К болометрам относятся приемники, у которых нагрев под действием падающего потока излучения вызывает изменение некоторых физических параметров чувствительного элемента. Среди них наибольшее распространение получили болометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления материалов от температуры, и в этом смысле болометры аналогичны термометрам сопротивления, терморезисторам и т. п.
Применяют болометры для бесконтактного дистанционного измерения температуры в качестве приемников
лучистой энергии (особенно там, где используется длинноволновое инфракрасное излучение),
в спектральных приборах, в астрономии (локация Луны), в различных системах ориентации, для измерения СВЧ мощности.
Иммерсионные полупроводниковые болометры (например,
БП1-2) используют в качестве приемников инфракрасного
излучения в аппаратуре автоконтроля ответственных узлов железнодорожного подвижного состава (колесных пар, подшипников и др.).
Общие сведения
Металлические болометры
Сверхпроводящие металлические болометры
Полупроводниковые болометры
Система обозначений и образцы
Болометры характеризуются следующими параметрами:
- сопротивление активного элемента при комнатной температуре;
- рабочее напряжение;
- чувствительность (в В/Вт); определяется как отношение полезного сигнала, снимаемого с болометра, к мощности лучистой энергии
при определенной частоте модуляции, падающей на активный элемент;
- порог чувствительности (в Вт), численно равный мощности излучения, которая вызывает сигнал, эквивалентный уровню собственных шумов
болометра, т. е. порог чувствительности определяется минимальной мощностью излучения, которую при данных условиях
способен зарегистрировать болометр;
- постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность активного
элемента (время, за которое сигнал достигает 63% от установившегося значения);
- уровень собственных шумов.
Спектральный диапазон чувствительности болометров простирается до 50 мкм. При необходимости их можно сделать селективными приемниками при помощи внешнего оптического фильтра или путем введения соответствующих красителей в органическую пленку, наносимую на поглощающий слей.
Для уменьшения влияния тепловых и радиационных помех современные болометры делаются компенсационного типа. С этой целью берут идентичный термочувствительный элемент и располагают его возможно ближе к рабочему, облучаемому элементу. Такие болометры обычно имеют три внешних вывода - от активного и компенсационного термисторов и от средней точки. Активный и компенсационный элементы болометра включаются в мостовую электрическую схему, при этом помехи, воздействующие в одинаковой степени на оба элемента, не вызывают нарушения баланса. Сопротивления других плеч моста, как правило, помещают в массивный металлический экранирующий кожух. Питание мостовой схемы осуществляют постоянным или переменным током с частотой несколько сот или тысяч Гц. При питании схемы постоянным током усиление сигнала с выхода болометра производят на частоте модуляции воспринимаемого лучистого потока. При питании схемы переменным током сигнал вначале усиливают на частоте изменения тока, а затем после детектирования — на частоте модуляции.
Для уменьшения инерционности чувствительный элемент болометра монтируется на кварцевой или стеклянной подложке, что приводит к уменьшению чувствительности на нулевой частоте модуляции регистрируемого излучения.
Болометры делятся на два основных типа: металлические и полупроводниковые. Часто
болометры изготовляются вместе с предусилителем. Высокоомные
болометры легко согласуются с входным сопротивлением лампового усилителя.
Металлический болометр представляет собой термочувствительную полоску, изготовленную из рыхлого металла, нанесенного на подложку из диэлектрика, которая помещена в баллон.
Для уменьшения порога чувствительности площадь болометрической полоски делается небольшой, а для уменьшения постоянной времени - очень тонкой. Типичные размеры болометра сопротивления: площадь порядка 1 мм2, толщина 0,1-0,01 мкм; при таких размерах постоянная времени составляет 0,01-0,02 с. Получение тонких металлических полосок чисто механическими методами (например, прокаткой) связано с большими трудностями; поэтому в настоящее время их изготовляют методом термического распыления в вакууме на какую-либо диэлектрическую подложку, например на тонкую (0,02-0,03 мкм) пленку из нитроцеллюлозы, натянутую на рамку из стекла или керамики. При толщинах 0,1-0,01 мкм металлические слои частично прозрачны, и поэтому для увеличения коэффициента поглощения их покрывают слоем черни, обычно золотой, получаемой при термическом распылении золота в атмосфере чистого азота или водорода при давлении 1-5 мм рт. ст. Толщина слоя черни составляет 20-30 мкм.
