Главная | Обратная связь

General Purpose 4.2K Bolometer System

Вступ.

What is bolometers?

Bolometers are detectors used to measure incident Infrared radiation. They are very sensitive to thermal radiation and are predominantly used in the infrared spectrum between 10 to 5000µm (30THz to 60GHz). The detector element is an extremely sensitive thermistor that is cooled to LHe temperatures in order to decrease the thermal background. Any thermal radiation that impinges upon the detector will cause a temperature change. This will cause a change in resistance which is amplified and measured as a voltage difference.

Because bolometers measure a change in temperature, the incident radiation must be modulated. This allows the bolometer to excite and relax, thus a measurement of the change in resistance is made that corresponds to the energy of the incident radiation. The speed at which the bolometer reacts to this temperature change is dependent upon several factors that can be altered, if desired, at the time the system is ordered.

Basic system

All composite silicon bolometer systems are housed in our HDL-5 model, liquid helium dewar with a liquid nitrogen cooled radiation shield. Standard hold times are greater than 20 hours between fills for 4.2K systems and 10 hours for our 1.6K models. The detector comes with an IR light collecting cone assembly, vacuum-sealed wedged window, field of view baffling, and low noise electronics.

The bolometer system is then outfitted with a single cut-on IR filter or a cold, manually operated, 2 or 3 position filter wheel. We offer a selection of far IR cut-on long pass filters that range from 10 to 285µm.

If your application requires longer hold times, increased work height, dual detectors, or more filter positions are required, please let us know. We are committed to building a custom designed system to meet your individual needs. Special requests for custom designs are always welcome

 

3General Purpose 4.2K Bolometer System Configuration

 

 

The items in red on the diagram below are items

that can be changed/upgraded.

General Purpose 4.2K Bolometer System

 

• Our most popular and versatile bolometer system covers a wide range of applications. It consists of a 4.2K bolometer detector element bonded to a 2.5mm diamond absorber. It operates best in the range of 15 to 2000µm (20THz to 150GHz) with modulation frequencies in the 200 to 400Hz range. Hi-Res

4.2K Bolometer System

 

• This system provides a lower thermal conductivity detector and increased spectral resolution. The configuration offers a slower responding system with modulation frequencies best kept below 200Hz. This system is more sensitive and the NEP values are an order of magnitude lower than the general purpose 4.2K system.

Standard 1.6K Bolometer System

 

• Similar to our general purpose 4.2K system in spectral response (15 to 2000µm) with the added benefits provided by lowering the temperature of the detector. These benefits include a lower NEP, higher sensitivity, and the advantage of a quick response time. This system can work at modulation frequencies greater than 1 KHz.

Far-IR 1.6K Bolometer System

 

• Specifically configured to detect the lower energy signals present in the longer wavelengths of the IR spectrum and will perform well from 300µm to 5mm. It has a very low thermal conductivity compared to our other bolometer systems. This aids in providing longer integration times to capture the low signal strengths and is best operated at modulation frequency less than 300Hz.

 

 

Перший болометр.

Langley's chief scientific interest was the sun and its effect on the weather, and believed that all life and activity on the Earth were made possible by the sun's radiation. In 1878 he invented the bolometer, a radiant-heat detector that is sensitive to differences in temperature of one hundred-thousandth of a degree Celsius (0.00001 C) . Composed of two thin strips of metal, a Wheatstone bridge, a battery, and a galvanometer (an electrical current measuring device), this instrument enabled him to study solar irradiance (light rays from the sun) far into its infrared region and to measure the intensity of solar radiation at various wavelengths.

Система позначень

1)Перший елемент - приймача (Т - термоелемент; Б - болометр).

2)Другий елемент - у термоелементів характеризує матеріали, що застосовуються для виготовлення спая (М - металевий термоелемент; П - напівпровідниковий); у болометрів позначає матеріал чутливого шару (В - вісмут; Н - нікель; Г - германій; О - оксиди; К - кремній); виняток - матеріалом чутливого шару болометрів типу БКМ є суміші окислів кобальту і марганцю.

3)Третій елемент - буква, яка вказує матеріал підкладки (Ц - целулоїдна плівка; С - скло; М - слюда "Мусковіт"; К - кварц).

4)Четвертий елемент - цифра, означає розмір чутливого шару в квадратних міліметрах.

Основні відомості

Металеві Б. працюють зазвичай без охолодження. Їх виготовляють або з тонких фольг, або напиленням металу у вакуумі на тонку плівку або тверду підкладку. Вибір роблять залежно від бажаного значення t. Кращі Б. з фольги - нікелеві, що мають опір 5-10 ом, чутливість 7-10 в / вт, постійну часу 0,02 сек.

 

Напилені Б. виготовляють з вісмуту, сурми і нікелю випаровуванням металів в вакуумі на тонку органічну плівку. Найбільш поширені з металевих напиляним Б. вісмутові, з параметрами: опір 150-200 ом, чутливість 13-15 в / вт, постійна часу 0,02 сек.

 

Напівпровідникові Б. також застосовують зазвичай без охолодження. Їх виготовляють пресуванням окислів нікелю, марганцю і кобальту або випаровуванням деякихнапівпровідників в вакуумі на підкладку. Їх параметри: опір 1-10 Мом, чутливість 50-1000 в / вм, постійна часу 1-5 мсек.

