Ик матричный фотоприёмник с охлаждаемой диафрагмой и способ изготовления диафрагмы

Изобретение относится к области создания детекторов излучения и касается фотоприемника ик-излучения с диафрагмой. Фотоприемник содержит держатель, фоточувствительный элемент, приклеенный на растре, и диафрагму. Диафрагма состоит из средней конусной детали, крышки, дискового основания и экрана, выполняющего функцию защиты от паразитного излучения. Детали диафрагмы соединены сваркой и криостойким клеем. Диафрагма присоединена к растру криостойким клеем. Детали диафрагмы получают выдавливанием на пресс-форме. Внешние поверхности деталей зеркально полируют, проводят матирование и утоньшение внутренних стенок. Внутренние поверхности деталей подвергают электрохимическому чернению. Среднюю конусную деталь и крышку сваривают между собой, а экран приклеивают к боковой поверхности конусной детали. Технический результат заключается в уменьшении влияния паразитного излучения, уменьшении тепловой массы и увеличении скорости охлаждения. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретения относятся к конструкции матричных полупроводниковых фотоприемников и могут использоваться для создания многоэлементных фотоприемников различного назначения.

Известно, что для повышения качества приема сигнала ИК-излучения, связанного с увеличением отношения полезного сигнала к шуму за счет отсечения «паразитного излучения», используется охлаждаемая диафрагма. Такая диафрагма, способ ее изготовления и способ сборки известной диафрагмы с охлаждаемым растром описаны в патенте RU 2377694 C1.

К достоинствам известной диафрагмы и способа ее изготовления, принятых за прототип, следует отнести то, что «паразитное рассеянное излучение» предотвращается многократным отражением за счет использования n-го количества кольцевых дисковых оснований. В данной конструкции за счет создания шероховатой поверхности химическим травлением (матированием) и чернения внутренних поверхностей цилиндрических деталей и дисковых оснований решены проблемы наличия дополнительных «паразитных фоновых шумов» и недостаточно высоких значений отношения полезного сигнала к шуму из-за вклада в сигнал излучения корпусных деталей и переотраженного излучения. В особенности, эти проблемы актуальны в случае использования диафрагмы с малым углом зрения. В этом случае повышается значимость «паразитного излучения» по сравнению с величиной полезного сигнала.

Однако в матричных фотоприемных устройствах (МФПУ) среднего инфракрасного диапазона спектра на основе фотодиодов из антимонида индия наблюдается эффект дополнительного «паразитного излучения». Известное устройство холодной зоны МФПУ, описанное в патенте RU 2377694 C1, выглядит следующим образом. Гибридизированная с МФЧЭ БИС-считывания приклеивается на сапфировый растр; контактные площадки БИС-считывания развариваются на токоведущие дорожки растра. Растр приклеивается на держатель МФПУ и разваривается на контактные площадки керамического кольца вакуумного корпуса МФПУ. Далее, на растр крепится охлаждаемая диафрагма таким образом, что между нижней ее кромкой и растром остаются щели, через которые пропущены платиновые выводы с растра на керамическое кольцо. Путь, по которому паразитное излучение попадает во внутреннюю полость охлаждаемой диафрагмы, проходит через эти щели. Затем, излучение (в зависимости от угла, под которым оно проникает в ограниченную диафрагмой зону) путем внутренних переотражений от стенок диафрагмы и оптического фильтра, установленного вблизи матричного фоточувствительного элемента (МФЧЭ), попадает непосредственно на МФЧЭ. Природа эффекта дополнительного «паразитного излучения» состоит в следующем. Работа входящей в состав МФПУ микрокриогенной системы (МКС) приводит к разогреву деталей внутри вакуумного корпуса МФПУ. Часть излучения от нагретых деталей через растр с тыльной стороны и щели в охлаждаемой диафрагме для платиновых электрических выводов попадает на МФЧЭ, вследствие чего емкости накопления в ячейках БИС-считывания помимо полезного сигнала разряжаются частью паразитного сигнала. В МФПУ с малым относительным отверстием охлаждаемой диафрагмы при наличии холодного оптического фильтра фоновый ток значительно подавлен, и обусловленная «паразитной подсветкой» составляющая вносит существенный вклад в общий сигнал, а следовательно, ухудшает фотоэлектрические параметры МФПУ. Функционирование таких МФПУ в составе тепловизионных систем (особенно без дополнительного охлаждения корпусных деталей) характеризуется низкой долговременной стабильностью. Обусловленный «паразитной подсветкой» неравномерный по площади МФЧЭ дрейф сигнала будет приводить к раскалибровке изображения, а возрастающая по мере нагрева «паразитная составляющая» - к ухудшению эквивалентной шуму разности температур (ЭШРТ).

