Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой



Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой
Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой
Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой

 


Владельцы патента RU 2616721:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук ИНЭПХФ РАН им. В.Л. Тальрозе (RU)

Устройство предназначено для измерения плотности потока энергии электромагнитного излучения в миллиметровом диапазоне длин волн и может быть также использовано в качестве образцового приемника для калибровки средств измерения. Приемник представляет собой тонкопленочный, с известным коэффициентом поглощения излучения, выполненный из полуметалла резистивный микроболометр, расположенный на тонкой мембране. Сущность изобретения заключается в том, что тонкопленочный резистивный элемент с известным коэффициентом поглощения и температурным коэффициентом сопротивления одновременно является термочувствительным элементом и поглотителем, что позволяет независимо калибровать устройство синусоидальным электрическим током для определения его вольт-ваттной чувствительности. Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет измерять плотность потока измерения в широком диапазоне длин волн ММ области спектра с повышенной чувствительностью и заданным быстродействием без применения эталонных средств калибровки по излучению. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности потока энергии электромагнитного излучения в миллиметровом (ММ) диапазоне длин волн. Устройство применимо в качестве образцового приемника для калибровки средств измерения.

Уровень техники

Известны болометрические приемники, которые, как правило, включают в себя средство поглощения излучения и преобразования его в теплопоглотитель, а также средство теплоизоляции термочувствительного элемента (ТЧЭ). Применительно к ММ диапазону длин волн подобные приемники используются в качестве регистраторов при относительных измерениях интенсивности излучения. Исследование технического уровня объектов техники не выявило устройств с возможностью проведения независимой калибровки (без использования эталонных средств излучения), позволяющих измерять плотность потока излучения в ММ диапазоне длин волн.

Известно устройство [Патент США US 6767129 В2; 27.07.2004] для регистрации мощности излучения в ММ диапазоне, включающее полупроводниковую подложку с сформированной на ней мембраной из нитрида или оксида кремния, из-под которой вытравлен материал подложки, а также поглотитель - принимающую излучение антенну с нагрузочным резистором, преобразующим электрический ток в тепло, и ТЧЭ - каскад термопар.

Недостаток устройства состоит в том, что оно не позволяет проводить независимое измерение плотности потока излучения, так как антенна по определению не может служить измерителем мощности, проходящей через элемент заданной площади. Данное устройство не является широкополосным, так как антенна поглощает излучение только в узкой полосе длин волн.

Раскрытие изобретения

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет измерять плотность потока излучения в широком диапазоне длин волн ММ области спектра с повышенной точностью и заданным быстродействием без использования эталонных средств калибровки по излучению.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве на прямоугольной ненапряженной диэлектрической мембране с толщиной D и сторонами 2aм и 2bм сформирован тонкопленочный функциональный резистор (ТФР) площадью S=2a⋅2b (a<ам, b<bM) прямоугольной формы из Bi1-xSbx (0,10<x<0,12) толщиной d , одновременно выполняющий роль ТЧЭ и поглотителя излучения с максимальным коэффициентом поглощения А=0,5 в ММ диапазоне длин волн при условии, что толщина мембраны удовлетворяет соотношению

где λ - длина волны поглощаемого излучения, n - показатель преломления материала мембраны, δ - погрешность определения коэффициента поглощения в ММ диапазоне длин волн структуры, состоящей из диэлектрической мембраны с толщины D с нанесенной на нее пленкой из Bi1-xSbx толщиной d; а для независимости вольт-ваттной чувствительности от геометрических параметров и теплофизических свойств мембраны при заданном быстродействии необходимо выполнение условия

где χ1 и χ2 - температуропроводности воздуха и мембраны, соответственно, a L - параметр, возникающий при усреднении температуры по площади ТФР

,

где r2=(x-ξ)2+(y-η)2+z2 при z→0 (координата z направлена перпендикулярно плоскости мембраны).

Экспериментально проверено, что при выполнении условия (1) при малом δ толщина мембраны вблизи максимума поглощения не оказывает влияния на коэффициент поглощения. Также проверено, что при выполнении условия (2) толщина мембраны не влияет на вольт-ваттную чувствительность предлагаемого устройства при заданном быстродействии.

В предлагаемом устройстве высокая теплоизоляция ТЧЭ, а также сравнительно высокий ТКС сплошной пленки из Bi1-xSbx, обычно характерный для монокристальных металлов, обеспечивают повышение вольт-ваттной чувствительности.

