專利名稱：低溫背景限紅外探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電紅外探測器的一種低溫背景限紅外探測器。
紅外探測器是紅外儀器設(shè)備的心臟，靠它把光學(xué)信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)信號而可以記錄下來(如成圖像)。傳統(tǒng)的紅外探測器是用HgCdTe、SbIn或YBCO(高溫超導(dǎo)材料)等制成光敏元的探測器，探測率D*是表征探測器優(yōu)劣的重要參數(shù)之一。通常用室溫300K下的D*300理論計算值來比較評價器件的技術(shù)水平，并按照這樣的思路進行設(shè)計，工藝等制造研究。D*的表達式如下D*=SPAΔfN]]>(cm·H2·W-1)式中P為入射功率，A是光敏元面積，Δf是測量帶寬，S/N是信噪比。這表明實際探測器所能達到最高水平往往與其噪聲機制有關(guān)。但溫度降低到一定程度時，器件內(nèi)噪聲減弱到極小極小，此時探測器輸出的噪聲則是它對背景輻射功率起伏的響應(yīng)，通常稱之為光子噪聲。理論上計算出背景限探測率值如下表。
從上表可以看出背景溫度從300K下降到77K其光子流降低了106，而D*則高出103，顯然，對低溫背景限探測器和器件物理的研制是極有實用價值的。(參見對比文獻[1]B.Dwir and D.Pavune,＂A sensitive YBaCuO thin film bolometer withultrawide wavelength response＂J.Appl.Phys.72(9).1 Nov.1992.P3855～3861。[2]Julie A.Crooke等＂Alignment and cryogenic testing of the Cassini-composite-InfraRed Spectrometer(CIRS)far-infrared(FIR)focal plane＂SPIE Vol.2814/105～106,9/96)對于已有的低溫探測器講，其基本結(jié)構(gòu)是由襯底上置有光敏元，襯底置于熱沉上，熱沉置于帶有窗口的杜瓦瓶內(nèi)膽里的液體氮(液N2)內(nèi)以及光敏元前或者有冷屏，或者有光闌所組成(參見對比文獻[3]OvedNaveh,＂Sensitivity of scanning andstaring infrared seekers for air-to-air missiles＂,SPIE Vol.3061.0277-786X/97。[4]Braddy J.Cooke等，＂Analysis and Design Methodology for the Development ofOptimized,Direct-Detection CO2DIAL Receivers＂SPIE Vol.3122.0277-786X/97)，它作為光電轉(zhuǎn)換的核心部件，與外部的調(diào)制系統(tǒng)、線路處理、光學(xué)部件或光機掃描機構(gòu)有機組合成紅外整機。
上述結(jié)構(gòu)的低溫背景限紅外探測器，由于周圍背景輻射和噪聲大等因素的影響，信噪比S/N很難做到理想值，也就是說，很難獲得上述表1中所列的溫度為77K的探測率D*的值。因此，很難提高探測器的性能。
本發(fā)明的目的為克服上述已有技術(shù)中的問題，提供一種能夠有效地屏蔽，有效地降低周圍背景輻射，大幅度地降低背景光子流，使光敏元的噪聲將大大地下降，從而提高探測器的性能，并且改變上述傳統(tǒng)用室溫下光敏元的探測率D*理論值來評價探測器的水平。
本發(fā)明的低溫背景限紅外探測器，包含有由外殼體4和內(nèi)膽13構(gòu)成中間夾有真空夾層14的杜瓦瓶15，外殼體4的頂端帶有抽氣口1和光敏元7引線的接線柱3。內(nèi)膽13的頂端帶有注入液體氮(N2)5的注入口2。內(nèi)膽13內(nèi)腔里裝有液體氮(液態(tài)的N2)。在杜瓦瓶15內(nèi)膽13的下部置有一端在液體氮5里，另一端在真空夾層14內(nèi)的熱沉6，在真空夾層14內(nèi)的一端熱沉6上置有光敏元7，與光敏元7對著的杜瓦瓶15的外殼體4上有外窗口10。在真空夾層14內(nèi)，光敏元7與外窗口10之間置有冷屏8。在冷屏8與外窗口10之間置有光闌9。光敏元7、冷屏8和光闌9三者構(gòu)成一體。在光闌9與外窗口10之間置有帶微型電機12的調(diào)制盤11。微型電機12置于熱沉6內(nèi)。
所說的光敏元7是由對紅外輻射波段敏感的材料構(gòu)成，如碲鎘汞(HgCdTe)、或者銻化銦(SbIn)，或者高溫超導(dǎo)材料(YBCD)。
所說的外窗口10是與外殼體4密封的。
所說的冷屏8和外窗口10均是由能夠透過紅外輻射波的材料構(gòu)成的。