К недостаткам известного способа изготовления диафрагмы следует также отнести ее трудоемкость. Сложная точеная форма цилиндрических ступеней диафрагмы на пределе точности работы станка (толщина стенок диафрагмы - 0,2 мм) приводит к усложнению технологического процесса и увеличению трудоемкости. Кроме этого, на пределе точности работы токарного станка трудно обеспечить требуемые допуска в области торцов, что приводит к значительному браку при последующем химическом травлении из-за протравливания деталей насквозь.

Задача предложенных изобретений заключается в создании технологичной, с малой трудоемкостью и с малой тепловой массой конструкции диафрагмы с подавленной величиной дополнительного «паразитного излучения» до уровня существенно меньшего, чем сигнальное излучение, определяемое углом зрения охлаждаемой диафрагмы.

Технический результат достигается тем, что фотоприемник ИК-излучения с диафрагмой содержит охлаждаемые держатель, приклеенный на растре фоточувствительный элемент и диафрагму, состоящую из средней конусной детали, расширяющейся по направлению к крышке, где выполнено отверстие, и основания с двумя вырезами для электрических выводов, внутренние стенки деталей матированы и зачернены, а внешние стенки деталей зеркально отполированы. При этом растр с напыленным зеркальным металлическим слоем с тыльной стороны присоединен к держателю криостойким клеем, диафрагма присоединена к растру криостойким клеем, давленые средняя конусная деталь и крышка соединены между собой сваркой, которые присоединены криостойким клеем на давленое основание диафрагмы, и в основании диафрагмы на боковую поверхность средней конусной детали приклеен давленый «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения». «Экран» представляет собой закрепленное на основании диафрагмы кольцо, закрывающее щели и торцы растра. Платиновые выводы пропущены через щели между торцом растра и «экраном» или через выполненные в растре прорези. Диафрагма приклеена к растру двумя посадочными местами, каждое из которых включает выступ, приклеенный на торцевую поверхность растра и участок внутренней поверхности стенки цилиндрической детали приклеенный к боковой поверхности растра. Фильтр присоединен сверху диафрагмы на крышку криостойким клеем, что уменьшает отраженное от фильтра дополнительное «паразитное излучение» по сравнению с приклейкой фильтра на основании диафрагмы. Также, при малых углах зрения фильтр, расположенный наверху, становится меньше в размере, что уменьшает тепловую нагрузку. Чем больше конусность средней части диафрагмы, тем большая часть остаточного, отраженного от средней части диафрагмы, излучения перенаправляется обратно во входное окно, тем самым уменьшая «паразитное излучение». Зеркальное металлическое напыление на растр с тыльной стороны исключает проникновение излучения нагретых деталей от работающей МКС через прозрачный в видимой или ИК-области спектра материал растра. Все детали диафрагмы изготавливают с помощью серийнопригодного и технологичного способа выдавливания на пресс-форме, обеспечивающего существенно меньшую трудоемкость. Еще большую защиту от «паразитного излучения» дает конструкция фотоприемника ИК-излучения с диафрагмой, где растр выполнен с прорезями под платиновые выводы, а «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения», приближен на минимальное расстояние до боковой поверхности растра.