Первые образцы металлических болометров состояли из тонкой зачерненной полоски платиновой фольги; в современных вариантах этих приборов используют золото, никель, висмут (для висмута ТКС равен 0,005 1/°C). Коэффициент преобразования таких приборов достигает 10-25 В/Вт. Золотая чернь неселективна в широком диапазоне длин волн.
В большинстве случаев приемную и компенсационную полоски
помещают в вакуумный (или заполненный инертным газом) баллон с окном из материала, прозрачного для излучения
в исследуемой области спектра.
Особую группу болометров составляют металлические сверхпроводящие болометры, которые отличаются значительно меньшим порогом чувствительности. В этих болометрах используется эффект резкого уменьшения сопротивления у некоторых металлов и сплавов при низких температурах. Так, например, у применяемого чаще всего материала - нитрида ниобия - изменение температуры на 0,01 К в области перехода в сверхпроводящее состояние (Тс = 14,36 К) приводит к изменению сопротивления в два раза. Благодаря большой величине температурного коэффициента сопротивления (50-100 1/°C) и низкой рабочей температуре величина порога чувствительности оказывается малой. Постоянную времени болометра можно уменьшить за счет отвода тепла от болометрической полоски в массивную подложку. Для болометра из нитрида ниобия постоянная времени 10 до 0,5 мкс, а порог чувствительности — от 10-12 до 10-10 Вт/Гц1/2.
Однако сложность криогенной системы и необходимость
поддержания температуры в переходном диапазоне затрудняет применение
сверхпроводящих болометров в инфракрасной аппаратуре, особенно предназначенной для установки на подвижных объектах.
Чувствительный элемент полупроводниковых болометров выполнен из полупроводникового материала толщиной 10-20 мкм, нанесенного на подложку в виде тонких прямоугольных пластин.
У полупроводниковых болометров температурный коэффициент сопротивления на порядок больше,
чем у металлических (порядка 0,05 1/°C), соответственно больше у них и коэффициент
преобразования, достигающий 1000 В/Вт. Кроме
того они обладают большей механической прочностью по сравнению с металлическими, не требуют применения вакуумной оболочки,
менее инерционны; всё это и обусловило их более широкое практическое использование.
Для изготовления полупроводниковых болометров различными исследователями применялись из числа окисных полупроводников закись меди, окислы железа и другие полупроводники, а также германий, сурьма и другие материалы. Однако наилучшие результаты получены до сих пор со смесью окислов марганца, никеля и кобальта или со смесью окислов первых двух из этих металлов (Mn, Ni). Соотношение составляющих в оксидных смесях было подобрано таким образом, что удельное сопротивление первого из этих материалов оказалось равным 250 Ом*см, второго - 2500 Ом*см (при 25° С) при температурном коэффициенте сопротивления 0,04 1/°С, что соответствует энергии активации носителей тока, примерно равной 0,3 эВ. В широких пределах изменения линейных размеров чувствительных элементов их сопротивление менялось от 0,5 до 10 МОм, что обеспечивает возможность прямой связи с сеткой входной лампы усилителя.
Технология получения полупроводниковых пленок для изготовления чувствительных элементов болометров в общих чертах состоит в следующем. Смесь окислов металлов смешивается с органической связкой и соответствующим растворителем «до степени плотности сливок». Полученная суспензия «размазывается» по полированной стеклянной поверхности и просушивается. Образовавшуюся после просушки пленку снимают со стекла и разрезают на образцы требуемых размеров и формы (с учетом последующей усадки при отжиге), после чего отжигают при температуре спекания около 1100-1200° С на гладкой керамической поверхности. При этом происходит рекристаллизация и увеличение плотности образцов (усадка). При температурах порядка 800° С начинается интенсивный рост кристаллов, усиливающийся с повышением температуры до 900-1000° С. К 1100-1200° C пространства между кристаллами закрываются, образуя замкнутые поры, и укрупнение кристаллов становится особенно отчетливым. Подобранный режим обжига позволил свести к минимуму шумы, возникающие вследствие наличия переходных сопротивлений. Толщина применяемых болометрических слоев — порядка 10 мкм.
