автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка координатно-чувствительного термоэлектрического планарного измерительного преобразователя лазерного излучения

На правах рукописи

Тинаев Алексей Анатольевич

РАЗРАБОТКА КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПЛАНАРНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Москва-2011

4847397

Работа выполнена в ГОУВПО Московском энергетическом институ (техническом университете) на кафедре физики им. В.А.Фабриканта

Научный руководитель:

Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор Евтихиева Ольга Анатольевна кандидат технических наук, доцент Близнюк Владимир Васильевича

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Будак Владимир Павлович кандидат технических наук Москалюк Сергей Александрович Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет Информационных технологий, механики и оптики.

Защита состоится « 10 » июня 2011 г. в 16 часов в аудитории Е 603 на заседай диссертационного совета Д 212.157.12 при Московском энергетическ институте (техническом университете): 111250, Москва, Красноказарменная у д. 13.

„г .■•

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направл, по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.13. Ученый совет М (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетическо института (технического университета).

Автореферат разослан « Ц » мая 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.157.12, к.т.н., доцент

И.Г. Буре

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной промышленности, науке и медицине все более широкое применение находят оптико-электронные приборы и комплексы с лазерами.

Функциональные возможности таких приборов и комплексов в основном определяются параметрами лазерного излучения и рабочими средствами измерений (РСИ) этих параметров. В настоящее время требования, предъявляемые на территории РФ к РСИ энергетических параметров лазерного излучения, соответствуют международным стандартам и законодательно закреплены ГОСТ 8.275-2007. Следует отметить значительные успехи зарубежных фирм в разработке и производстве нового поколения РСИ энергетических параметров лазерного излучения, в том числе лазерных ваттметров. Вместе с тем приходится констатировать, что на рынке современных лазерных ваттметров, практически отсутствует продукция российских производителей. Поэтому достаточно остро стоит вопрос разработки отечественных высокотехнологичных и простых в эксплуатации лазерных ваттметров.

Наряду с энергетическими к основным параметрам лазерного излучения относятся и пространственно-энерегетические - распределение мощности в поперечном сечении лазерного пучка, а также ширина, угол расходимости и коэффициент распространения М2 лазерного пучка. Коэффициент распространения служит мерой близости параметров измеряемого и гауссова пучка и является важнейшим параметром, контролируемым при настройке и сертификации лазеров, а также в процессе их эксплуатации. Для определения угла расходимости и коэффициента М2 используются косвенные измерения с использованием результатов прямых измерений ширины лазерного пучка.

Методики измерений ширины пучка базируются на определении с помощью матричного приемника распределения мощности излучения в нескольких поперечных сечениях как прямого, так и трансформированного оптическими компонентами лазерного пучка. Однако в некоторых случаях точность результатов измерений, выполняемых с применением матричных приемников излучения, может оказаться все же недостаточной, либо такие приемники по ряду причин недоступны. Поэтому международными стандартами допускается использование альтернативных методик измерений ширины пучка -варьируемой диафрагмы, движущегося резкого края (ножа Фуко) и перемещаемой щели. При этом подчеркивается, что перечисленные методики позволяют с помощью достаточно простой аппаратуры, в состав которой входит лазерный

ваттметр, обеспечить точность измерений ширины пучка, приемлемую дл многих применений лазеров.

Как показывает анализ этих методик, для проведения с их помощь высокоточных измерений ширины пучка необходимо использовать координата чувствительный широкоапертурный лазерный ваттметр. Наличие координатно чувствительности позволяет упростить и значительно повысить точное юстировки измерительной схемы, благодаря чему создаются наилучшие услови согласования лазерного пучка с входной апертурой ваттметра. При это повышается эффективность использования приемной поверхности коллекто энергии и минимизируется влияние фоновой засветки на точность измерений, т как появляется возможность использования лазерных ваттметров с оптимальны (не завышенным) размером входного окна.

Выбор типа лазерного ваттметра в значительной степени зависит от режи генерации и уровня мощности диагностируемого излучения. В практическ метрологии достаточно часто приходится измерять параметры непрерывно! лазерного излучения среднего уровня мощности. Для диагностики тако излучения широко используются лазерные ваттметры с тепловыми первичны\ измерительными преобразователями (ПИП). Как правило, такие ПИП 1 обладают координатной чувствительностью, столь необходимой п использовании альтернативных методик измерений ширины лазерного пуч особенно при диагностике ИК лазерного излучения.

В связи с этим представляется актуальной задача разработки модельно ряда отечественных тепловых координатно-чувствительных ПИП (КЧИП) различными апертурами входного окна, способных обеспечить одновременн измерения пространственно-энерегетических и на уровне РСИ энергетическ параметров непрерывного лазерного излучения среднего уровня мощности.

Цель работы. Основной целью данной работы является разработка применение методики расчета основных параметров и характеристик модельн ряда автономно калибруемых широкоапертурных КЧИП средней мощное непрерывного лазерного излучения, минимизация их селективности в \ диапазоне длин волн и использование результатов расчёта при изготовлен макетных образцов КЧИП.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следуюи задачи:

• создать расчётную модель КЧИП с учетом особенностей планар] технологии изготовления преобразовательного элемента;

• провести оптимизацию топологии преобразовательных элементов широкоапертурных КЧИП;

• разработать способ минимизации селективности кремниевого коллектора энергии и методику расчета его спектральной характеристики;

• разработать методику расчёта зонных и координатных характеристик широкоапертурных КЧИП с преобразовательным элементом оптимальной топологии и установить влияние различных факторов и неинформативных параметров на их зонные и координатные характеристики;

• провести экспериментальные исследования основных характеристик и параметров КЧИП с использованием одного из типоразмеров коллектора энергии разрабатываемого модельного ряда КЧИП.

Научная новизна работы

1. Разработаны методика и алгоритм расчета спектральной характеристики коллектора энергии с плавно изменяющимися по его толщине оптическими константами.

2. Разработан способ изготовления плоского зеркально отражающего кремниевого коллектора энергии КЧИП с селективностью не более 0,3% в диапазоне длин волн от 3 до 12 мкм.

3. С помощью аналитических соотношений, полученных в результате анализа одномерной модели, впервые показана возможность создания широкоапертурных планарных КЧИП.

4. Установлено влияние на основные характеристики планарных КЧИП распределённых тепловых потерь с поверхности преобразовательного элемента, диаметра лазерного пучка и толщины подложки.

Практическая ценность работы

1. Изготовлены макетные образцы КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм" и диаметром входного окна 12 мм с использованием результатов расчётов, проведённых при их моделировании.

2. Предложенные методы и алгоритмы расчета позволяют определять основные параметры новых моделей автономно калибруемых планарных КЧИП и оценивать их предельные характеристики, а также могут быть использованы при расчёте спектральных характеристик коллекторов энергии, выполненных из других полупроводниковых материалов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Кремниевый коллектор энергии с селективностью, не превышающей 0,3% в диапазоне длин волн от 3 до 12 мкм, может быть изготовлен методами планарной технологии путём формирования в его объёме трёх областей: воспринимающей, согласующей и поглощающей излучение.

2. Численный анализ параметров одномерной модели КЧИП, представленных в аналитическом виде, позволяет определить влияние

распределённых тепловых потерь и толщины преобразовательного элемента н размеры рабочей зоны и, тем самым, показать принципиальную возможност создания КЧИП с диаметром входной апертуры до 40 мм.

3. Расчётная модель планарного КЧИП, позволяющая определить ег зонную и координатную характеристики, верна, что подтверждается результатам экспериментальных исследований параметров макетных образцов КЧИП коллектором энергии 14x14 мм2.

4. Оптимизация размеров входного окна и топологи преобразовательного элемента позволяет уменьшить составляющу неравномерности зонной характеристики, обусловленную рассогласование линий теплового тока с ветвями планарных термопар, до 0,1%.

Достоверность полученных результатов

Достоверность научных положений проверена решением задач разны методами, а также сопоставлением результатов расчёта, полученных в хо математического моделирования КЧИП и при анализе его одномерной модели. Получено хорошее совпадение результатов расчетных и экспериментальнь исследований тестовых образцов.

Внедрение результатов диссертационной работы

Макетный образец КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм2 и топологи преобразовательного элемента, разработанной в данной диссертационной рабо используется в лаборатории «Источников и приёмников оптического излучен кафедры оптико-электронных приборов и систем Санкт-Петербургско государственного университета информационных технологий, механики оптики, что подтверждено Актом № 01/2011 от 30.03.11.