Способ изготовления диафрагмы фотоприемника ИК-излучения заключается в том, что все четыре детали охлаждаемой диафрагмы выдавливают на пресс-форме, среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой сваркой, внешние поверхности трех деталей зеркально полируют и защищают герметиком, устойчивым к кислотам, в кислотном травителе проводят матирование [Болтарь К.О., Киселева Л.В., Лопухин А.А., Лукша В.И., Савостин А.В., Поварихина В.В. Технология обработки поверхности диафрагмы для фотоприемников в диапазоне 3-12 мкм, Прикладная физика №3, 2010, с. 116-119] и утоньшение внутренних стенок и дисковых оснований, после чего внутренние поверхности деталей и дисковые основания подвергают электрохимическому чернению, удаляют герметик с внешних поверхностей деталей, и сваренную верхнюю деталь присоединяют криостойким клеем к основанию диафрагмы, а давленую деталь, выполняющую функцию «экрана» от дополнительного «паразитного излучения», присоединяют криостойким клеем на боковую поверхность средней конусной детали диафрагмы. Кроме этого, верхняя часть основания диафрагмы содержит диск с вырезанным прямоугольным отверстием, которое соответствует габаритам фоточувствительной области и служит для предотвращения попадания излучения на кристалл БИС считывания. В случае мощной засветки, например, в импульсе лазерного излучения, вышеуказанная часть диафрагмы защищает БИС считывания от сбоев в работе или при выходе из строя электрической части схемы. Диафрагма изготовлена из заготовок ковара толщиной 0,1 мм, утоньшенных за счет матирования до 0,07 мм, за исключением средней конусной части, которая в одном из способов изготовлена из плоской заготовки ковара толщиной 0,2 мм и утоньшена за счет матирования до 0,1 мм, а затем выдавлена на пресс-форме и соединена в конусную форму точечной контактной сваркой. Такой способ изготовления позволяет существенно уменьшить отражение от средней конусной части за счет создания более глубокой шероховатости при примерном сохранении тепловой массы. Внутренние поверхности деталей диафрагмы подвергают электрохимическому чернению типа «черный» хром [Беленький М.А., Иванов А.Ф. Электроосаждение металлических покрытий. Справочник, Москва, «Металлургия», 1985, с. 119, с. 226] для коротко- и средневолнового спектрального диапазона (λ≤5,5 мкм) и оксидированный «черный» хром [там же, в справочнике] для длинноволнового диапазона спектра (λ>5,5 мкм), для получения минимального зеркального отражения в различных спектральных областях работы фотоприемника. На фиг. 8 показаны спектры зеркального отражения, электрохимически нанесенного «черного» и оксидированного «черного» хрома на коваре, откуда видно, что графики пересекаются при λ=5,5 мкм и, следовательно, чернение с помощью электролита «черный» хром оптимально при λ<<5,5 мкм, а чернение с помощью электролита оксидированный «черный» хром оптимально при λ>>5,5 мкм.

Сущность изобретений поясняется фигурами.

На фиг. 1 показан общий вид охлаждаемого матричного фотоприемника, в котором применен растр с прорезями и «экран» приближен на минимальное расстояние до боковой поверхности растра.

На фиг. 2 показано сечение охлаждаемого матричного фотоприемника с диафрагмой, где растр выполнен с прорезями под платиновые выводы, а «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения», приклеен на боковую поверхность конусной части в основании диафрагмы.

На фиг. 3 показан общий вид охлаждаемого матричного фотоприемника, в котором применен «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения».

На фиг. 4 показано сечение охлаждаемого матричного фотоприемника с диафрагмой, где применен «экран», выполняющий функцию защиты от дополнительного «паразитного излучения».

На фиг. 5 показан разрез охлаждаемого матричного фотоприемника с диафрагмой, где показан ИК фильтр, который приклеен внизу на основании диафрагмы и показаны пути прохождения «паразитных лучей», отраженных от фильтра и основания диафрагмы.

На фиг. 6 показана охлаждаемая диафрагма с ИК фильтром, вид сбоку.

На фиг. 7 показана охлаждаемая диафрагма с ИК фильтром, вид снизу.

На фиг. 8 показаны спектры зеркального отражения нанесенного электрохимически «черного» и оксидированного «черного» хрома на коваре.

