Оптимизированный термопарный сенсор

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным сенсорам, а более конкретно к инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам. Термопарный сенсор содержит поглощающий ИК-излучение слой на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих микроконсолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара, «горячий спай» которой расположен на мембране, которая нагревается под действием ИК-излучения, повышая температуру «горячего спая», а «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Оптимальное соотношение между длиной консолей и площадью сенсора, определенное в предлагаемом изобретении, обеспечивает сенсору достижение минимального значения эквивалентной шуму разности температур и, соответственно, максимального отношения сигнал/шум при заданных площади сенсора и времени кадра. Технический результат - достижение максимально возможной чувствительности термопарного сенсора. 3 ил.

 

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным сенсорам, а, более конкретно, к инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам, то есть сенсорам с термопарами в качестве термочувствительного элемента.

Целью изобретения является обеспечение максимально возможной чувствительности термопарного сенсора.

Известны кремниевые неохлаждаемые термопарные сенсоры, используемые для создания неохлаждаемых приемников ИК изображения [1, 2]. При изготовлении этих сенсоров используются различные варианты микрообработки кремния для формирования МЭМС структур в виде тонких диэлектрических мембран, теплоизолированных от подложки.

Наиболее близким по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению является термопарный сенсор, описанный в патенте [3]. Приведенный в этом источнике сенсор содержит поглощающий ИК излучение слой на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара, «горячий спай» которой расположен на мембране, которая нагревается под действием ИК излучения, повышая температуру «горячего спая», а «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Полезный сигнал в виде термо-ЭДС, образующейся в результате возникающей разности температур между «горячим спаем» и «холодными» контактами, считывается КМОП-схемами, интегрированными непосредственно в кристалл. Приведенные в указанном патенте варианты конструкций сенсора отличаются друг от друга различными соотношениями между размерами теплочувствительной мембраны и поддерживающих консолей. При одинаковых размерах общей площади сенсора, включающей площадь теплочувствительной мембраны и площадь, приходящуюся на консоли, приведенные конструкции сенсора будут иметь разную чувствительность. Однако, оптимальные соотношения между размерами теплочувствительной мембраны и поддерживающих консолей для обеспечения максимально возможной чувствительности сенсора в патенте не определены.

Чувствительность термопарного сенсора в составе приемника ИК изображения определяется целым рядом факторов, а именно:

- площадью сенсора S, включающей в себя площадь чувствительной мембраны А и площадь Sc, занимаемую консолями, S=А+Sc;

- теплоемкостью С мембраны (включая поглощающее покрытие), равную С=сА, где с -теплоемкость мембраны на единицу площади;

- теплопроводностью консолей, определяемой тепловой проводимостью термопары, которая для случая, когда сенсор содержит одну термопару, равна Gt=2gtwht/L,

где gt - удельная теплопроводность материала термопары, w и ht, соответственно, ее ширина и толщина, a L - длина одного плеча термопары, равная, как правило, длине консоли, на которой это плечо сформировано;

- электрическим сопротивлением термопары, Rt=2ρtL/wht, где ρt - удельное электрическое сопротивление материала термопары, a L, w и ht, соответственно, ее длина, ширина и толщина;

- временем тепловой релаксации сенсора τг;

- временем кадра τƒ приемника ИК изображения.

Перечисленные параметры находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, оказывая влияние на чувствительность сенсора. В предлагаемом изобретении на основе проведенного теоретического рассмотрения, выявляющего указанные взаимосвязи, показано, что при известных тепло- и электрофизических параметрах материалов, используемых при создания термопарного сенсора для реализации на его основе приемника ИК изображения, а также ограничениях, определяемых заданными значениями площади сенсора и времени кадра приемника ИК изображения, существует оптимальное соотношение между площадью мембраны А и площадью Sc, занимаемой консолями, которое обеспечивает максимально возможную чувствительность сенсора.

Техническим результатом настоящего изобретения является реализация конструкции термопарного сенсора с максимально возможной чувствительностью за счет выбора оптимального соотношения между размерами теплочувствительной мембраны и поддерживающих консолей в пределах заданной площади сенсора.