Апробация работы. Основные материалы работы были доложены на:

37-м и 38-м Международных научно-методических семинарах «Шумовы деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2006 г. 2007 г.);

30-й Международной научно-технической конференции студентов аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007 г.)

IX и X Международных научно-технических конференциях «Оптическ методы исследования потоков» (Москва, 2007 г. и 2009 г.);

XVIII Всероссийской конференции «Фотометрия и ее метрологичес обеспечение» (Москва, 2009 г.);

19-й и 20-й Международных конференциях «Лазеры. Измерен Информация» (Санкт-Петербург, 2009 г. и 2010 г.);

39-м и 40-м Международных научно-методических семина «Флуюуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (Москва, 2008г. и 2009г.).

Публикации

Основные положения диссертации опубликованы в двух статьях в научных реферируемых журналах, 15 статьях в сборниках материалов научно-технических конференций и семинаров и в двух тезисах докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 192 страницы текста, включая 39 рисунков, 10 таблиц и библиографический список из 112 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор научного направления и актуальность работы. Определены цель и основные задачи диссертации. Сформулированы научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе систематизирована общая классификация тепловых амплитудных первичных измерительных преобразователей средней мощности лазерного излучения с учетом специфики планарных КЧИП. Подробно рассмотрены требования, предъявляемые ГОСТ 8.275-2007 и МЭК 61040:1990 к основным параметрам и характеристикам первичных преобразователей лазерных ваттметров. Особое внимание уделено анализу важнейшего метрологического параметра первичных преобразователей - пределу допускаемой относительной погрешности. В результате проведенного анализа установлено, что основной вклад в величину этого предела вносят неисключенные систематические погрешности, обусловленные зависимостями выходного сигнала от уровня мощности и длины волны лазерного излучения, а также от координат энергетического центра лазерного пучка (ЭЦЛП) на приемной поверхности коллектора энергии и температуры окружающей среды. Кратко рассмотрены способы минимизации этих погрешностей.

Проведен краткий обзор научных и научно-технических публикаций по тепловым КЧИП. Основное внимание уделено анализу характеристик КЧИП, обеспечивающих диагностику лазерного излучения в ИК диапазоне длин волн. Дана оценка уровня разработок таких КЧИП и рассмотрены перспективы использования их в качестве РСИ.

Установлено, что из всех рассмотренных моделей тепловых КЧИП отечественного производства наиболее высокотехнологичным является разработанный в 80-х годах прошлого столетия первичный измерительный преобразователь типа ПИТИ-1 лазерного ваттметра ИМО-4. Однако его метрологические параметры не удовлетворяют требованиям ГОСТ 8.275-2007,

предъявляемым к современным рабочим средствам измерений средней мощносп лазерного излучения.

Во второй главе рассмотрен алгоритм построения математическо! модели широкоапертурного планарного КЧИП.

Основным этапом построения математической модели планарного КЧИ являлся расчет температурного поля его преобразовательного элемента. С учето особенностей конструкции и условий работы КЧИП этот расчет сведен решению уравнения теплообмена для стационарного режима. Уравнени решалось при нулевых граничных условиях, соответствующих идеальном тепловому контакту периферии преобразовательного элемента с термостатом.

Использование клеевых соединений преобразовательного элемента термостата приводит к нарушению однородности граничных условий. Задач приведения их к однородным решалась методом моделирования элемент имитатора, находящегося в идеальном тепловом контакте с термостатои Термические сопротивления клеевых слоев учитывались путем соответствующи изменений площади реального преобразовательного элемента, в результа которых элемент-имитатор и реальный элемент имели одну и ту же форму, термические сопротивления элемента-имитатора и суммарного термическо сопротивления реального элемента и клеевых слоев были равны. Используем для расчета параметров планарного КЧИП температурное поле реально преобразовательного элемента рассматривалось при этом как час температурного поля идеально термостатированного элемента-имитатора.

Определены предельные параметры КЧИП. Для этого рассмотрена одномерная модель с двумя идентичными термобатареями 1 и 3, горячие конц ветвей термопар которых находятся в идеальном тепловом контакте коллектором энергии 2, а холодные - с термостатом 4 (рис.1). Термическ сопротивление самого термостата считалось равным нулю.

Поперечное сечение лазерного пучка мощностью Ро задавалось в ви узкого равнояркого отрезка прямой, длина которого равнялась шири

и_£_^

I* Э|С_й_э|. /, .

1 2 3

Рис.1 Одномерная модель планарног КЧИП. Ь, В и /ТБ - длина преобразовательного элемента, коллектора энергии и ветвей термоп х - смещение области поглощения излучения относительно центра коллектора энергии

преобразовательного элемента. При такой форме сечения лазерного пучка линии теплового тока направлены строго вдоль ветвей термопар, т.е. полностью с ними согласованы.

Показано, что в этом случае координатные зависимости коэффициента преобразования и крутизны нормированной координатной характеристики описываются одной и той же функцией - сЬ(Ьх), где Ъ - параметр распределенных тепловых потерь с поверхности преобразовательного элемента, а равные друг другу значения неравномерности зонной и нелинейности координатной характеристик Н определяются через основные физико-технические параметры планарного КЧИП из трансцендентного уравнения:

где бг - осредненный коэффициент теплоотдачи; аг - коэффициент теплопроводности кремния; к - толщина преобразовательного элемента.

Путем анализа уравнения (1) показано, что при увеличении коэффициента теплоотдачи уменьшается равномерность зонной и возрастает нелинейность координатной характеристики.

Установлено также, что распределенные тепловые потери могут быть уменьшены за счет увеличения как толщины подложки, так и теплопроводности материала, из которого изготовлен преобразовательный элемент.

При значении параметра Н = 0,008, характерном для рабочих средств измерений средней мощности непрерывного лазерного излучения, из уравнения (1) определена в аналитическом виде зависимость параметра В от коэффициентов бг и аг, а также толщины преобразовательного элемента Л:

Численный анализ уравнения (2) показал, что при изготовлении преобразовательного элемента на базе стандартной кремниевой пластины толщиной 0,6 мм максимальная длина коллектора энергии, в пределах которого неравномерность зонной характеристики планарного КЧИП не превышает 0,8%, может достигать 40 мм. Таким образом, показана принципиальная возможность создания широкоапертурных планарных КЧИП.

В третьей главе изложен метод расчета выходных сигналов КЧИП, базирующийся на том, что термобатареи являются интеграторами температур

0)

(2)

точек преобразовательного элемента, имеющих координаты горячих и холодны) концов ветвей термопар. Смоделирован процесс высокотемпературной диффузий бора в кремниевую подложку на этапе формирования кремниевых ветвей планарных термопар, электрическая изоляция которых определяете! сопротивлением обратно включенного /?-и-перехода. I

Сформулированы критерии оптимизации диффузионного профил| легирования и плотности упаковки термопар с целью минимизации зависимост! коэффициента преобразования КЧИП от температуры окружающей среды пр| выбранном способе электрической изоляции термобатарей. Установлено, чт зависимость коэффициента преобразования от температуры окружающей сред); во всем рабочем диапазоне температур от 10 до 35°С может быть практически исключена при изготовлении ветвей термопар из р+-кремния с концентрацие[ примеси (бора) N=4,2-1024 м"3, так как именно при таком значении i температурная зависимость коэффициента теплопроводности нелегированног кремния, из которого изготовлен преобразовательный элемент, компенсирует: температурной зависимостью термоэде легированного кремния.

Особое внимание уделено вопросу согласования линий теплового тока ветвями планарных термопар. Установлено и показано на рис.2, что лини

Рис. 2 - Линии теплового тока, протекающего в термостат при идеальном тепловом контакте с ним всего периметра преобразовательного элемента: 2, 5, 8, 12 - полностью согласованные с ветвями термопар; 1 и 9 - частично согласованные с ветвями термопар; 3, 4, 6, 7, 10, 11, 13,14 - в наибольшей степени рассогласованные, проходящие через холодные концы ветвей крайних термопар термоэлектрических батарей. ЭЦЛП находится: а- в центре коллектора энергии; б - в произвольной точке коллектора энергии. I -коллектор энергии; II - отрезок прямой, на котором находятся горячие концы ветвей термопар; III - длинные стороны планарных ветвей термопар; в - угол между линией теплового тока и длинной стороной ветви термопары

тепловых токов направлены не строго вдоль ветвей планарных термопар как в случае протекания тепловых токов по ветвям классических термопар. На том же рисунке видно, что углы между линиями тепловых токов и ветвями планарных термопар зависят от координат ЭЦЛП, что обусловливает координатную зависимость термических сопротивлений термобатарей, а значит, и координатную зависимость их выходных сигналов.