Диафрагма состоит из средней конусной детали (5), расширяющейся по направлению к крышке (6), и дискового основания (7) с двумя вырезами для электрических выводов (фиг. 6, 7). В одном применении (фиг. 1, 2) на дисковом основании (7) присоединен криостойким клеем (3) «экран» (11), представляющий собой кольцо, закрывающее щели и торцы растра с прорезями (4). В другом применении (фиг. 3, 4) на дисковом основании (7) присоединен криостойким клеем «экран» (15), представляющий собой кольцо, закрывающее щели и торцы растра без прорезей (16), внутренняя часть которого приближена на минимальное расстояние до боковой поверхности растра. В крышке (6), дисковом основании (7) и «экране» (11 или 15) выполнено отверстие, при этом все отверстия имеют одну ось, совпадающую с центром фоточувствительного элемента (2). Как видно на фиг. 6 и фиг. 7, верхняя часть основания диафрагмы (7) содержит диск с вырезанным прямоугольным отверстием (18), которое соответствует габаритам фоточувствительной области и предназначено для предотвращения попадания излучения на кристалл БИС считывания. Все детали диафрагмы выполнены из заготовок ковара толщиной 0,1 мм и утоньшены за счет матирования до 0,07 мм, за исключением средней конусной части (5), которая в одном применении изготовлена из плоской заготовки ковара толщиной 0,2 мм и утоньшена за счет матирования до 0,1 мм, а затем выдавлена на пресс-форме и соединена в конусную форму с помощью точечной контактной сварки (9). Внешние поверхности диафрагмы зеркально отполированы. Внутренние поверхности средней конусной детали (5), крышки (6), дискового основания (7) и «экрана» (11 или 15) зачернены. Средняя конусная деталь (5) и крышка (6) соединены между собой электронно-лучевой сваркой (10), которые присоединены криостойким клеем (3) на дисковое основание диафрагмы с двумя вырезами (7) для электрических выводов (фиг. 6). Фильтр (12) присоединен сверху диафрагмы на крышку (6) криостойким клеем (3), что уменьшает отраженное от фильтра «паразитное излучение» (17), как показано на фиг. 5, по сравнению с приклейкой фильтра (12) на основании диафрагмы (7).

На охлаждаемом коваровом держателе (1) при помощи криостойкого клея (3) закреплен растр (4 или 16) из сапфира или керамики, на тыльной стороне которого нанесено зеркальное металлическое покрытие (8) (например, из молибдена), которое (фиг. 5) исключает проникновение излучения (17) от нагретых деталей (13) от работающей МКС через прозрачный в видимой или ИК-области спектра материал растра. На растре при помощи криостойкого клея (3) закреплен матричный фоточувствительный элемент (2). Диафрагма закреплена на растре с помощью двух посадочных мест (19) диафрагмы (фиг. 7). Каждое посадочное место представляет собой выступ (19) на внутренней поверхности стенки цилиндрической детали, приклеенный на торцевую поверхность растра и участок внутренней поверхности цилиндрической детали, примерно равный толщине растра и приклеенный к боковой поверхности растра. Диафрагма закреплена на растре с помощью криостойкого клея (3). Через клей, которым диафрагма закреплена на растре, и держатель она охлаждается до -196°С.

Принцип работы матричного фотоприемника заключается в следующем: ИК-излучение от объекта через просветленное окно фотоприемника поступает в отверстие диафрагмы на матричный фоточувствительный элемент. При этом «паразитное излучение» отражается от матированных почерненных внутренних стенок диафрагмы и почерненных дисковых оснований (ловушки ИК-излучения), в результате чего оно либо поглощается в элементах конструкции диафрагмы, либо выходит наружу через входное отверстие диафрагмы. Дополнительное «паразитное излучение», обусловленное проникновением излучения на МФЧЭ от нагретых частей конструкции через щели для вывода электрических контактов, исключается с помощью металлических экранов, расположенных на растре и основании диафрагмы. Таким образом, матричный фоточувствительный элемент накапливает только полезное ИК-излучение от объекта, увеличивая отношение сигнал/шум.