Опыт показывает, что наряду с правильным подбором режима отжига, а также вязкости исходной суспензии весьма существенное значение для сведения к минимуму уровня шумов имеет качество контактов с внешней цепью. Вполне удовлетворительные результаты были получены с применением для создания контактов серебряной (или золотой) пасты. Серебряная паста подобного рода применяется, например, в керамическом производстве, для изготовления печатных схем и т. д. и состоит обычно из окиси серебра или углекислого серебра и органической связки. Концы болометрических элементов покрываются подобной пастой. При нагреве до соответствующей температуры (600-700° С для серебряной пасты) органическая связка выгорает, а серебро восстанавливается и спекается с полупроводниковой пленкой, образуя матовый белый металлический слой, к которому могут быть припаяны токоподводящие проводники.
Порог чувствительности металлических болометров определяется шумом Джонсона (тепловым), и у лучших болометров он составляет 5х10-11 Вт/Гц1/2. У полупроводниковых болометров он выше, чем у металлических (несмотря на большое различие в коэффициенте преобразования), так как определяется токовым шумом (от 10-9 Вт/Гц1/2). Порог чувствительности некоторых полупроводниковых болометров можно уменьшить путем их охлаждения, так как температурный коэффициент сопротивления полупроводников возрастает по абсолютной величине при понижении температуры. Это реализовано, например, в угольном болометре и болометре из германия, легированного галлием.
Порог чувствительности полупроводниковых болометров приблизительно прямо пропорционален корню квадратному из площади чувствительной площадки. Уменьшение размеров последней связано с трудностями создания оптической фокусирующей системы. Поэтому разработаны иммерсионные болометры, в которых чувствительный элемент находится в оптическом контакте с линзой, выполненной из материала с большим показателем преломления. При размерах приемной площадки иммерсионного болометра 0,1х0,1 мм можно получить выигрыш в пороговой чувствительности в 3,6 раза по сравнению с болометром, имеющим приемную площадку с размерами 1х1 мм при прочих равных условиях.
Наибольшее отношение сигнал/шум болометр обеспечивает на частоте модуляции лучистого потока порядка 20 Гц. Увеличение частоты модулями до 25 Гц уменьшает отношение сигнал/шум в 1,2...1,5 раза.
1 - без подложки; 2 - с тыльной металлической пластиной; 3 - с кварцевой подложкой |
иммерсионного
|
У полупроводниковых болометров температурный коэффициент
сопротивления отрицательный, т. е. с повышением температуры токопроводящего слоя
его сопротивление уменьшается. Уменьшение сопротивления
ведет к увеличению тока, протекающего через болометр, и к увеличению рассеиваемой мощности, что вызывает дальнейший
нагрев элемента и уменьшение его сопротивления. При больших значениях тока этот процесс может привести к перегоранию
чувствительного элемента.
Первый элемент - Б — болометр.
Второй элемент - у термоэлементов характеризует материалы, применяемые для изготовления спая (М — металлический термоэлемент;
П — полупроводниковый); у болометров обозначает материал чувствительного слоя (В — висмут; Н — никель; Г — германий;
О — оксиды; К — кремний); исключение - материалом чувствительного слоя болометров типа БКМ являются смеси окислов кобальта и марганца.
Третий элемент - буква, указывающая материал подложки (Ц — целлулоидная пленка; С — стекло; М — слюда "Мусковит"; К — кварц).
Четвертый элемент - цифра, означает размер чувствительного слоя в квадратных миллиметрах*
* при этом у некоторых болометров эта цифра обозначает просто порядковый номер разработки.
БКМ-5"Б",
БКМ-5м
БП1-2
БП-2
БП-6