Так как в предлагаемом устройстве энергия, выделяемая при нагреве ТФР синусоидальным током, и энергия поглощаемого излучения приводят к одинаковому изменению температуры ТФР, следовательно - к одному и тому же отклику от ТФР, то при известном коэффициенте поглощения энергии излучения возможна независимая калибровка устройства по мощности синусоидальным электрическим током, которая позволяет обойтись без использования эталонных источников излучения.

Описание чертежей

На фиг. 1 (фиг. 1а - вид сбоку, фиг. 1б - вид сверху) показана конструкция предлагаемого устройства, где

1 - кремниевая подложка;

2 - мембрана;

3 - ТФР;

4 - контактные площадки.

Осуществление изобретения

Основой конструкции предлагаемого устройства является подложка 1 из монокристаллического кремния с ориентацией <100>, на поверхности которой сформирована многослойная ненапряженная диэлектрическая мембрана 2 прямоугольной формы из слоев Si3N4 и SiO2, из-под которой методом анизотропного травления кремния удален материал подложки. На поверхности мембраны 2 методами термического напыления и фотолитографии сформирована площадка 3 из Bi1-xSbx (тонкопленочный резистор) и сформированы контактные площадки 4.

Устройство работает следующим образом.

Для измерения величины плотности потока излучения на ТФР подается питание в режиме генератора тока I0. Температура ТФР изменяется пропорционально поглощаемой мощности излучения P=QSA, где Q - плотность потока излучения. В результате изменения температуры ΔT ТФР его сопротивление изменяется на величину ΔR=αΔTR0, где α - ТКС ТФР, R0 - сопротивление ТФР при рабочей температуре. При этом отклик устройства U=I0ΔR.

Для определения вольт-ваттной чувствительности предлагаемое устройство было прокалибровано с помощью синусоидального тока.

Для проведения калибровки ТФР был соединен с входом встроенного генератора синхронного детектора Lock-in SR830 последовательно с балластным сопротивлением RБ (RБ/R0>10), что обеспечивает работу источника питания в режиме генератора тока.

Генератор формирует синусоидальное напряжение с заданной амплитудой и частотой, в результате чего в цепи возникает синусоидальный ток, который нагревает ТФР. Циклическая частота питания ω была выбрана из условия ω<1/τ, где τ - время релаксации температуры ТФР.

В результате нагрева сопротивление ТФР изменяется, поэтому возникает дополнительное напряжение, амплитудное значение которого UT определяется по формуле:

UT=U0αΔT,

где U0 - амплитудное значение напряжения питания на ТФР.

Так как величина перегрева ТФР пропорциональна выделяемой на нем электрической мощности Р0=U02/R0, то UT=U03αβ/R0, где β - коэффициент пропорциональности между ΔT и P0.

При синусоидальном питании sin3(ωt)=0,25(3sin(ωf)-sin(3ωt)). Тогда амплитуда третьей гармоники напряжения на ТЧЭ U3 равна:

U3=0,25U03αβ/R0=0,25UT.

Измерение величины U3 позволяет определить вольт-ваттную чувствительность К0=UT0=4U30.

Для измерения мощности электромагнитного излучения в ММ диапазоне необходимо в режиме генератора тока сформировать на ТФР постоянное смещение, равное амплитудному значению напряжения питания U0, установленному при калибровке. При известном коэффициенте поглощения излучения площадкой ТФР отклик устройства составляет

U=QSAK0.

Следовательно, величина плотности потока излучения

Q=U/(SAK0).

Изготовлено два макетных образца описанного измерительного приемника со следующими характеристиками:

1) S=0,3×0,3 см2, R0=247 Ом, D=1,5 мкм, А=0,5;

2) S=0,5×0,5 см2, R0=225 Ом, D=1,5 мкм, А=0,5.

Для определения коэффициента поглощения в едином технологическом цикле был изготовлен спутник-свидетель с соответствующими заданными для макетных образцов толщинами слоев.