Показано, что степень согласования линий теплового тока с ветвями планарных термопар во многом определяется топологией преобразовательного элемента, т.е. формой и размером термобатарей и местом их расположения на преобразовательном элементе. Рассмотренные в работе топологии преобразовательных элементов представлены на рис.3.

Рис. 3 - Топология преобразовательного элемента с термобатареями: а — прямоугольными, б - трапецевидными, в - занимающими всю площадь подложки за исключением площади коллектора энергии, г - кольцеобразной.

I - коллектор энергии;

II - термобатареи;

III - термостат

Путем анализа всех топологий установлено, что оптимальной является топология, схематически представленная на рис.3,6.

Показано также, что использование планарного резистора замещения в виде алюминиевой полоски-меандра круглой формы, расположенной в той области коллектора энергии, где неравномерность зонной характеристики КЧИП не превышает 0,8%, обеспечивает практически полную эквивалентность замещения оптического нагрева электрическим (коэффициент эквивалентности отличается от единицы не более чем на 0,5%).

Четвёртая глава посвящена моделированию спектральной характеристики КЧИП.

Рассмотрены спектральные характеристики как чистого, так и сильно легированного кремния в спектральном диапазоне длин волн, указанном в ГОСТ 8.275-2007. Благодаря малой дисперсии чистого кремния относительное

изменение коэффициента однократного отражения от него не превышает 0,6 % 1 диапазоне длин волн (3-12) мкм. Однако коллектор энергии в виде тонко« пластины из чистого кремния достаточно прозрачен в указанном диапазоне дли« волн, и при определении его коэффициента поглощения приходится учитыват многократные отражения излучения от границ коллектора энергии и явлени интерференции. Изготовление коллектора энергии из сильно легированног кремния обеспечивает за один проход полное поглощение проникшего в нег излучения. Однако проведенные в данной работе расчеты показали, что КЧИП I таким коллектором энергии характеризуется ярко выраженной селективность-! (рис. 4).

Рис. 4 - Спектральная зависимость коэффициента однократного отражения от , коллектора энергии при различных концентрациях ионизованной примеси № 1 -ЛГ= 2■ 1024 м'3; 2-Ы= 81025 м"3: 3-Ы= 2-Ю26 м"3

С целью минимизации селективности планарного КЧИП в спектрально диапазоне длин волн излучения от 3 до 12 мкм предложено формировать в объёл! коллектора энергии три области: не легированную воспринимающую излучени согласующую с плавно изменяющимся концентрационным профилем сильнолегированную, полностью поглощающую дошедшее до нее излучени Показано путем расчетов, что такой коллектор энергии может быть изготовлен помощью высокотемпературной диффузии фосфора в кремний. Предложен методика расчёта процесса диффузии, базирующаяся как на экспериментальна данных, приведённых в литературе, так и на известных законах распределен: примеси. При этом учтены зависимость коэффициента диффузии от постоят изменяющейся в процессе разгонки концентрации примеси и значеш предельной концентрации полностью ионизованной примеси. Изменен! концентрационного профиля примеси в процессе ее разгонки проиллюстрироваг на рис. 5.

сформированные: 1 - путём загонки фосфора в течение 17 часов при температуре 1150°С; 2 и 3 - с последующей разгонкой при температуре 1250°С в течение 50 мин (кривая 2) и 90 мин (кривая 3)

Расчёт спектральной характеристики коллектора энергии с плавно изменяющейся в направлении распространения излучения концентрацией примеси проводился двумя способами. При этом сильно легированная область представлялась в виде многослойной структуры с постоянными оптическими константами в пределах каждого слоя.

С помощью закона Бугера оценивалась толщина поглощающей области и концентрация примеси в ней, необходимая для полного поглощения излучения за один проход. Расчёт спектральных характеристик коллектора энергии проводился матричным методом Абеля, когда для каждого слоя задавалась матрица слоя Ь, а для каждой границы раздела - матрица раздела I. Последовательное перемножение указанных матриц давало матрицу рассеяния элементы которой в свою очередь определяли амплитудные коэффициенты отражения и пропускания. В работе отмечено, что данный метод не работает в сильно поглощающих средах, а позволяет рассчитывать оптические характеристики только части согласующей области. Поэтому применялся второй способ, заключающийся в расчёте прохождения луча через многослойную структуру с учётом поглощения излучения в каждом слое и в приближении двукратного переотражения от границ слоя. Расчёты показали что, такое приближение справедливо в сильно поглощающих средах с плавно изменяющимися оптическими константами.

Рассчитаны спектральные характеристики коэффициента отражения от неоднородно легированного коллектора энергии (рис.6).

Расчёты показали, что при времени разгонки примеси 75 минут возможно создание непрозрачного коллектора энергии, коэффициент отражения которого в интервале длин волн от 3 до 12 мкм варьируется от 30,05% до 30,15%. Также

14

Рис. 6 - Спектральная зависимость коэффициента отражения: 1 - однократного

от чистого кремния; 2 , 3,4, 5 - от неоднородно легированного коллектора энергии при времени разгонки примеси 150,100,75 и 40 минут соответственно

установлено, что за счет формирования в согласующей области определенног концентрационного профиля ионизованного фосфора возможно создание КЧИП плоским зеркально отражающим коллектором энергии без чернящего покрытия селективностью, не превышающей 0,3% в значительной части спектрально диапазона, регламентируемого ГОСТ 8.275-2007.

Также показано, что условие практически полного (99,9%) поглощен1 излучения с длинами волн 3-12 мкм выполняется в том случае, когда толщи« поглощающей области достигает 7 мкм, а концентрация фосфора в ней постояш-и равна максимальной концентрации примеси, при которой примесь полность; ионизована - 3 • 1026 м"3.

Пятая глава посвящена математическому моделированию характерней планарных КЧИП с коллекторами энергии от 14*14 мм" до 56х56 мм" экспериментальным исследованиям макетных образцов планарных КЧИП коллектором энергии 14*14 мм".

Расчетным путем исследованы зависимости зонной и координатн характеристик, а также верхней границы диапазона измерений планарных КЧИ от габаритов преобразовательного элемента, размеров коллектора энерги коэффициента теплоотдачи и диаметра лазерного пучка.

При расчетах лазерный пучок считался гауссовым. За диаметр лазерно: пучка принят диаметр его поперечного сечения, в пределах которо сосредоточено 99,97% всей мощности излучения.

Рабочей зоной КЧИП считалась та часть коллектора энергии, в предел которой неравномерность зонной характеристики не превышала 0,8% во вс' диапазоне измеряемых мощностей.

На рис. 7 приведены зонная и координатная характеристик КЧИП(69,2x69,2/56x56) с размером преобразовательного элемента 69,2x69,2 м и коллектором энергии 56x56 мм".

х0, мм

Рис. 7 - Зонная (а) и нормированная координатная (б) характеристики КЧИП (69,2x69,2/56x56) при диаметре лазерного пучка Л = 4 мм (кривые 1, 2, 3, 4, 5) и при диаметре лазерного пучка Л = 16 мм (кривые 6, 7). Различные кривые соответствуют разному расстоянию между осью перемещения ЭЦЛП и осью симметрии коллектора энергии (значения расстояний |_у0 — _уц| указаны в мм): 1 и 6 - 0; 2 - 5; 3 и 7 - 10; 4 - 15; 5 - 25; аг=7,5 Вт/(м2-К)

5+/в, К/Вт

А;./вР0, К/Вт

б)

Расчетным путём показано, что для обеспечения приемлемого значени верхней границы диапазона измерений по поглощенной мощности (~ 1 В диаметр входного окна КЧИП (69,2x69,2/56x56) не должен превышать 40 м Установлено, что при диаметре входного окна 40 мм коэффицие преобразования КЧИП по поглощённой мощности варьируется от 484,7 К/Вт д 490,4 К/Вт, а неравномерность зонной характеристики равна 0,7%. Определен что при попадании во входное окно КЧИП всего лазерного пучка диаметром независимо от величины А в пределах от 4 до 30 мм крутизна нормированно координатной характеристики КЧИП (69,2x69,2/56x56) варьируется от 9,3 -1 К/(Вт-м) до 12,9-103 К/(Вт-м) (нелинейность координатной характеристики 18,6% Анализ зонной характеристики КЧИП при бг=0 показал, что её неравномерное в пределах рабочей зоны, обусловленная несогласованием линий теплового тока ветвей планарных термопар, равна 0,1%. Для КЧИП с меньшими размера коллектора энергии величина этого параметра достигает 0,2%.