上述結(jié)構(gòu)的探測器工作過程是來自目標(biāo)與背景的紅外輻射光束，首先經(jīng)過外窗口10，只透過一定波長輻射，即外窗口10起到濾光作用。然后經(jīng)過不斷轉(zhuǎn)動的調(diào)制盤11，該紅外輻射光束在通與斷調(diào)制下，使探測器的輸出成為一個交流信號，這有利于信號的處理。經(jīng)過調(diào)制的輻射光束經(jīng)過光欄9限制，使背景輻射大大降低，再經(jīng)過冷屏8使背景輻射降溫，經(jīng)過冷屏8相當(dāng)于又經(jīng)過第二個低溫濾光片而后投射在光敏元7上。光敏元7把光學(xué)信號變成電學(xué)信號方便地由引線接線柱3輸出到與接線柱3聯(lián)接的數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明的低溫微型調(diào)制系統(tǒng)包括微型電機12、調(diào)制盤11與敏感元7一道置于真空夾層14內(nèi)，也就是說置于真空夾層14內(nèi)的所有上述元件均處于低溫液體氨下。因此使背景輻射成為低溫調(diào)制后入射到敏感元7上，而作為低溫濾光片的冷屏8、光闌9與光敏元7三位一體構(gòu)成了進一層的屏蔽，降低了周圍背景輻射，使整個入射輻射成為接近77K下的光子流，從而達到了降低噪聲，提高信號輸出的目的。并且改變了已有技術(shù)中傳統(tǒng)地用室溫下光敏元7的探測率D*理論值來衡量探測器的技術(shù)水平。
本發(fā)明有如下三個明顯效果1．本發(fā)明的紅外探測器比上述已有技術(shù)的屏蔽增強了、噪聲下降了，大大地提高了探測器信噪比S/N；2．本發(fā)明的低溫背景限紅外探測器在頻率1kHz以上時，噪聲更低，1/f噪聲可以忽略；3．本發(fā)明的低溫背景限紅外探測器由于上述結(jié)構(gòu)的特征，使得載流子壽命增加了，因此信號輸出提高了。
總效果是大大地提高了探測器性能。這可由下述實施例證明。


圖1為本發(fā)明的低溫背景限紅外探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。
實施例1．如圖1所示的結(jié)構(gòu)。其中光敏元7為高溫起導(dǎo)薄膜YBa2Cu3O7-δ(YBCO)材料制成。稱之為高溫超導(dǎo)低溫背景限探測器。進行性能測量，獲得探測率D*=8.3×109cm·H2·W-1，而同一片的YBCO光敏元7放置于已有技術(shù)的杜瓦瓶熱沉上。獲得D*=4.1×108cm·H2·W-1。說明本發(fā)明的探測器比已有技術(shù)探測器性能提高了20倍。
2．如圖1所示結(jié)構(gòu)。其中光敏元7選用碲鎘汞HgCdTe材料制成。稱為PC-HgCdTe低溫背景限探測器。進行性能測量，獲得探測率D*=8.4×1010cm·H2·W-1，而同一個光敏元7HgCdTe放置于上述已有技術(shù)的杜瓦瓶熱沉上，獲得D*=1.21×1010cm·H2·W-1。證明了本發(fā)明的探測器比已有技術(shù)探測器的性能提高約7倍。
權(quán)利要求
1．一種低溫背景限紅外探測器，包含<1>由外殼體(4)和內(nèi)膽(13)構(gòu)成中間夾有真空夾層(14)的杜瓦瓶(15)，外殼體(4)的頂端帶有抽氣口(1)和接線柱(3)，內(nèi)膽(13)的頂端帶有注入口(2)，內(nèi)膽(13)的內(nèi)腔里裝有液體氮(5)<2>在杜瓦瓶(15)的內(nèi)膽(13)的下部置有一端在液體氮(5)里，另一端在真空夾層(14)內(nèi)的熱沉(6)，在真空夾層(14)內(nèi)的一端熱沉(6)上置有光敏元(7)，與光敏元(7)對著的杜瓦瓶(15)的外殼體(4)上有外窗口(10)；其特征在于<3>在真空夾層(14)內(nèi)，光敏元(7)與外窗口(10)之間置有冷屏(8)，在冷屏(8)與外窗口(10)之間置有光闌(9)，光敏元(7)、冷屏(8)和光闌(9)三者構(gòu)成一體；<4>在真空夾層(14)內(nèi)，在光闌(9)與外窗口(10)之間置有帶置于熱沉(6)內(nèi)的微型電機(12)的調(diào)制盤(11)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的低溫背景限紅外探測器，其特征在于光敏元(7)是由對紅外輻射波段敏感的材料構(gòu)成，如是碲鎘汞(HgCdTe)，或者是銻化銦(SbIn)，或者是高溫超導(dǎo)材料(YBCD)。
全文摘要
一種低溫背景限紅外探測器,包含由外殼體和內(nèi)膽構(gòu)成中間夾有真空夾層的杜瓦瓶。內(nèi)膽的內(nèi)腔里裝有液氮。內(nèi)膽的下部置有熱沉,熱沉在真空夾層內(nèi)的一端上置有光敏元,與光敏元對著的外殼體上的窗口與光敏元之間置有冷屏、光闌和帶有微型電機的調(diào)制盤。本發(fā)明的調(diào)制系統(tǒng)和冷屏、光闌與光敏元三位一體均置于真空夾層內(nèi)處于液氮低溫下,增強了屏蔽,降低了周圍背景輻射,即降低了噪聲,提高了信號輸出,提高了探測器的性能。
文檔編號G01J5/20GK1232962SQ9911359
公開日1999年10月27日 申請日期1999年3月31日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月31日
發(fā)明者劉心田, 黃志明, 徐國森, 劉興海 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所