При проведении независимой электрической калибровки первого образца синусоидальным током с амплитудой I0=2,5 мА и циклической частотой ω=6 рад/с амплитудное значение мощности Р0, выделяемой на ТФР, составило 1,54 мВт, а измеренное значение амплитуды отклика на третьей гармонике U3=0,83 мВ, следовательно, его вольт-ваттная чувствительность K0=2.2 В/Вт. Соответственно, для второго образца при I0=2,5 мА, ω=2 рад/с, P0=1,4 мВт амплитуда третьей гармоники U3=2,3 мВ, а вольт-ваттная чувствительность - К0=6.5 В/Вт.

Образцы были использованы для измерения мощности излучения на длине волны 2 мм при облучении генератором Г4-161. Для обоих образцов полученная оценка дала значение около 3 мВт, что по порядку величины соответствует паспортным данным на генератор.

Таким образом:

1 - применение в конструкции предлагаемого устройства площадки из Bi1-xSbx с известным коэффициентом поглощения излучения, выполняющей одновременно роль ТЧЭ и поглотителя, позволяет осуществлять независимую электрическую калибровку синусоидальным электрическим током и использовать предлагаемое устройство в качестве измерителя плотности потока излучения в ММ диапазоне;

2 - применение Bi1-xSbx в качестве материала широкополосного поглотителя на мембране обеспечивает слабую зависимость коэффициента поглощения от длины волны в области максимума поглощения и широкополосность предлагаемого измерительного устройства;

3 - формирование ТФР из Bi1-xSbx с высоким ТКС на мембране, обеспечивающей эффективную теплоизоляцию, повышает вольт-ваттную чувствительность предлагаемого устройства.

Широкополосный измерительный приемник излучения миллиметрового диапазона с независимой калибровкой болометрического типа, включающий тонкопленочный функциональный резистор, одновременно являющийся термочувствительным элементом и поглотителем электромагнитной энергии, отличающийся тем, что тонкопленочный функциональный резистор из материала Bi1-xSbx прямоугольной формы со сторонами 2а и 2b, где а, b>λ, сформирован на ненапряженной прозрачной в миллиметровом диапазоне диэлектрической мембране прямоугольной формы с толщиной D, причем 4nD/λ<δ1/2, где λ - длина волны поглощаемого излучения, n - показатель преломления материала мембраны, δ - погрешность определения коэффициента поглощения излучения в миллиметровом диапазоне длин волн структуры мембрана-тонкопленочный резистор; толщина тонкопленочного функционального резистора удовлетворяет условию его максимального коэффициента поглощения, а геометрические и теплофизические параметры мембраны должны быть выбраны из условия L21>D22, где χ1 и χ2 - температуропроводности воздуха и мембраны, соответственно, а характерный размер L тонкопленочного функционального резистора определяется по формуле:

.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области определения радиолокационных характеристик объектов - эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) в режиме экспресс-анализа в условиях естественной фоновой обстановки штатными (принятыми в эксплуатацию), например, корабельными радиолокационными средствами и штатным надувным радиолокационным отражателем в реальных морских условиях.

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при измерении эффективной площади рассеяния различных объектов радиолокации, соизмеримых и меньших длины волны.

Изобретение относится к радиотехническому испытательному оборудованию, предназначенному для проведения стендовых испытаний ракетных двигателей космических аппаратов, в частности для измерения электромагнитного излучения.

Установка для измерения эффективной площади рассеяния радиолокационных целей на моделях содержит: передатчик, приемник, двойной волноводный тройник, комплексную переменную нагрузку, приемно-передающую антенну, опору модели и компенсационную опору.

Изобретение относится к технике измерений, в частности к измерению интенсивности электромагнитного излучения с пространственным и поляризационным разрешением. Пироэлектрический детектор миллиметрового излучения выполнен на основе пироэлектрической пленки с системой считывания сигнала, в котором на поверхности пироэлектрической пленки размещен ультратонкий резонансный поглотитель, состоящий из диэлектрической пленки, с одной стороны которой, обращенной к падающему излучению, выполнен металлизированный топологический рисунок, образующий частотно избирательную поверхность и обеспечивающий поглощение на заданной длине волны миллиметрового излучения, а с обратной стороны нанесен сплошной слой с металлической проводимостью, который имеет с пироэлектрической пленкой надежный физический контакт, обеспечивающий эффективную передачу тепловой волны от поглотителя к пироэлектрической пленке.