Способ изготовления диафрагмы заключается в следующем.

Четыре заготовки из ковара в виде плоских разверток вырезают из листа толщиной 0,1 мм, за исключением средней конусной детали, которую в одном из способов изготавливают из заготовки ковара толщиной 0,2 мм. Все детали охлаждаемой диафрагмы выдавливают на пресс-форме. Среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой электроннолучевой сваркой. На одной из заготовок при этом выдавливанием изготавливают посадочные места для дальнейшего крепления диафрагмы к растру. Внешние поверхности стенок заготовок полируют до зеркального состояния. Затем, внешние поверхности заготовок защищаются герметиком, устойчивым к кислотам. Далее, в кислотном травителе проводят матирование [Болтарь К.О., Киселева Л.В., Лопухин А.А., Лукша В.И., Савостин А.В., Поварихина В.В. Технология обработки поверхности диафрагмы для фотоприемников в диапазоне 3-12 мкм, Прикладная физика №3, 2010, с. 116-119] внутренних стенок заготовок и дискового основания с целью увеличения шероховатости и, одновременно, утоньшают стенки с целью облегчения конструкции. При этом среднюю конусную деталь в одном из способов утоньшают за счет матирования до 0,1 мм, выдавливают на пресс-форме и формируют точечной контактной сваркой, крышку утоньшают за счет матирования до 0,07 мм, среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой электронно-лучевой сваркой. После этого производят электрохимическое чернение развитых после матирования поверхностей при помощи электролита «черный» хром для коротко- и средневолнового спектрального диапазона (λ≤5,5 мкм) и оксидированный «черный» хром для длинноволнового диапазона спектра (λ>5,5 мкм). Далее, удаляют защитный герметик с внешних поверхностей кипячением в ацетоне. Среднюю конусную деталь с приваренной крышкой и «экран» соединяют между собой криостойким клеем. На верхнюю часть крышки криостойким клеем присоединяют фильтр. Основание диафрагмы присоединяют криостойким клеем к растру с помощью посадочных мест так, что посадочные выступы приклеены на торцевую поверхность растра, а участки внутренних стенок цилиндрической детали приклеены к боковой поверхности растра. Окончательно, верхнюю часть собранной диафрагмы присоединяют криостойким клеем к основанию диафрагмы.

Предлагаемая конструкция была опробована на предприятии-изготовителе при создании экспериментальных и опытных образцов матричного фоточувствительного элемента на основе антимонида индия. Однако, предлагаемая конструкция применима и к другим полупроводниковым материалам.

Пример фотоприемника ИК-излучения.

На держатель высотой 47 мм и диаметром 8 мм последовательно наклеивались при помощи криостойкого клея марки «Орион-22» растр с прорезями из лейкосапфира диаметром 16,6 мм с разводкой из золотых дорожек и напылением с тыльной стороны молибдена, и матричный фоточувствительный элемент на основе антимонида индия с количеством элементов 81920. Далее, после разварки контактов к растру с этим же клеем приклеивалась диафрагма из ковара высотой 26,6 мм и диаметром «экрана» 17 мм с прямоугольным отверстием 10,2×8,5 мм в верхней части основания и диаметром крышки 21,2 мм с круглым отверстием 6 мм, а сверху диафрагмы на крышку приклеивался фильтр диаметром 10 мм на спектральный диапазон 3,6-4,8 мкм.

Пример изготовления диафрагмы.