Указанный результат достигается за счет того, что в известном термопарном сенсоре с заданной площадью S, длина консолей, на которых формируется термопара, выбирается такой, чтобы выполнялось следующее соотношение:

где μ - топологический фактор смежности, учитывающий площадь зазоров между термопарой и мембраной и определяемый соотношением S=А+2μwL, a Sopt=, при этом предполагается, что Sopt≤S.

Формула (1) получена исходя из следующий положений.

1. Основной характеристикой чувствительности является эквивалентна шуму разность температур (NETD - Noise Equivalent Temperature Difference). Оптимальные геометрические параметры конструкции сенсора достигаются при минимизации NETD.

Собственные шумы термопары определяются тепловым шумом ее сопротивления, который равен, что дает следующее значение NETD:

где Δp - поглощенная единицей площади теплоприемника избыточная мощность излучения абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т+ΔТ, в рассматриваемом спектральном диапазоне при расположении сенсора в фокальной плоскости оптической системы, α - коэффициент Зеебека, достигающий для сенсора с термопарами из поликристаллического кремния величины 300 мкВ/К.

Выражение (2) выведено для случая, когда сенсор содержит одну термопару. С целью увеличения сигнала в ряде случаев в сенсор вводят несколько последовательно соединенных термопар. Однако, простое последовательное соединение нескольких термопар приводит лишь к увеличению NETD. Обобщенное выражение (2) для n последовательно соединенных термопар можно записать в виде:

которое иллюстрирует увеличение NETD в раз, что связано с увеличением сопротивления термопар в раз и теплопроводности n раз.

2. Минимизация NETD при заданной площади сенсора достигается за счет реализации условий, при которых время тепловой релаксации сенсора, характеризующее скорость реакции мембраны сенсора на изменение мощности теплового излучения, сравнимо с временем кадра приемника ИК изображения, а именно, когда выполняется следующее соотношение:

3. Исходя из уравнения теплового баланса, имеющего вид

время тепловой релаксации сенсора равно

4. Соотношение между задаваемой площадью сенсора и длиной консолей имеет вид:

Тогда соотношение (1) является результатом решения уравнения (6) относительно L, с учетом условий (3) и (5). При этом наименьшее значение NETD реализуется, в случае выполнения условий (1), (6) с такой шириной термопары w, при которой Sopt=S, а использование n последовательных термопар с эффективной топологической шириной (μ*⋅w*), такой, что n(μ*⋅w*)=μ⋅w, позволяет, в отличие от случая, иллюстрируемого формулой (2а), увеличить выходной сигнал в n раз при сохранении оптимального значения NETD.

Перечень графических материалов, иллюстрирующих заявляемое изобретение.

Рисунок 1 иллюстрирует известную конструкцию термопарного сенсора, приведенного в прототипе. Здесь 1 - диэлектрическая мембрана с поглощающим тепло покрытием, 2 -поддерживающая консоль, 3 - консоли с термопарой, 4 - «горячий» спай термопары, размещенный на мембране, 5- «холодные» концы термопары, 6 - полупроводниковая подложка.

На рисунке 2 представлены графики зависимостей L=ƒ(S) и NETD=ƒ(S), соответствующие формуле (1), для варианта технологии изготовления сенсора с топологическими нормами проектирования 0,35 мкм.

На рисунке 3 показаны две конструкции термопарного сенсора с одной термопарой, в котором соотношение между площадью сенсора 5 и длиной L консолей, на которых сформирована термопара, отвечает формуле (1). Рисунок За иллюстрирует сенсор с площадью S=60×60 мкм2, у которого длина консоли L=10 мкм в соответствие с формулой (1), а на фиг. 3б представлен сенсор с площадью S=30×30 мкм2, у которого длина консоли, соответствующая формуле (1), уже существенно больше и равна L=54 мкм. Обозначения элементов идентичны обозначениям элементов на рисунке 1.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США №6,335,478 В1.

2. Патент США №US 8,592,765 В2.

3. Патент США №US 6,163,061.

Термопарный сенсор приемника ИК-изображения, содержащий поглощающий ИК-излучение слой на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих консолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке, по крайней мере одну термопару, сформированную на поверхности консолей, «горячий спай» которой расположен на мембране, нагреваемой ИК-излучением, а «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру, отличающийся тем, что для заданной площади S сенсора длина одного плеча консолей L, на которых формируется одна термопара, определена соотношением:

где μ - топологический фактор смежности, учитывающий площадь зазоров между термопарой и мембраной и определяемый соотношением S=А+2μwL, gt, w и ht - удельная теплопроводность материала термопары, ее ширина и толщина, соответственно, А - площадь теплопоглощающей мембраны, с - теплоемкость мембраны на единицу ее площади, τƒ - время кадра приемника ИК изображения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к холодильной технике. Холодильное и/или морозильное устройство содержит охлаждаемое внутреннее пространство и термоэлектрический элемент для создания холода в охлаждаемом внутреннем пространстве.