Установлено, что ход кривых, представленных на рис.7, характерен ) всех планарных КЧИП, входящих в разрабатываемый модельный ряд.

Результаты расчётов основных параметров входящих в разрабатываемь модельный ряд КЧИП приведены в таблице. Расчеты проводились при одном том же значении длины ветвей термопар - 4 мм.

Таблица - основные параметры разработанного модельного ряда КЧИП

^ 3

н

еэ

вд

I §

3 о о

Й и Р а

Ь к

0 к

К 5

& §

1 §.

я Й §.§

В х

« р.

о Рг ^

Е <и ? « д н

£ - В ш

8 Ё а

¡¿6 5

¡11 £ * •

$8- §

^ х И

Е В

н и.

и

О К

1°

я м

Я Э

м и =

в о. о

а и 2

3 2 _

X П « н

« Я О Ш &§

3 § 3 2

* 1 § Т.

о. а 5 А1

и Я О тг

(Я 5 е Л

КЧИП (26x26/14x14)

12

0,41

0,20

24,1

14,0

1,15

КЧИП (35x35/20x20)

15

0,40

0,20

20,2

10,2

1,46

КЧИП (43x43/28x28)

20

0,40

0,28

16,0

11,3

1,43

СЧИП(52,4x52,4/40x40)

30

0,26

0,40

7,0

16,4

1,80

СЧИЩ69,2x69,2/56x56)

40

0,26

0,70

5,0

18,6

1,10

При экспериментальных исследованиях планарных КЧИП использовали оба установленных стандартами метода измерений параметров теплов

термоэлектрических измерительных преобразователей - с использованием стабилизированного по мощности лазера и приемника-свидетеля и с использованием замещения оптического нагрева коллектора энергии электрическим.

В области измерений зонной и нормированной координатной характеристик формировался близкий к одномодовому лазерный пучок мощностью 0,500 Вт на длине волны 10,6 мкм с нестабильностью мощности 0,3% за час. С помощью декадных ослабителей базовый пучок трансформировался в пучки мощностью 50,0 мВт и 5,00 мВт. Изменение координат ЭЦЛП с шагом 0,5 мм осуществлялось перемещением корпуса КЧИП, жестко закрепленного на координатном столике с погрешностью позиционирования 10 мкм. Интервал времени между измерениями составлял 30 с. Измерения проводились с лазерными пучками диаметром 2 мм в соответствии с требованиями стандарта МЭК 61040:1990. При необходимости изменение диаметра пучка в пределах от 2 до 10 мм осуществлялась перемещением просветлённой германиевой линзы.

Исследованы три макетных образца планарных КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм" и диаметром входного окна 12 мм, изготовленные в едином технологическом цикле. Анализ их зонных и координатных характеристик показал, что неравномерность зонных характеристик не превышает 0,2%. Коэффициенты преобразования КЧИП в центре коллектора энергии равны 0,41В/Вт, а крутизна координатной характеристики - 24 В/(Вт-м). Полученные результаты хорошо согласуются с результатами расчетных исследований.

Установлено, что при прохождении через входную апертуру практически всей мощности лазерного пучка зонная и координатная характеристика КЧИП не зависят от диаметра лазерного пучка.

Методом замещения оптического нагрева электрическим определены коэффициенты преобразования и верхняя граница диапазона измерений по поглощенной мощности. Коэффициенты преобразования всех трех КЧИП по оптической мощности практически одинаковы - варьируются от 0,410 до 0,416 В/Вт, а по поглощённой мощности - от 0,591 до 0,595 В/Вт.

Установлено, что все исследованные КЧИП линейны в диапазоне от 5 до 500 мВт по поглощенной мощности излучения и от 7 до 700 мВт по оптической мощности. Определено также, что верхняя граница диапазона измерений по поглощённой мощности равна 1,06 Вт.

Установлено, что коэффициент эквивалентности замещения оптического нагрева электрическим отличается от единицы не более, чем на 0,27%.

Полученные результаты свидетельствуют о высокой степени воспроизведения параметров планарных КЧИП и согласуются с расчетными.

В заключении кратко сформулированы основные результаты данно

работы:

1. Создана расчётная модель планарного КЧИП.

2. С учётом требований к лазерным ваттметрам разработан новь модельный ряд планарных КЧИП с оптимальными топология преобразовательных элементов при размерах коллекторов энергии от 14x14 м до 56х56 мм2 и диаметрами входного окна от 12 до 40 мм.

3. Предложен способ изготовления коллектора энергии планарно КЧИП и впервые показано, что его селективность не должна превышать 0,3% диапазоне длин волн (3 - 12) мкм.

4. Разработана методика расчета спектральных характерист неоднородно легированного кремниевого коллектора энергии с плав изменяющимися по его толщине оптическими константами, базирующаяся представлении области легирования в виде многослойной структуры неизменными оптическими константами в пределах каждого слоя.

5. Путём расчётных исследований установлено влияние на линейное координатной и равномерность зонной характеристик КЧИП размеров коллекто энергии и преобразовательного элемента, а также диаметра лазерного пучка распределённых тепловых потерь.

6. Теоретически показано и на макетных образцах КЧИП (26х26/14><1 экспериментально подтверждено, что при оптимальной тополог преобразовательных элементов КЧИП разработанного модельного ряда мож обеспечить неравномерность зонной характеристики не более 0,8%, достаточ высокий коэффициент преобразования 0,4 В/Вт) и крутизну нормированн координатной характеристики 24 В/(Вт-м).

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Близнюк В.В., Тинаев А.А. Неселективный тепловой первичнь измерительный преобразователь лазерного излучения с плоским зеркаль отражающим коллектором энергии // Измерительная техника. 2010. № С.43-46. V. V. Bliznyuk and A. A. Tinaev nonselective thermal prima measurement converter of laser radiation with a plane specularly reflecting ener collector // Measurement Techniques. 2010. V. 53, № 2. P.178-183.

2. Близнюк B.B., Тарасов A.E., Тинаев А.А. О возможное использования планарного первичного измерительного преобразовате средней мощности лазерного излучения в широкоапертурных координатн чувствительных лазерных ваттметрах // Метрология. 2011. №1. С.7-17.

3. Близнюк В.В., Корецкая И.В., Тинаев А.А. Исследование в реальн масштабе времени деградационных процессов в планарных измерительн преобразователях лазерного излучения// Шумовые и деградационные процессы полупроводниковых приборах: Материалы докладов 37-го Международно научно-методического семинара (Москва 28-30 ноября 2006г.). M.: МНТОР

им. А.С.Попова. МЭИ, 2007. С.121-126.

4. Тинаев A.A. Деградация планарной термоэлектрической батареи, изготовленной по технологии диффузионного резистора И Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы докладов 40-го Международного научно-методического семинара. (23-25 ноября 2009г.). М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. МЭИ, 2010. С.128-133.

5. Близнкж В.В., Тинаев A.A. Деградация кремниевого преобразователя ИМО-4 в жёстком режиме эксплуатации // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы докладов 39-го Международного научно-методического семинара. (25-27 ноября 2008г.). М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. МЭИ, 2009. С.108-113.

6. Близнкж В.В., Тинаев A.A. Разработка' высокоточного рабочего средства измерений средней мощности лазерного излучения с учетом особенностей формирования выходного сигнала планарной термобатареи // Сборник докладов 20-й Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация - 2010». СПб.: Изд-во. Политехнич. ун-та, 2010. Т.2. С.49-57.

7. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Тинаев A.A. Оптимизация планарного резистора замещения высокоточного лазерного ваттметра // Сборник докладов 20-й Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация - 2010». СПб.: Изд-во. Политехнич. ун-та, 2010. Т.2. С.43-48.

