6.3. Сенсоры излучения на основе термоэлектрического и терморезистивного эффектов

Рассмотренные ранее способы регистрации температуры и ее изменений, основанные на измерении термоЭДС или вариаций сопротивления материалов при колебаниях температуры, вполне могут быть применены для дистанционного измерения температуры. Поскольку для фиксации сравнительно малых потоков лучистой энергии, т.е. для повышения чувствительности, теплоемкость и масса таких сенсоров должны быть минимальными, то методы микроэлектроники и микросистемной техники для их реализации являются перспективными. Ограничимся рассмотрением нескольких примеров такого подхода. В [6] описана интегральная термобатарея, структура которой представлена на рис. 18, А

Для измерения термоЭДС используется контакт Al/p-Si. Полоски кремния р-типа сформированы в эпитаксиальном слое n-типа, толщиной 10 мкм. Алюминиевые пленочные перемычки связывают концы полосок кремния для формирования батареи, содержащий 44 пары горячих и холодных контактов. Для уменьшения теплоемкости сенсора исходная кремниевая подложка р-типа под батареей удаляется электрохимическим травлением вплоть до его остановки на переходе эпитаксиальный n-слой/р-подложка и образования диафрагмы десятимикронной толщины (рис. 18, Б).

Контакт n⁺-типа является технологическим. Облучаемые горячие спаи батареи покрываются поглощающим слоем. Для уменьшения теплопроводности от горячего спая к массе кристалла край диафрагмы, прилегающий к горячим спаям, удаляется плазменным травлением, так что диафрагма приобретает форму консольно-закрепленной балки.

Термобатареи генерируют ЭДС в ответ на облучение и не требуют тока питания для съема информации, что предотвращает паразитный нагрев и связанные с этим ошибки измерений. Поэтому сенсоры на их основе предпочтительнее для создания матриц больших размерностей и организации тепловизоров. В настоящее время известны опытные образцы тепловизоров с интегральной матрицей сенсоров размерностью до 128х128 элементов, совмещенной с системой считывания на ПЗС структурах.

А

Б

Рис. 18. Схема Al/p-Si термопары в интегральном исполнении (А) и ее поперечное сечение (Б)

Другим сенсором приемников теплового излучения является терморезистор, обладающий большим температурным коэффициентом сопротивления и имеющий малую теплоемкость. Как отмечалось, в отличие от термопары, он требует для регистрации изменения сопротивления источника питания с жесткими требованиями к стабильности тока и напряжения. Практически для регистрации излучения используются болометры, ассортимент которых весьма широк, что связано с необходимостью создания устройств для приема тепловых излучений с разной длиной волны. Как правило, это одиночные приемники, а не элементы матриц. Ограничимся одним примером реализации такого устройства, технология изготовления которого является вариантом поверхностной микрообработки в МСТ. Его конструкция схематически представлена на рис. 19.

Рис. 19. Болометр с вакуумной (воздушной) тепловой изоляцией

Главной конструктивной особенностью структуры является способ тепловой изоляции чувствительного элемента от подложки. Пленочный терморезистор сформирован на тонкой диафрагме (пленке), выполненной обычно из нитрида кремния. Эта диафрагма свободно висит над вакуумной полостью, глубиной до 2,5 микрометров, которая собственно и выполняет задачу тепловой изоляции. Эта полость создается на одном из последних этапов формирования всей структуры за счет удаления заполнявшего объем этой полости так называемого жертвенного слоя. Обычно его роль играет толстый слой окиси кремния, локально сформированный на кремниевой подложке на одном из первых этапов формирования структуры. Окись кремния сравнительно легко удаляется травлением растворами на основе фтористоводородной кислоты даже через узкие капилляры.

Упрощенный вариант изготовления подобной структуры, отличающийся способом нанесения жертвенного слоя, представлен на рис. 20.

В обоих случаях полупроводниковая кремниевая подложка не является пассивной, а содержит компоненты электронной схемы интерфейса для считывания информации с датчиков.

Рис. 20. Вариант технологического процесса формирования сенсора с вакуумной термической изоляцией

В приведенных структурах микроболометры выполнены на диоксиде ванадия. Этот материал достаточно сложен в изготовлении из-за низкой стабильности диоксидов, связанной с обратимым фазовым переходом из металлического в полупроводниковое состояние в диапазоне температур 50 – 70 ^ºС. Но именно благодаря этому он имеет высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления порядка 4% / К, что позволяет получить сенсоры с очень высокой чувствительностью (в литературе приводятся цифры чувствительности порядка 10⁵ В / Вт).

Известны также болометры, использующие переход материала из обычного в сверхпроводящее состояние, однако их использование возможно только при криогенных температурах.