Изобретение относится к материалам для охлаждения и/или нагрева и является универсальным и может использоваться как материал для изготовления одежды, как укрывной, защитный материал, как материал покрытия стен, полов, потолков, как утеплитель и/или как охлаждающий материал.

Изобретение относится к материалам и устройствам для охлаждения и/или нагрева и является универсальным и может использоваться как материал для изготовления одежды, как укрывной, защитный материал, как материал покрытия стен, полов, потолков, как утеплитель и/или как охлаждающий материал.

Изобретение относится к вакуумной изоляции. Тело вакуумной изоляции содержит оболочку, включающую в себя высокобарьерную пленку или являющуюся высокобарьерной пленкой, определяющую область вакуума.

Изобретение относится к вакуумной изоляции. Тело вакуумной изоляции содержит оболочку, включающую в себя высокобарьерную пленку или являющуюся высокобарьерной пленкой, определяющую область вакуума.

Инфракрасный сенсор с переключаемым чувствительным элементом относится к устройствам для бесконтактного измерения температуры в различных системах управления и контроля.

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую, а именно для подзарядки различных гаджетов и других устройств при отсутствии источников электроснабжения.

Изобретение относится к области термоэлектричества. Сущность: термоэлектрический элемент (1) включает по меньшей мере две пленки основного материала (2) в виде углеродного материала с sp3 гибридизацией атомных связей, между которыми нанесена пленка дополнительного материала (3) в виде углеродного материала с sp2 гибридизацией связей.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники, а именно к устройствам термопреобразователей, и может быть использовано для измерения быстроменяющихся температурных процессов, например температуры капель воды.

Изобретение относится к области термоэлектричества, а именно к технологии изготовления конструктивных элементов для термоэлектрических модулей. Сущность: способ изготовления конструктивного элемента (12) для термоэлектрического модуля (15) имеет следующие шаги: а) обеспечение по меньшей мере одной нити (1), имеющей протяженность (2), б) обеспечение трубчатого приемного элемента (13), имеющего внешнюю периферическую поверхность (14), в) нанесение термоэлектрического материала (3) по меньшей мере на одну нить (1), г) наматывание по меньшей мере одной нити (1) вокруг трубчатого приемного элемента (13), так что на внешней периферической поверхности (14) образовывается по меньшей мере один кольцеобразный конструктивный элемент (12) для термоэлектрического модуля (15).

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, применяемым в электронике. СВЧ фотоприемник лазерного излучения состоит из подложки 1, выполненной из n-GaAs, и последовательно осажденных: слоя тыльного потенциального барьера 2 n-Al0.2Ga0.8As, базового слоя, выполненного из n-GaAs 3, с толщиной 50-100 нм, непроводящего слоя i-GaAs 4 толщиной 1 мкм и эмиттерного слоя p-GaAs 5 толщиной 900-1000 нм с увеличением уровня легирования мелкой акцепторной примесью от границы с непроводящим слоем до противоположной границы, при этом сумма толщин базового, непроводящего и эмиттерного слоев составляет от 1,95 до 2,1 мкм.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для создания фотодетекторов (ФД) лазерного излучения (ЛИ). СВЧ фотодетектор лазерного излучения состоит из подложки 1, выполненной из n-GaAs, и последовательно осажденных: Брегговского отражателя 2, настроенного на длину волны лазерного излучения в диапазоне 800-860 нм, включающего чередующиеся пары слоев n-AlAs 3 / n-Al0,2Ga0,8As 4, базового слоя, выполненного из n-GaAs 5, с толщиной 50-100 нм, нелегированного слоя i-GaAs 6 толщиной 0,9-1,1 мкм, эмиттерного слоя p-GaAs 7 толщиной 450-400 нм, фронтальный слой р-Al0,2Ga0,8As, при этом сумма толщин базового, нелегированного и эмиттерного слоев не превышает 1,5 мкм.