8. Близнюк В.В., Тинаев A.A. Неселективный тепловой первичный измерительный преобразователь лазерного излучения с плоским зеркально отражающим коллектором энергии // Тезисы докладов на 18-й Всероссийской конференции «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» (15-17 апреля 2009г.). М.: ФГУП ВНИИОФИ, 2009. С.44-46.

9. Близнюк В.В., Коваль О.И., Мансурова Н.Г., Тинаев A.A. Пространственно-энергетические характеристики лазеров на основе квантоворазмерной структуры InGaAs/GaAs/GaAlAs // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы докладов 37-го Международного научно-методического семинара. М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова. МЭИ, 2007. С.170-174.

10. Тинаев A.A. Первичный преобразователь лазерного излучения, выполненный по планарной технологии // Тезисы докладов 13-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издат. дом МЭИ, 2007. Т.1. С. 167.

11. Близнюк В.В., Корецкая И.В., Тинаев A.A. Метрологическое обеспечение диагностики излучения полупроводниковых лазеров, используемых в лазерных измерительных системах // Оптические методы исследования потоков: Труды IX Международной научно-технической конференции / Под ред. Ю.Н. Дубнищева, Б.С. Ринкевичюса. М.: Издат. дом МЭИ, 2007. С.552-553.

12. Близнюк В.В., Коваль О.И., Панкратов И.П., Ряховский А.П., Тинаев А.А Автоматизация систем диагностики излучения полупроводникового лазера на основе квантоворазмерной гетероструктуры// Оптические методы исследования потоков: Труды IX Международной научно-технической конференции / Под ред.

Ю.Н. Дубнищева, Б.С. Ринкевичюса.- М.: Издат. дом МЭИ, 2007. С.548-551.

13. Близнюк В.В., Вирясова Н.И., Коваль O.A. Луканин В.А., Тинаев А. Деградационные изменения пространственно-энергетических характерист излучения лазера на основе квантоворазмерной структуры InGaAs/ GaAs/AlGaA Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых прибор Материалы докладов 38-го Международного научно-исследовательско семинара (Москва 27-28 ноября 2007 г.). М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. МЭ 2008. С.156-161.

14. Близнюк В.В., Коваль О.И., Панкратов И.А., Беляева Е.В., Неверо Е.А., Тинаев A.A. Спектральные, пространственно-энергетические поляризационные характеристики лазеров на основе квантовой структур InGaAs/GaAs/AlGaAs на конечной стадии деградации // Флуктуационные деградационные процессы в полупроводниковых приборах: Материалы доклад 39-го Международного научно-методического семинара. (25-27 ноября 2008г М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. МЭИ, 2009. С.120-125.

15. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Неверова Е.А., Тинаев A.A. Измерен энергетических и поляризационных характеристик лазерных диодов использованием планарного теплового первичного измерительно преобразователя лазерного излучения // Труды Междунар. конференции «Лазер Измерения. Информация - 2009».СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2009. С.44.

16. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Неверова Е.А., Тинаев A.A. Измерен энергетических и поляризационных характеристик лазерных диодов использованием планарного теплового первичного измерительно преобразователя лазерного излучения // Сборник докладов 19-й Международн конференции «Лазеры. Измерения. Информация - 2009». СПб.: Изд-во Полите ун-та, 2009. Т.1. С.124—141.

17. Близнюк В.В., Тинаев A.A. Диагностика состояния поляризац излучения лазерных диодов, используемых в лазерных доплеровских системах Труды 10-го Международной научно-технической конференции «Оптическ методы исследования потоков». М.: Издат. дом МЭИ, 2009. С. 104-107.

18. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Неверова Е.А., Тинаев A.A. Оптимизац условий использования лазерных диодов в качестве активных лазерн интерферометров в доплеровских измерительных системах // Труды 10-Международной научно-технической конференции «Оптические мето исследования потоков» - М.: Издат. дом МЭИ. 2009. С. 108-111.

19. Близнюк В.В., Беляева Е.В., Еремин А.Н., Крайнов И.В., Тинаев А. Измерения поляризационных характеристик прямого излучения лазерных диод на квантоворазмерных гетероструюурах // Сборник докладов 2 Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация - 2010». СП Изд-во Политехи, ун-та, 2010. T.l. С.161-168.

Подписано в печать 03.05.2011 Зак.2728 Тир.ЮО

Отпечатано в типографии «Реглет»

ул. Фридриха Энгельса, д. 3/5, стр. 2

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕПЛОВЫЕ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ.

1.1 Основы построения и классификация тепловых измерительных преобразователей лазерного излучения.

1.2 Основные параметры и характеристики тепловых ПИП, в том числе КЧИП

1.3 Предел допускаемой относительной погрешности тепловых ПИП.

1.4 Координатно-чувствительные тепловые НИИ

1.4.1 Многоэлементные тепловые КЧИП.

1.4.2 Дифференциальные тепловые ПИП.

1.5 Возможности модернизации преобразовательного элемента интегрального термоэлектрического планарного КЧИП.

1.6 Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ ШИРОКОАПЕРТУРНОГО ПЛАНАРНОГО КЧИП.

2.1 Общие вопросы математического моделирования планарного КЧИП.

2.2 Постановка краевой задачи теплопроводности.

2.3 Коэффициент теплоотдачи с поверхности подложки

2.4 Температурная зависимость теплопроводности кремния

2.5 Решение краевой задачи теплопроводности.

2.6 Способы крепления преобразовательного элемента на корпус-термостат

2.7 Анализ упрощенной модели планарного КЧИП.

2.8 Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ ТОПОЛОГИИ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА.

3.1 Формирование термобатарей планарного КЧИП.

3.2 Моделирование процесса диффузии на этапе формирования термобатарей.

3.3 Расчет сигналов термобатарей планарного КЧИП.

3.4 Оптимизация диффузионного профиля легирования и плотности упаковки термопар.

3.5 Минимизация зависимости коэффициента преобразования КЧИП от температуры окружающей среды То.

3.6 Оптимизация геометрических параметров планарного преобразовательного элемента КЧИП.

3.6.1 Критерии оптимизации.

3.6.2 Критерии выбора оптимальных размеров термобатарей.

3.6.3 Оптимизация зонной характеристики КЧИП.

3.6.4 Оптимизация ширины области теплового контакта подложки с термостатом.

3.6.5 Геометрический подход к оптимизации.

3.6.6 Оптимизация размера и формы резистора замещения

3.7 Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. РАСЧЁТ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

КОЛЛЕКТОРА ЭНЕРГИИ.

4.1 Постановка задачи

4.2 Взаимодействие оптического излучения с монокристаллическим кремнием.

4.3 Согласование оптического излучения с полупроводниковым монокристаллом.

4.4 Расчет концентрационного профиля примеси в коллекторе энергии.

4.5 Расчет оптических характеристик неоднородно легированного кремниевого коллектора энергии.

4.6 Выводы по четвёртой главе.

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАНАРНЫХ КЧИП И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ.

5.1 Основные параметры и характеристики КЧИП, рассматриваемые в ходе математического моделирования

5.2 Общие вопросы расчетных исследований характеристик планарных КЧИП.

5.3 Расчётные характеристики планарных КЧИП.

5.3.1 Характеристики и параметры планарных КЧИП с квадратным коллектором энергии 14x14 мм и с круглым коллектором энергии диаметром 14 мм.

5.3.2 Характеристики и параметры планарного КЧИП с коллектором энергии 20x20 мм.

5.3.3 Характеристики и параметры планарного КЧИП с коллектором энергии 28х28 мм2.

5.3.4 Характеристики и параметры планарных КЧИП с коллектором энергии 40x40 мм.

5.3.5 Характеристики и параметры планарных КЧИП с коллектором энергии 56x56 мм.

5.4 Результаты натурных исследований КЧИП.

5.5 Практическое использование планарного КЧИП.

5.6 Выводы по пятой главе.

Актуальность темы диссертации. В современной промышленности, науке и медицине все более широкое применение находят оптико-электронные приборы и комплексы с лазерами.

Функциональные возможности таких приборов и комплексов в основном определяются параметрами лазерного излучения и рабочими средствами измерений (РСИ) этих параметров. В настоящее время требования, предъявляемые на территории РФ к таким РСИ, законодательно закреплены ГОСТ 8.275-2007 [1] и соответствуют международным стандартам IEC 61040:1990 [2]. Следует отметить значительные успехи зарубежных фирм в разработке и производстве нового поколения РСИ энергетических параметров лазерного излучения, в том числе лазерных ваттметров. Вместе с тем приходится констатировать, что на рынке современных лазерных ваттметров, практически отсутствует продукция российских производителей. Поэтому достаточно остро стоит вопрос разработки отечественных высокотехнологичных и простых в эксплуатации лазерных ваттметров.

