Болометры - не самая известная область электронных приборов. Но из этой узкой прослойки, БП-2, наверное, самый массовый. Это связано с тем, что болометрические датчики на его основе используются в устройствах автоматического контроля для выявления перегретых букс подвижного состава на железнодорожном транспорте. Большой и стабильный рынок, который сохранил потребность в этих приборах и по сей день. Хотя сейчас БП-2 выпускаются уже в виде различных модернизированных вариаций.
Технически это довольно обычный иммерсионный полупроводниковый (оксидный кобальто-марганцевый) болометр для регистрации ИК излучения среднего и дальнего диапазонов, от 2 до 15 мкм. Имеет чувствительный элемент размером 0,12х0,12мм.
Надо отметить, что этот прибор - не болометр в чистом виде, а теплоприёмное устройство, которое помимо датчика содержит предварительный усилитель на базе ОУ серии К544. И всё это размещено в едином металлостеклянном корпусе
Производитель - питерский НИИ "Гириконд".
 | |
| |
| |
| |
|
Основные компоненты болометра БП-2:
терморезисторный элемент, германиевая иммерсионная линза
и предварительный усилитель.
Германиевая иммерсионная линза изготавливается из оптически однородного поликристаллического германия. Для обеспечения
точной фокусировки ИК-излучения на
чувствительном элементе производится расчет геометрических форм, а также размеров поверхностей
линзы. На поверхность линзы нанесен оптический экран-диафрагма (золотая пленка с отверстием в точке фокусировки).
Терморезисторный элемент представляет
собой два полупроводниковых терморезистора в миниатюрном исполнении.
Первый терморезистор это приёмник ИК-излучения, второй – термокомпенсирующий.
Элементы крепятся к линзе так, чтобы обеспечить попадание приемника
в зону отверстия в экране. Для повышения чувствительности приемника, терморезистор приемника чернится. Небольшая масса терморезистора способствует повышению чувствительности приемника и обеспечивает сравнительно малую тепловую инерцию.
Для улучшения быстродействия приёмника ИК-излучения необходимо снизить теплоемкость термочувствительного элемента, что достигается уменьшением его размеров.
Однако это приводит к снижению чувствительности. Её
повышают за счет предварительного усилителя и активного RC-фильтра, встроенного в корпус приёмника.
Терморезисторные элементы болометра изготавливаются из оксидно-лаковой суспензии, состоящей из калий-марганцевого порошка КМП-4А, скипидара и лака ПФ-170. Чувствительная плёнка формируется центрифугированием на подложках из силикатного стекла и дальнейшим прогревом. После отверждения, снятия с подложек и сушки, плёнки калибруются по толщине и из них вырубают заготовки полупроводниковых элементов. Заготовки обжигаются для рекристаллизации полупроводника, что позволяет уменьшить шумы датчика.
После этого на заготовки наносят золотые контакты. Золочение проводится методом вакуумно-термического напыления. Для разделения золочёных полупроводниковых заготовок на отдельные элементы используют фотолитографию. Для этого на заготовки наносится фоторезист в центрифуге. После высыхания и остывания заготовок с фоторезистом проводится экспонирование по определённому шаблону. Засветка фоторезиста проводится ультрафиолетовой лампой. После этого рисунок на фоторезисте проявляется и травится золото. Разделение заготовок на элементы производится методом лазерного скрайбирования.
Для того, чтобы золотые контакты держались на поверхности чувствительного элемента, их необходимо вжечь. Элементы укладываются на кварцевое стекло золотыми контактами вверх, помещаются в силатовую печь и вжигаются при температуре 8500°С. Затем они охлаждаются и на них наносится легкоплавкое стекло для того, чтобы улучшить сцепление при впекании в линзу. Легкоплавкое стекло изготавливается из мышьяка и селена и наносится на элементы вакуумным напылением.
Сферические линзы изготавливаются из германия, выращенного методом Чохральского с кристаллографическим направлением (1,1,1), и полируются. Держатели для линз выполнены из стали 303, покрыты никелем. Перед впаиванием линзы и держатели промываются моющими растворами и сушатся. Впаивание линз в держатели производится в печке, нагретой до температуры 230-240°С.
После впаивания на линзы наносится золотое стекло методом вакуумного ионного распыления. Далее на слое золота фотолитографией по золоту формируется диафрагма. Линза в держателе устанавливается на столик центрифуги, крепится вакуумным присосом. На слой золота с помощью пипетки наносится фоторезист, методом центрифугирования равномерно распределяется по поверхности в течение 10-20 секунд, после чего линзы в держателе помещаются в сушильный шкаф.
Для получения необходимого рисунка диафрагмы на слое золота проводится экспонирование. Линза, покрытая слоем фоторезиста, устанавливается на столик для экспонирования, засвечивается ультрафиолетовым излучением ртутной лампы, затем помещается в закрытую тару. На поверхность линзы наносится щелочной проявитель NaOH и держится до полного проявления рисунка, затем линза промывается, и на неё наносится раствор травителя золота. Травление производится до полного вытравливания золота на открытых участках. После травления линзы промываются, вытираются и сушатся.
Затем производится нанесение на линзы легкоплавкого стекла методом вакуумного напыления. Стекло наносится для того, чтобы в дальнейшем поместить на него чувствительный элемент.
Впекание полупроводниковых элементов на иммерсионную линзу происходит на специальном нагревательном оборудовании. Элемент впекается одной частью строго на диафрагму, таким образом определяются активная и компенсационная части чувствительного элемента: активная лежит на диафрагме так, чтобы излучение попадало на линзу и фокусировалось на ней. Для усиления сигнала активный элемент покрывается слоем черни.
После этого выполняют приварку выводов к контактным площадкам полупроводникового элемента, измерение параметров иммерсионного устройства и разбраковку.
После всех манипуляций с иммерсионным устройством проводится его сборка с усилителем и устройство помещается в корпус. Во избежание попадания влаги, грязи и т.д., пространство между линзой и держателем заливается смолой. После сборки иммерсионного устройства с предусилителем проводятся измерения оптико-электрических параметров.
Следующим шагом является герметизация. Шов между держателем и корпусом и шов между основанием и корпусом свариваются с помощью точечной лазерной сварки в атмосфере высокочистого аргона. Последним шагом герметизации является лакирование сварочного шва. После высыхания лака на сварочных швах производится пайка контактной платы на болометр. Переходная плата устанавливается на основание болометра, контактные площадки платы ориентируются относительно выводов болометров. Плата закрепляется припайкой контактных площадок к выводам болометра.
После припайки контактный узел болометра заливается компаундом для прочности и внешнего вида. Заливка производится компаундом «Герлен-1СЭ» с отвердителем ПЭПА. Форма с болометрами помещается в термостат для полимеризации композиции.
Источники:
1. Бараночников М. Л. Приемники и детекторы излучений. Справочник. - М.: ДМК Пресс, 2012.
2. М.Л. Бараночников. Приемники и детекторы излучений. Электронная авторская версия. Москва: 2017.