом для измерения мощности импульсного СВЧ излучения, представляющий собой поглощающую термочувствительную пленку, выполненную в виде V-образного клина и расположенную в плоскости электрического поля основной волны в волноводе, отличающийся тем, что для повышения быстродействия датчика и достижения заданной погрешности δ воспроизведения формы импульса длительностью τ₀ указанная поглощающая термочувствительная пленка выполнена в виде конечного числа N дискретных термочувствительных элементов (тонкопленочных высокоомных резисторов) шириной а, длиной b и толщиной d с сопротивлениями R_0i (i=1, 2, …, N) и температурным коэффициентом сопротивления α₁, последовательно-параллельно соединенных так, чтобы общее сопротивление всех соединительных шин r, импеданс свободного пространства Z₀ и эффективное сопротивление R=ΣR_i, 1/R_i=Σ1/R_0j удовлетворяло соотношению R+r=Z₀=120π Ом, R>r/δ, равномерно распределенных на диэлектрической подложке, имеющей форму клина толщиной d₁ с температуропроводностью χ₁, покрытого адсорбирующим тонким слоем диэлектрика толщиной d₂<χ₂d₁/(N*χ₁) и температуропроводностью χ₂, причем это равномерное распределение ограничено с наружной стороны краями клина, а с внутренней стороны ограничено кривой, имеющей V-образную форму, причем необходимо выполнение соотношения: a*b/2χ₁τ₀<δ, а расстояние между термочувствительными элементами должно быть не менее d₁/3.