Наряду с энергетическими к основным параметрам лазерного излучения относятся и пространственно-энергетические - распределение мощности в поперечном сечении лазерного пучка, а также ширина, угол А расходимости и коэффициент распространения М лазерного пучка. Коэффициент распространения служит мерой близости параметров измеряемого и гауссова пучка и является важнейшим параметром, контролируемым при настройке и сертификации лазеров, а также в процессе их эксплуатации. Для определения угла расходимости и коэффициента М2 используются косвенные измерения с использованием результатов прямых измерений ширины лазерного пучка.

Требования к измерению пространственно-энергетических параметров лазерных пучков, законодательно закреплены в трех частях международного стандарта ISO 11146-2005. На основе его аутентичного перевода ФГУП «ВНИИОФИ» подготовлены, а Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии введены в действие три части ГОСТ Р ИСО 11146-2008 [3-5]. Методики измерений ширины пучка базируются на определении с помощью матричного приемника распределения мощности излучения в нескольких поперечных сечениях как прямого, так и трансформированного оптическими компонентами лазерного пучка. Однако, как отмечается в [5], в некоторых случаях точность результатов измерений, выполняемых с применением матричных приемников излучения, может оказаться все же недостаточной, либо такие приемники по ряду причин недоступны. Поэтому международными стандартами допускается использование альтернативных методик измерений ширины пучка -варьируемой диафрагмы, движущегося резкого края (ножа Фуко) и перемещаемой щели. При этом подчеркивается, что перечисленные методики позволяют с помощью достаточно простой аппаратуры, в состав которой входит лазерный ваттметр, обеспечить точность измерений ширины пучка, приемлемую для многих применений лазеров.

Однако, как показывает анализ этих методик, для проведения с их помощью высокоточных измерений ширины пучка необходимо использовать координатно-чувствительный широкоапертурный лазерный ваттметр. Наличие координатной чувствительности позволяет упростить и значительно повысить точность юстировки измерительной схемы, благодаря чему создаются наилучшие условия согласования лазерного пучка с входной апертурой ваттметра. При этом повышается эффективность использования приемной поверхности коллектора энергии и минимизируется влияние фоновой засветки на точность измерений, так как появляется возможность использования лазерных ваттметров с оптимальным (не завышенным) размером входного окна.

Выбор типа лазерного ваттметра в значительной степени зависит от режима генерации и уровня мощности диагностируемого излучения. В практической метрологии достаточно часто приходится измерять параметры непрерывного лазерного излучения среднего уровня мощности. Для диагностики такого излучения широко используются лазерные ваттметры с тепловыми первичными измерительными преобразователями (ПИП), обеспечивающими необходимое быстродействие и имеющими приемлемый коэффициент преобразования. Однако, за редким исключением [6], такие ПИП не обладают координатной чувствительностью, столь необходимой при использовании альтернативных методик измерений ширины лазерного пучка, особенно при диагностике ИК лазерного излучения.

В связи с этим представляется актуальной задача разработки модельного ряда отечественных тепловых координатно-чувствительных ПИП (КЧИП) с различными апертурами входного окна, способных обеспечить одновременные измерения пространственно-энергетических и на уровне РСИ энергетических параметров непрерывного лазерного излучения среднего уровня мощности.

Цель работы. Основной целью данной работы является разработка и применение методики расчета основных параметров и характеристик модельного ряда автономно калибруемых широкоапертурных КЧИП средней мощности непрерывного лазерного излучения, минимизация их селективности в ИК-диапазоне длин волн и использование результатов расчёта при изготовлении макетных образцов КЧИП.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи:

• создать расчётную модель КЧИП с учетом особенностей планарной технологии изготовления преобразовательного элемента;

• провести оптимизацию топологии преобразовательных элементов широкоапертурных КЧИП;

• разработать способ минимизации селективности кремниевого коллектора энергии и методику расчета его спектральной характеристики;

• разработать методику расчёта зонных и координатных характеристик широкоапертурных КЧИП с преобразовательным элементом оптимальной топологии и установить влияние различных факторов и неинформативных параметров на их зонные и координатные характеристики;

• провести экспериментальные исследования основных характеристик и параметров КЧИП с использованием одного из типоразмеров коллектора энергии разрабатываемого модельного ряда КЧИП.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований являлись широкоапертурные КЧИП с квадратными преобразовательными элементами различных размеров. Предметом исследований являлись зависимости зонных и координатных характеристик, а также верхних границ диапазона измерений от условий теплообмена КЧИП с окружающей средой при различных размерах коллектора энергии; спектральные свойства коллектора энергии.

Методика и методы проведения исследований. Методика расчетных исследований основывалась на положениях теории теплопроводности и высокотемпературной диффузии примесей в полупроводниковых монокристаллах. Двумерное стационарное температурное поле преобразовательного элемента находилось путем решения дифференциального уравнения теплообмена при однородных граничных условиях. Падающее на коллектор энергии лазерное излучение рассматривалось в приближении гауссова пучка. При расчетных исследованиях зонных и координатных характеристик широкоапертурных КЧИП перегревы горячих и холодных концов термопар каждой термобатареи усреднялись путем численного интегрирования по методу Симпсона.

Экспериментальные исследования зонных и координатных характеристик проводились методом лазерного зондирования. Параметры лазерного зонда соответствовали требованиям, определенным международным стандартом [2]. Верхние границы диапазонов измерений экспериментально исследованных КЧИП определялись на тестовых образцах методом замещения оптического нагрева их преобразовательных элементов электрическим.

Научная новизна работы.

1. Разработаны методика и алгоритм расчета спектральной характеристики коллектора энергии с плавно изменяющимися по его толщине оптическими константами.

2. Разработан способ изготовления плоского зеркально отражающего кремниевого коллектора энергии КЧИП с селективностью не более 0,3% в диапазоне длин волн от 3 до 12 мкм.

3. С помощью аналитических соотношений, полученных в результате анализа одномерной модели, впервые показана возможность создания широкоапертурных планарных КЧИП.

4. Установлено влияние на основные характеристики планарных КЧИП распределённых тепловых потерь с поверхности преобразовательного элемента, диаметра лазерного пучка и толщины подложки.

Практическая ценность работы.

1. Изготовлены макетные образцы КЧИП с коллектором энергии 14x14 л мм и диаметром входного окна 12 мм с использованием результатов расчётов, проведённых при их моделировании.

2. Предложенные методы и алгоритмы расчета позволяют определять основные параметры новых моделей автономно калибруемых планарных КЧИП и оценивать их предельные характеристики, а также могут быть использованы при расчёте спектральных характеристик коллекторов энергии, выполненных из других полупроводниковых материалов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Кремниевый коллектор энергии с селективностью, не превышающей 0,3% в диапазоне длин волн от 3 до 12 мкм, может быть изготовлен методами планарной технологии путём формирования в его объёме трёх областей: воспринимающей, согласующей и поглощающей излучение.

2. Численный анализ параметров одномерной модели КЧИП, представленных в аналитическом виде, позволяет определить влияние распределённых тепловых потерь и толщины преобразовательного элемента на размеры рабочей зоны и, тем самым, показать принципиальную возможность создания КЧИП с диаметром входной апертуры до 40 мм.

3. Расчётная модель планарного КЧИП, позволяющая определить его зонную и координатную характеристики, верна, что подтверждается результатами экспериментальных исследований параметров макетных образцов КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм2.

4. Оптимизация размеров входного окна и топологии преобразовательного элемента позволяет уменьшить составляющую неравномерности зонной характеристики, обусловленную рассогласованием линий теплового тока с ветвями планарных термопар, до 0,1%.

Достоверность научных положений и выводов.

Достоверность научных положений проверена решением задач разными методами, а также сопоставлением результатов расчёта, полученных в ходе математического моделирования КЧИП и при анализе его одномерной модели.

Получено хорошее совпадение результатов расчетных и экспериментальных исследований тестовых образцов.