 

«Інфрачервоний болометр», описано в патенті US 5939971, кл. H01L 31/08, опубл. 17.08.1999 р Воно являє собою трирівневу структуру, до складу якої входять:

- Розташована на першому рівні інтегральна схема зчитування з терморезистора разностного напруги, що змінює свій опір при нагріванні, що містить кремнієву підкладку з двома металевими струмовими контактами;

- Знаходяться на другому рівні дві мостіковие Г-образні структури з двома Стовпчикові контактами, що примикають до кремнієвій підкладці, і двома - примикають до абсорбує прошарку третього рівня;

- Абсорбуючий шар третього рівня, що складається з титанового терморезистора, ізольованого оксинитрида кремнію і додатковим шаром абсорбера, нанесеного у вигляді мультіпорістой структури поверх шару окси-нітриду кремнію.

Актуальність теми.

Проблема створення високоефективних систем широкоформатного прийому теплових зображень з високим температурним і просторовим розрізненням продовжує бути актуальною, незважаючи на велику кількість робіт, спрямованих на їх розробку та промислове виготовлення. Основним елементом таких систем є інфрачервоні (ІЧ) детектори, які мають, перш за все, забезпечувати високу ефективність перетворення випромінювання. Вимоги до цих детекторів, як правило, значно відрізняються в залежності від конкретного використання. Це, насамперед, пов’язано зі спектральним складом випромінювання, яке реєструється, фоновою обстановкою в реальних умовах застосування тепловізійної апаратури та необхідною швидкодією. Створення універсального детектора з оптимальними для різного призначення характеристиками дотепер не здійснено.

В умовах земного фону з температурою 300 К віддається перевага ІЧ-детекторам з азотним рівнем охолодження.

Найбільш поширені фотонні детектори випромінювання мають значну селективність чутливості за спектральним діапазоном, що залежить від ширини забороненої зони напівпровідника, або глибини розташування енергетичних рівнів активних домішок. У довгохвильовій ІЧ області зараз переважно використовують фоторезистори та фотодіоди на основі CdHgTe для довжини хвиль реєстрованого випромінювання менше 20 мкм. Застосування детекторів на основі домішкових германію та кремнію з граничною довжиною хвилі 200 мкм значно ускладнюється потребою їх охолодження до 4,2 К.

Другим, принципово іншим типом ІЧ приймачів, є теплові болометричні детектори. Їх чутливість не залежить від довжини хвилі сприйнятого випромінювання (зокрема, для ІЧ та НВЧ областей спектра). Болометр, на противагу фотонному приймачу, може бути виготовлено з будь-якого матеріалу, електричний опір якого залежить від температури.

Особливим класом теплових приймачів випромінювання є надпровідникові болометри, дія яких заснована на різкій зміні електричного опору при переході надпровідникових матеріалів з нормального стану в надпровідний.

Аналіз показує, що застосування багатоелементних детекторів випромінювання в приймальних пристроях ІЧ-систем значно покращує їх характеристики. Однак, створення та застосування в них багатоелементних надпровідникових болометрів ще не досить поширено. З точки зору азотного рівня охолодження чутливих елементів приймальних систем, більш значних успіхів у цьому напрямку слід очікувати на шляху використання високотемпературних надпровідникових болометрів. Незважаючи на те, що з моменту відкриття високотемпературної надпровідності при температурі ≈ 90 К багато лабораторій світу вивчають можливість використання високотемпературних надпровідників (ВТНП) для побудови високочутливих детекторів азотного рівня охолодження, досягти будь-яких успіхів у створенні багатоелементних перетворювачів ІЧ зображень поки що не вдалось. Якщо створення поодинокого болометричного елемента з високими параметрами чутливості і швидкодії, здатного стати основою побудови матричних приладів для високоякісної тепловізійної зйомки є реальним завданням, то поелементне зчитування інформації з масиву таких приймачів залишається невирішеною проблемою.

У відомих розробках ВТНП болометричних приймачів, придатних для інтегрального виконання, використані мембранні конструкції на кремнієвій основі. В цьому випадку традиційно передбачається вирішувати питання комутації сигналу з окремих чутливих елементів за допомогою структур на основі пристроїв з зарядовим зв’язком (ПЗЗ), сформованих на тій самій кремнієвій підкладці, що й матриця детекторів. Проте, технологічні труднощі не дозволили досягнути значних успіхів у цьому напрямку. Для таких структур не забезпечуються надійність і відтворюваність характеристик елементів масиву, крім того, вони потребують великої кількості технологічних операцій, які призводять до деградації надпровідних властивостей ВТНП плівок.

Застосування гібридної технології побудови ВТНП матричних детекторів потребує великої кількості електричних з’єднань матриці болометрів з мультиплексором. Оскільки одним з основних принципових факторів, які обмежують чутливість сучасних ВТНП болометричних елементів, є контактні шуми, то практична реалізація такого підходу стикається з відомими проблемами формування якісних електричних з’єднань з ВТНП структурами.

У зв’язку з цим, напрямки досліджень, які пов’язані з розробкою завершених багатоелементних детекторів ІЧ випромінювання на основі ВТНП, залишаються актуальними.