Инфракрасный сенсор с переключаемым чувствительным элементом относится к устройствам для бесконтактного измерения температуры в различных системах управления и контроля.

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к интегральным фотоэлектрическим преобразователям. Ячейка фотоэлектрического преобразователя приемника изображения содержит фотодиод, транзистор считывания заряда, накопленного фотодиодом, транзистор предустановки, обеспечивающий восстановление исходного потенциала на фотодиоде, входной транзистор истокового повторителя, транзистор выборки строки и малошумящий делитель заряда, обеспечивающий выделение малой части заряда, накопленного фотодиодом за время релаксации, и ее передачу на затвор входного транзистора истокового повторителя с многократным повторением данной процедуры в течение времени кадра.

Изобретение относится к матричным фотоприемным устройствам (ФПУ) на основе фотодиодов (ФД), изготовленных по мезатехнологии в гетероэпитаксиальных полупроводниковых структурах III-V групп InGaAs/AlInAs/InP, преобразующих излучение в коротковолновой инфракрасной области спектра (0,9-1,7 мкм).

Изобретение относится к области микроэлектроники и касается пассивного беспроводного датчика ультрафиолетового излучения. Датчик включает в себя пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) и два отражательных ВШП.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, предназначенным для детектирования и испускания инфракрасного (ИК) излучения при комнатной температуре и может быть использовано, например, в устройствах, измеряющих характеристики сред, содержащих газообразные углеводороды, и в волоконно-оптических датчиках, измеряющих состав жидкости по методу исчезающей волны, для которых указанная полоса совпадает с максимумом фундаментального поглощения измеряемого компонента, например спирта или нефтепродуктов.

Изобретение относится к инфракрасной технике и технологии изготовления устройств инфракрасной техники, конкретно к фотоприемным устройствам ИК-диапазона длин волн и к технологии их изготовления.

Группа изобретений относится к нанооптоэлектронике. В фоточувствительной структуре, представляющей собой чувствительную к терагерцовому излучению при температуре эффективного фототока многослойную полупроводниковую гетероструктуру с квантовой ямой, выполненной в виде слоя узкозонного твердого раствора, содержащего Hg и Te и заключенного между барьерными слоями широкозонного трехкомпонентного твердого раствора CdyHg1-yTe, где у составляет величину в предпочтительном интервале от 65% до 72%, узкозонный слой квантовой ямы сформирован из трехкомпонентного твердого раствора Hg1-xCdxTe с содержанием Cd, определяемым величиной x в интервале от 4% до 12%, причем ширина квантовой ямы выбрана для заданного терагерцового поддиапазона частот принимаемого излучения при температуре 4,2K или 77K в зависимости от содержания Cd в соответствии с таблицей 1, представленной в описании изобретения.

Изобретения могут быть использованы в устройствах для формирования изображения, определения координат исследуемых объектов, оптической пеленгации, автоматического управления, контроля и измерения параметров излучения, экологического мониторинга, медицинской диагностики и неразрушающего контроля.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для управления одним или несколькими осветительными устройствами. Заявлен контроллер, содержащий: выход для управления одним или несколькими наружными осветительными устройствами для освещения наружной окружающей среды; вход для приема температурной информации от температурного датчика, содержащего множество измеряющих температуру элементов; и модуль управления.

Изобретение относится к инфракрасным твердотельным сенсорам, а более конкретно к инфракрасным неохлаждаемым термопарным сенсорам. Термопарный сенсор содержит поглощающий ИК-излучение слой на диэлектрической мембране, вывешенной относительно подложки на теплоизолирующих микроконсолях, один конец которых закреплен на мембране, а другой - на подложке. На поверхности консолей сформирована по крайней мере одна термопара, «горячий спай» которой расположен на мембране, которая нагревается под действием ИК-излучения, повышая температуру «горячего спая», а «холодные» контакты расположены на подложке, имеющей стабильную температуру. Оптимальное соотношение между длиной консолей и площадью сенсора, определенное в предлагаемом изобретении, обеспечивает сенсору достижение минимального значения эквивалентной шуму разности температур и, соответственно, максимального отношения сигналшум при заданных площади сенсора и времени кадра. Технический результат - достижение максимально возможной чувствительности термопарного сенсора. 3 ил.

Наверх