Личный вклад автора состоит:

1. В разработке способа построения коллектора энергии с селективностью, не превышающей 0,3% в диапазоне длин волн 3-12 мкм, без использования чернящего покрытия.

2. В разработке методики расчета оптических параметров неоднородно легированного кремниевого коллектора энергии с учетом особенностей планарной технологии.

3. В проведении расчетных исследований зонных и координатных характеристик широкоапертурных КЧИП с учётом термического сопротивления клеевых прослоек между преобразовательным элементом и термостатом.

-114. В анализе влияния различных факторов и неинформативных параметров на зонные и координатные характеристики широкоапертурных КЧИП.

5. В определении оптимальных величин диаметра входного окна, габаритов преобразовательного элемента, топологии термобатарей и размера области теплового контакта преобразовательного элемента и термостата разрабатываемого модельного ряда КЧИП.

Внедрение результатов диссертационной работы.

Макетный образец КЧИП с коллектором энергии 14x14 мм2 и топологией преобразовательного элемента, разработанной в данной диссертационной работе, используется в лаборатории «Источников и приёмников оптического излучения» кафедры оптико-электронных приборов и систем Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики, что подтверждено Актом №01/2011 от 30.03.11. •

Апробация работы.

Материалы диссертации были доложены на:

37-м и 38-м Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2006 г. и 2007 г.);

30-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007 г.),

IX и X Международных научно-технических конференциях «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2007 г. и 2009 г.);

XVIII Всероссийской конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 2009 г.);

19-й и 20-й Международных конференциях «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2009 г. и 2010 г.);

-1239-м и 40-м Международных научно-методических семинарах «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах»

Москва, 2008г. и 2009г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в двух статьях в научных реферируемых журналах, 15 статьях в сборниках материалов научно-технических конференций и семинаров и в двух тезисах докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 192 страницы текста, включая 39 рисунков, 10 таблиц и библиографический список из 112 наименований.

Основные результаты работы:

1. Создана расчётная модель планарного КЧИП.

2. С учётом требований к лазерным ваттметрам разработан новый модельный ряд планарных КЧИП с оптимальными топологиями преобразовательных элементов при размерах коллекторов энергии от 14x14

2 2 мм до 56x56 мм и диаметрами входного окна от 12 до 40 мм.

3. Предложен способ изготовления коллектора энергии планарного КЧИП и впервые показано, что его селективность не должна превышать 0,3% в диапазоне длин волн (3-12) мкм.

4. Разработана методика расчета спектральных характеристик неоднородно легированного кремниевого коллектора энергии с плавно изменяющимися по его толщине оптическими константами, базирующаяся на представлении области легирования в виде многослойной структуры с неизменными оптическими константами в пределах каждого слоя.

5. Путём расчётных исследований установлено влияние на линейность координатной и равномерность зонной характеристик КЧИП размеров коллектора энергии и преобразовательного элемента, а также диаметра лазерного пучка и распределённых тепловых потерь.

6. Теоретически показано и на макетных образцах КЧИП (26x26/14x14) экспериментально подтверждено, что при оптимальной топологии преобразовательных элементов КЧИП разработанного модельного ряда можно обеспечить неравномерность зонной характеристики не более 0,8%, достаточно высокий коэффициент преобразования 0,4 В/Вт) и крутизну нормированной координатной характеристики 24 В/(Вт-м).

-181

- 180 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная работа посвящена разработке термоэлектрических планарных координатно-чувствительных измерительных преобразователей средней мощности лазерного излучения и экспериментальным исследованиям их основных характеристик.

1. ГОСТ 8.275-2007. ГОИ. Государственная поверочная схема для средств измерений средней мощности лазерного излучения и энергии импульсного лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,3 до 12,0 мкм -М.: Издательство стандартинформ, 2007.

2. ШС 61040:1990 Power and energy measuring detectors, instruments and equipment for laser radiation Geneva.: IEC, 1990.

3. ГОСТ Р ИСО 11146-2-2008. Лазеры и лазерные установки (системы). Методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Часть 2: Астигматические пучки М.: Издательство стандартинформ, 2009.

4. Фирма Coherent Электрон, ресурс., http://www.coherent.com/ products/?830/Laser-Measurement-and-Control (дата обращения: 06.03.11).

5. Иванов B.C., Золотаревский Ю.М., Котюк А.Ф., Либерман A.A. и др. Основы оптической радиометрии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 544 с.

6. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения / Б.Я. Бурдаев, Р.А Валитов, М.А. Винокур и др.; Под ред. А.Ф. Котюка. М.: Радио и связь, 1981. 288 с.

7. Измерение параметров приемников оптического излучения / Н.В.

8. Ш. Ишаниго . Г.Г/ Приемникш излучения*- оптических? ж оптико-электронных: приборов.- Л.: Машиностроение. Ленингр; отд-ние, 1986. 175с:

9. Термоэлементы- и термоэлектрические устройства: Справочник / Л.И. Анатычук. Киев: Наукова думка, 1979: -768.с.

10. Филачев А.М., Пономаренко В.П., Таубкин И.И., Ушакова;МБ. Инфракрасщ>те :матриць1 и тенденции их развития. 4.1 // Прикладная физика; 2003. № 1. С.105-120.

11. ГОСТ 8.207-76. Прямые* измерения с многократными наблюдениями: Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. М:: Издательство стандартов, 1976:

12. Справочник по лазерам: В 2х т. М.: Сов. Радио,1978. Т.1 503 с.

13. Близнюк В В., Гвоздев С.М. Квантовые источники излучения. М.: «ВИГМА», 2006. 392 с.19: «Лазерные источники излучения». Каталог-справочник по странам СНГ и Балтии, издание 7-е (дополненное). Части 1-3. М.: НТИУЦ ЛАС, 2005: 189 с.

14. Загорский Я.Т., Котюк А.Ф. Основы, метрологического обеспечения лазерной энергетической фотометрии; М.: Издательствостандартов, 1990.172 с.

15. Хребетов И. А., Маляров В.Г. Неохлаждаемые тепловые матричные приёмники ИК излучения// Оптический журнал. 1997. Т.64. №6. С.3-17.

16. Муртазин А., Олихов И., Соколов Д. Пироэлектрический электронно-оптический преобразователь. ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 1/2006. С.26-30.

17. Панкратов H.A. Пироэлектрические приемники излучения // Оптический журнал. 1995. Т.62. №12. С.12-19.

18. Бобровская H.H., Гринин C.B., Скляренко С.К., Чепшпсо А.Г. Пироэлектрические преобразователи для измерения, энергетических, пространственных и временных характеристик излучения И Тепловые приёмники излучения. Сб. статей. Л.: ГОИ, 1992. С.51-52.

19. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И. Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал. 1998. Т. 65. № 6. С. 16-27.

20. Панкратов H.A. Тонкопленочные пироэлектрические приемники излучения // Оптический журнал. 1996. Т.63. № 5. С.16-22.

21. Фирма Heimann sensor Электрон. ресурс., http://www.heimannsensor.com/products.php (дата обращения: 06.03Л1).

22. Ащеулов A.A., Ильин В.И., Кондратенко В.М. Раренко И.М. Анизотропный термоэлектрический приёмник неселективного излучения // А. с. СССР №1141954. Бюл. Изобр. 1984. №22.

23. Фирма DRS Technologies Электрон, ресурс., http://www.drs.com/ Products/RSTA/Components.aspx (дата обращения:.06.03.11).

24. Панкратов H.A. Современные полупроводниковые термоэлектрические приемники излучения // Оптический журнал. 1993. Т.60. № 8. С.20-29.

25. Козаченко М. Л. Высокоточные широкоапертурные калориметрические измерительные преобразователи больших уровнейэнергии лазерного излучения //Измерительная техника. 2007. № 1. С.28-33.

26. Kamio T., Saga M., Matsumoto S. et al. Uncooled infrared focal plane array having 128x128 thermopile detector elements // Proc. SPIE. 1994. V. 2269. P.450-456.

27. Иоффе Л.А., Подильчук H.Д. Первичный измерительный 1 преобразователь для лазерной техники // IV Всесоюзна семин. по тепловымприемникам излучения: Тез. докл. Л.: ГОИ, 1983. С.51-52.

28. Lenggenhager R., Baltes Н.; Peer J., Förster M. Thermoelectric infrared sensors by CMOS technology // IEEE Electron Device Letters. 1992. V. 13. № 9. P.454-456.