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для измерения эффективной площади рассеяния (ЭПР) радиолокационных целей на уменьшенных моделях. Установка содержит передатчик, разделитель излучаемого и принимаемого сигналов, комплексную переменную волноводную нагрузку, приемник сигнала поля вторичного излучения модели и приемно-передающая антенну, безэховую камеру (БЭК), в окне торца которой установлена антенна электрической осью соосно продольной оси БЭК.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано при решении проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств, а также исследованию параметров вторичного излучения различных сред.

Изобретение относится к геофизике. Сущность: система датчиков электрического и магнитного поля для измерения магнитотеллурического поля Земли состоит из двух пар заглубленных электродов с единой базой L.

Способ увеличения дальности действия и увеличения точности измерения расстояния системы радиочастотной идентификации и позиционирования может быть использован, например, при идентификации управлении движением подвижных объектов. Новым в способе измерения дальности является использование в измерительной станции двух антенн круговой поляризации, работающих одна на излучение, другая на прием.

Изобретение относится к генерированию электромагнитных полей для исследований их воздействия на биоорганизмы. Предложенное устройство содержит две электрические цепи, первая из которых включает генератор переменного напряжения, который входом подключен к сети напряжением 220 B и выходом соединен с одним из входов усилителя переменного напряжения, снабженного встроенным реостатом, при этом усилитель переменного напряжения вторым входом подключен через выключатель к сети напряжением 220 B и выходом соединен через амперметр с обмоткой соленоида, вторая электрическая цепь включает высоковольтный источник переменного напряжения, который входом подключен через выключатель к выходу лабораторного автотрансформатора, причем лабораторный автотрансформатор входом подключен к сети напряжением 220 B, при этом высоковольтный источник переменного напряжения имеет два выхода, одним из которых подключен к металлическим пластинам, встроенным в соленоид, причем клеммы подключения пластин снабжены резисторами, а другим выходом - к вольтметру переменного напряжения, причем максимальное напряжение на входе высоковольтного источника переменного напряжения может составлять 240 B.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения давления, температуры и теплового потока с компенсацией влияния температуры на результаты измерения давления.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерении плотности сырой нефти в градусах API. Устройство для применения при измерении плотности сырой нефти в градусах API содержит трубопровод (1) для нефти, термопару (4) в трубопроводе для измерения температуры нефти при контакте с ней, сапфировое окно (3) в трубопроводе, инфракрасный термометр (5, 6) для измерения температуры нефти через окно и средство (20) для сравнения измерений температуры, полученных термометрами, с получением меры излучательной способности сырой нефти и, таким образом, ее плотности в градусах API.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля процесса производства. Датчик 10, контролирующий температуру процесса производства, включает температурный сенсор, предусмотренный для подачи выходного сигнала сенсора 18, связанного с температурой процесса производства.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения температуры среды в различных областях техники. Преобразователь (100) температуры включает корпус (112) с двумя отделениями и электронный модуль (120) преобразователя температуры с установкой на головке.

Изобретение относится к области температурных измерений и может быть использовано в качестве датчика температуры биологических и физических объектов. Цифровой измеритель температуры содержит датчик температуры, терморезистор и цифровой индикатор температуры.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к термометрии. Устройство содержит термопреобразователь 1, выход которого соединен с индикатором 2 температуры и через последовательно соединенные первый вход первого блока вычитания 3, усилитель 4, масштабирующий элемент 5, первый вход второго блока вычитания 6 с входами индикатора 7 скорости изменения температуры и сигнализатором 8 опасного нарастания температуры.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, а именно к методам измерения эксплуатационных параметров полупроводниковых источников света, и может быть использовано в их производстве, как для отбраковки потенциально ненадежных источников света, так и для контроля соблюдения режимов выполнения сборочных операций.

Группа изобретений относится к измерительной технике и в частности к термоизмерительным преобразователям. Термопреобразователь сопротивления содержит многослойную трубку, состоящую из внешнего металлического слоя, внутреннего диэлектрического слоя, на который намотана катушка чувствительного элемента из изолированного провода.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерителям уровня путем измерения емкости конденсаторов, и предназначено для измерения температуры и уровня продукта, заполняющего хранилище.

Изобретение относится к области машиностроения и касается обеспечения контроля температуры подшипников скольжения с самоустанавливающимися колодками или цельной втулкой различного динамического оборудования, например центробежных компрессоров.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для калибровки датчиков, содержащих термочувствительные элементы (ТЧЭ), например болометра.
Наверх