Четыре заготовки из ковара в виде плоских разверток вырезали из листа толщиной 0,1 мм. Все детали охлаждаемой диафрагмы выдавливали на пресс-форме. Затем внешние поверхности деталей зеркально отполировали. Среднюю конусную деталь сформировали точечной контактной сваркой. Среднюю конусную деталь и крышку соединили между собой электронно-лучевой сваркой. Внешние поверхности заготовок защищали герметиком - лаком ХСЛ - устойчивым к кислотам. Далее, в кислотном травителе проведено матирование внутренних стенок и кольцевых элементов заготовок диафрагмы с целью создания шероховатости (глубина протравливания 30 мкм) и, одновременно, утоньшение стенок заготовок до 0,07 мм с целью облегчения конструкции. После этого производили электрохимическое чернение этих развитых поверхностей при помощи электролита «черный» хром. Далее, защитный герметик удалили с внешних поверхностей кипячением в ацетоне. После этого, для получения готовой диафрагмы заготовки были соединены по чертежу криостойким клеем и полученная диафрагма присоединена к растру при помощи криостойкого клея марки «Орион-22».

Далее конструкция монтировалась в корпус и охлаждалась при помощи холодильной машины типа «Интегральный Стирлинг» до -196°С. При этом скорость охлаждения увеличилась в 1,3 раза. Эквивалентная шуму разность температур улучшилась в 2,4 раза.

1. Фотоприемник ИК-излучения с диафрагмой, содержащий охлаждаемые держатель, приклеенный на растре фоточувствительный элемент и диафрагму, состоящую из средней конусной детали, расширяющейся по направлению к крышке, где выполнено отверстие и основание с двумя вырезами для электрических выводов, внутренние стенки деталей матированы и зачернены, а внешние стенки деталей зеркально отполированы, отличающийся тем, что растр с напыленным зеркальным металлическим слоем с тыльной стороны присоединен к держателю криостойким клеем, диафрагма присоединена к растру криостойким клеем, средняя конусная деталь и крышка диафрагмы соединены между собой сваркой, на боковую поверхность средней конусной детали присоединено криостойким клеем кольцо, выполняющее функцию защиты от дополнительного "паразитного излучения", верхняя часть диафрагмы присоединена криостойким клеем к основанию диафрагмы, и ИК фильтр присоединен сверху диафрагмы на крышку криостойким клеем.

2. Фотоприемник ИК-излучения с диафрагмой по п. 1, отличающийся тем, что растр выполнен с прорезями под платиновые выводы, а "экран", выполняющий функцию защиты от "паразитного излучения", приближен на минимальное расстояние до боковой поверхности растра.

3. Фотоприемник ИК-излучения с диафрагмой по п. 1, отличающийся тем, что верхняя часть основания диафрагмы содержит диск с вырезанным прямоугольным отверстием, которое соответствует габаритам фоточувствительной области для предотвращения попадания излучения на кристалл БИС считывания.

4. Способ изготовления диафрагмы фотоприемника ИК-излучения, заключающийся в том, что четыре типа деталей получают выдавливанием на пресс-форме, среднюю конусную деталь и крышку соединяют между собой сваркой, внешние поверхности деталей зеркально полируют, и защищают герметиком, устойчивым к кислотам, в кислотном травителе проводят матирование и утоньшение внутренних стенок, после чего внутренние поверхности деталей подвергают электрохимическому чернению, удаляют герметик с внешних поверхностей деталей, давленую деталь, выполняющую функцию "экрана" от дополнительного "паразитного излучения", присоединяют криостойким клеем на боковую поверхность средней конусной детали диафрагмы, и верхнюю часть собранной диафрагмы присоединяют криостойким клеем к основанию диафрагмы.

5. Способ изготовления диафрагмы фотоприемника ИК-излучения по п. 4, отличающийся тем, что диафрагма изготовлена из заготовок ковара толщиной 0,1 мм и утоньшенных за счет матирования до 0,07 мм, за исключением средней конусной части, которая изготовлена из плоской заготовки ковара толщиной 0,2 мм и утоньшена за счет матирования до 0,1 мм, а затем выдавлена на пресс-форме и соединена точечной контактной сваркой.

6. Способ изготовления диафрагмы фотоприемника ИК-излучения по п. 4, отличающийся тем, что внутренние поверхности деталей диафрагмы подвергают электрохимическому чернению с помощью электролита типа "черный" хром для коротко- и средневолнового спектрального диапазона (λ≤5,5 мкм) и оксидированный "черный" хром для длинноволнового диапазона спектра (λ>5,5 мкм).