29. Козаченко M. Л. Высокоточные широкоапертурные калориметрические измерительные преобразователи средней мощности лазерного излучения и созданные на их базе измерительные системы // Измерительная техника. 2000. № 3. С.35-39.

30. Хребтов И. А., Ткаченко А. Д. Высокотемпературные сверхпроводниковые болометры на основе кремниевой мемьранной технологии // Оптический журнал. 2004. Т.71. №3. С.22-33.

31. Елфимов О.В., Косоротов В.Ф., Кременчугский Л.С., Скляренко С.К. Координатно-чувствительные пироэлектрические приемники излучения. Киев: АН УССР, 1980. 44 с.

32. Авиационные системы информации оптического диапазона: Справочник/ Ю.В. Байбородин, В.В. Волков, В.К. Вялов и др.; Под ред. Л.З. Криксунова М.: Машиностроение, 1985.264 с.

33. Васильев H.H., Курчатов Ю.А., Донецкий A.C., Костин В.В. Поз иг щонно-чувствительный пироэлектрический приемник электромагнитного излучения // Электронная техника. Киев: КИА, 1971. Сер. И. Вып. 3. С. 121-124.

34. Новик BJC, Бенькович ИА, Фельдман Н.Б., Смоля AB. К оординати о-чувствительный пироэлектрический приемник излучения // ОМП. 1981. № 1. с.3-5.

35. Новик В.К., Гаврилова Н.Д., Фельдман Н.Б. Пироэлектрические преобразователи. Mi: Gob. радио, 1979.177 с. . , :

36. Елфимов О.В. Кременчугский Л.С., Скляренко С.Н. Координатно-чувствительные пироэлектрические приёмники проходящей мощности//ОМП. 1978. №10. С.63-65.

37. Ащеулов А. А. Координатно-чувствительные устройства на основе анизотропных оптикотермоэлементов // Оптический журнал: 2008; Т.75. №5. С.52-58.

38. Александров Ю.В., Близнюк В.В., Шарихин В.Ф: Позиционно-чувствительный термоэлектрический приемник излучения // IV Всесоюзн. семин. по тепловым приемникам излучения: Тез: довел. JI.: ГОИ, 1983: С.40-41.

39. Александров Ю.В., Близнюк ВВ., Шарихин В.Ф. Полупроводниковый измеритель мощности оптического излучения проходного типа// Тр. ин-та/ МЭИ. 1983. Вып. 597. С.12-17.

40. Ишанин Г. Г., Панков Э. Д., Челибанов В. П. Приемники излучения; СПб.: «Папирус», 2003. 527с.

41. Фирма Ophir Optronics Электрон. ресурс. http://www.ophiropt.com/ laser-measurement (дата обращения: 06.03.11).

42. Фирмы Scientech Электрон, ресурс. http://www.scientech-inc.com/laserpower.phtml(дата обращения: 06.03.11).

43. Всесоюзн. семин. по тепловым приемникам излучения: Тез. докл. Л.: ГОИ, 1983. С.42-43.

44. Лыков А.В. Тепломассообмен: Справочник. М.: Энергия, 1978.480 с.

45. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967.599 с.

46. Охотин А.С. Пушкарский А.С., Горбачев В.В. Теплофизические- 187 •свойства полупроводников. М.: Атомиздат, 1972. 200 с.

47. Morris R.G., Hust J.G. Thermal Conductivity Measurements of Silicon from 30° to 425°C//Phys. Rev. 1961. V.124. № 25. P.1426-1430.

48. Самарский A.A., Николаев E.C. Методы решения сеточных уравнений: Учеб. пособие. М.: Наука, 1978. 591 с.

49. Самоучитель MathCad. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 560 с.

50. Парфенов О.Д. Технология микросхем. М.: Высшая школа, 1986.320 с.

51. Близнюк В.В. Оптимизация параметров чувствительного элемента термоэлектрического интегрального позиционно-чувствительного приемника излучения // Тр. ин-та / МЭИ, 1987. Вып. 134. С.39-44.

52. De Meis R. Choose the right detector and meter to test beam strength //Laser Focus World. 1995. June. P.105-113.

53. Черняев B.H. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1987. 424 с.

54. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1986.464 с.

55. Колесников В .Г., Никишин В.И., Сыноров В.Ф., Петров Б.К., Сонов Г.В., Горохов B.C. Кремниевые планарные транзисторы. Под. ред. Я.А. Федотова. М.: «Сов. радио», 1973. 321 с.

56. Cave К. I. S. The base diffusion profile arising from boron redistribution in the oxide — a useful approximation? // «Solid State Electronics», 1965. v.8. №12. P.991—993.

57. Фистуль В.И. Сильно легированные полупроводники. М.: Наука, 1967.415 с.

58. Волле В. М., Грехов И. В., Делимова Л. А., Левинштейн М. Е. Ток обратносмещенного кремниевого /»-«-перехода при высоких напряжениях смещения // ФТП. 1975. Т.9. С.650-656.

59. Волле В. М., Грехов И. В., Делимова Л. А., Левинштейн М. Е. Метод измерения локальных токов в /?-л-структурах большой площади // Физика полупроводников. 1976. Вып. 2. С.397-400.

60. Матсон Э.А. Конструкции и технология микросхем: Учеб. пособие. Минск.: Вышэйшая школа, 1985.207 с.

61. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. М.: Энергия, 1967. Т.1. 523 с.

62. Бондарук В.И. О температурной стабильности свойств полупроводниковых термоэлектрических материалов // Физика полупроводников. 1978. Вып. 5. С.977-979.

63. Betts D.B., Clarke F.J., Сох L.J., Larkin J.A. Infrared reflection properties of fine types of black coating for radiometric detectors // J. Phys. E.: Sei. Instrum. 1985. V.18. № 8. P.689-696.

64. Говор И.Н., Кубарев A.B. Новый метод калибровки джоульваттметра//Импульсная фотометрия. 1981. Вып. 7. С.42.

65. Оптические свойства полупроводников: Справочник / Гавриленко В.И., Грехов AJVL, Карбуляк Д.В., Литовченко В.Г. Киев: Науковадумка, 1987. 607 с.

66. Воронкова Е.М., Гречушников Б.Н., Дистлер Г.И., Петров И.П. Оптические материалы для инфракрасной техники. М.: Наука, 1965. 415 с.

67. Шалимова К.В. Физика полупроводников. М.: Энергия, 1976.416 с.

68. Смит Р. Полупроводники: Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 560 с.

69. Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках. Пер. с англ./ Под ред. Ж.ИАлферова. М.: Мир,1973.456 с.

70. Кизель В.А. Отражение света. М.: Мир, 1973. 215 с.

71. Уханов Ю.И. Оптические свойства полупроводников. М.: Наука, 1944. 366 с.

72. Близнюк В .В., Тинаев A.A. Неселективный тепловой первичный измерительный преобразователь лазерного излучения с плоским зеркально отражающим коллектором энергии // Тезисы докладов на 18-й

73. Всероссийской^ конференции «Фотометрия и её метрологическое: обеспечение» (15-17 апреля 2009г.). М1:ФГУПВНИИОФИ, 2009. €.44-46.

74. Ефимов- И.Е., Горбунов ЮЛ, Казырь И.Я: Микроэлектроника; М : Высшая школа, 1978, 312 с.

75. Кард П.Г. Анализ и синтез, многослойных интерференционных ш1ёнок. Талину Валгус. 1971. 235 с.

76. Бреховских JI M. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во «Наука», 1973.343 с. " '

77. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет. Пер. с англ./Под ред. А.В.Ржанова. М.: Мир, 1981. 584 с.

78. Дитчберн Р. Физическая оптика. М.: Наука, 1965. 631 с.

79. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2. Пер. с англ. М.: Наука, 1973.721 с. . ■ ' •

80. Александров Ю:В., Близнюк В В., Шарихин В.Ф. Широкоапертурное; широкодиапазонное устройство стабилизации средней мощности лазерного излучения // Импульсная: фотометрия; Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. Вып: 8. G. 60-62.

81. Тинаев A.A. Первичный преобразователь лазерного излучения, выполненный по планарной технологии // Тезисы докладов тринадцатой

82. Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника, и энергетика». М.: Издат. дом МЭИ, 2007. Т.1. С.167.

83. Близнюк ВВ., Беляева Е.В., Неверова Е.А., Тинаев A.A.